李 平，張 健

（黃淮學(xué)院 信息工程系，河南 駐馬店 463000）

基于單片機(jī)C8051F350的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

李 平，張 健

（黃淮學(xué)院 信息工程系，河南 駐馬店 463000）

以鉑電阻PT1000為溫度傳感器，以C8051F350單片機(jī)為控制核心，設(shè)計了一種高精度溫度測量系統(tǒng)，測量結(jié)果以數(shù)字方式顯示．

溫度測量；單片機(jī)；PT1000；C8051F350

溫度測量是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分，對安全生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等起著關(guān)鍵作用，因此，能夠快速、準(zhǔn)確地測量溫度的技術(shù)及裝置普遍受到各國的重視．近年來，利用智能化數(shù)字式溫度傳感器實現(xiàn)溫度信息的在線檢測已成為溫度檢測的一種發(fā)展趨勢．本文介紹一種以鉑電阻為溫度傳感器，以單片機(jī)為控制核心的智能化溫度檢測系統(tǒng)．

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示．該系統(tǒng)通過溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過含有單片機(jī)的檢測系統(tǒng)檢測，結(jié)果被傳送到主控器，再通過LCD顯示器顯示．CPU和溫度傳感器是該系統(tǒng)的核心器件．

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1 微處理器選擇

系統(tǒng)選用C8051F350作為CPU．C8051F350的主要特點是：以速度較快的 8051處理器為基礎(chǔ)，可在50 MHz時鐘頻率下提供高達(dá)50 MIPS的輸出；內(nèi)建8通道24位ADC；具有與5 V電壓兼容的17個靈活的數(shù)字式輸入/輸出通道；連續(xù)通信外圍設(shè)備包括通用異步接收機(jī)、SPI和SMBus連續(xù)端口；具有高精準(zhǔn)度模/數(shù)轉(zhuǎn)換、高速數(shù)據(jù)處理、線上程序設(shè)定的功能，是高精準(zhǔn)度測量應(yīng)用的理想選擇；集多功能于一身，外圍電路簡單，能夠減小由復(fù)雜電路帶來的各種元件間的干擾；價格適中．

1.2 溫度傳感器選擇

根據(jù)測量精度和控制精度要求，系統(tǒng)選擇鉑電阻PT1000作為溫度傳感器．鉑電阻PT1000的長期穩(wěn)定性好，可重復(fù)操作性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作溫度范圍較寬，可滿足所設(shè)計系統(tǒng)的技術(shù)要求，且價格適中．

鉑電阻溫度傳感器在實際溫度檢測控制系統(tǒng)中的應(yīng)用極其廣泛．在0～800 ℃范圍內(nèi)，鉑電阻溫度傳感器的阻值與溫度之間呈非線性關(guān)系，即

所以在使用中要進(jìn)行線性化處理，否則會影響測溫精度．為提高測溫精度，本系統(tǒng)采用三線制電橋法．

2 主要硬件電路模塊設(shè)計

2.1 三線制電橋電路

本系統(tǒng)是高精度測溫系統(tǒng)，由鉑電阻的變化體現(xiàn)溫度變化，必須考慮連接線引線電阻引入的測量誤差．為消除或減小這種誤差，本系統(tǒng)中鉑電阻的接線方式采用三線電橋法，其原理電路如圖2．圖2中，r1，r2和r3分別表示鉑電阻傳感器3根引線上的電阻．通常這3根引線的材料是相同的，長度、橫截面積也都相等，所以r1=r2=r3=r．三線制電橋可采用電壓源或電流源供電，電橋的輸出端與放大器相連．

圖2 三線制電橋電路

圖 2中，R1和 R2是阻值相同的固定電阻器，R3是用于平衡電橋的可變電阻器，電橋的輸出電壓為

忽略上式分母中包含引線電阻的后4項，則得

此方法的理論誤差不大于2‰，精度相對較高．

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要通過溫度傳感器完成溫度信號的采集處理、前置放大、簡單濾波、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波．由于溫度傳感器只能將溫度信號轉(zhuǎn)換為相當(dāng)微弱的毫伏級電壓信號，而且它還會帶入電源等產(chǎn)生的各種干擾，因而在前置放大級需對輸入信號先進(jìn)行前置濾波，并將數(shù)字地與模擬地分開（如圖3所示）．

2.3 MCU控制模塊

該模塊是整個系統(tǒng)的核心，主要由C8051F350單片機(jī)、74LS373鎖存器、74LS244總線輸入緩沖器及光耦合器等構(gòu)成，具有溫度信號的數(shù)據(jù)采集、處理、通信等功能，原理圖如圖3所示．

C8051F350的主要管腳接線及功能如下：P0.0為輸入選通信號，接74LS244的三態(tài)允許端1G/2G（低電平有效），低電平時讀取有效，高電平時退出總線；P0.1接74LS373的三態(tài)允許控制端OE，低電平有效；P0.2與P0.3之間接外部晶振（22.1184 MHz）；P0.4和P0.5是串行通信接口，分別接MAX232的11和10引腳；P0.6和 P0.7為輸出并鎖存信號端，分別通過一個三極管接到兩片74LS373的鎖存允許端LE，為高電平時鎖存數(shù)據(jù)；P1.0―P1.7通過總線工作方式分別接到 74LS244的輸出端1Y1―1Y4、2Y1―2Y4和兩片74LS373的數(shù)據(jù)輸入端 D0―D7上；AV+接+3 V模擬電源，AGND接模擬地；VDD接+3 V數(shù)字電源，DGND接數(shù)字地；P2.0/C2D和RST/C2CK接下載線，以便于在線編程．該系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，輸入/輸出信號均通過 P1口進(jìn)行讀寫，P0口用于讀寫控制．

圖3 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括主程序模塊的設(shè)計和中斷處理模塊的設(shè)計．主程序包括C8051F350的初始化以及各并行I/O口的初始化等，其流程圖如圖4(a)所示．中斷服務(wù)程序包括溫度值的采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序、溫度顯示子程序等，每個子程序的結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示．

圖4 軟件流程圖

綜上所述，此測溫系統(tǒng)選用了功能強(qiáng)大的單片機(jī)C8051F350和溫度穩(wěn)定性好的鉑電阻PT1000作為核心器件，加之增加了信號處理單元等，從而溫度測量精度較高．

[1] 劉瑞新．單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

[2] 楊永竹．鉑電阻高精度非線性校正及其在智能儀表中的實現(xiàn)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2000(8)：44―46．

[3] 趙繼文．傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計[M]．北京：科學(xué)出版社，2002．

〔責(zé)任編輯 張繼金〕

TH765.2+6

A

1006-5261(2010)05-0030-02

2009-10-15

河南省教育廳自然科學(xué)基金（2004510004）

李平（1976―），女，河南駐馬店人，碩士．