李 平,張 健
(黃淮學院 信息工程系,河南 駐馬店 463000)
基于單片機C8051F350的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計
李 平,張 健
(黃淮學院 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;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,以單片機為控制核心的智能化溫度檢測系統(tǒng).
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、SPI和SMBus連續(xù)端口;具有高精準度模/數(shù)轉(zhuǎn)換、高速數(shù)據(jù)處理、線上程序設(shè)定的功能,是高精準度測量應用的理想選擇;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,可重復操作性強,響應速度快,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.
2.1 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、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
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)選用了功能強大的單片機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.
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〔責任編輯 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基金(2004510004)
李平(1976―),女,河南駐馬店人,碩士.