基于單片機的溫度監測系統設計

摘 要：介紹了一種基于單片機的溫度監測系統的設計與實現。該系統中以貯液容器溫度為被控參數，蒸汽流量為控制參數，輸入貯液容器冷物料的初溫為前饋控制，構成前饋-反饋控制系統。

關鍵詞：單片機；溫度監測；AT89C51

中圖分類號：TP34文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）06-0354-02

0 前言

溫度測控在工業領域具有廣泛的應用，隨著傳感器技術、微電子技術、單片機技術的不斷發展，為智能溫度測控系統測控功能的完善、測控精度的提高和抗干擾能力的增強等提供了條件.由于單片機具有集成度高、功能強、體積小、價格低、抗干擾能力等優于一般CPU的優點，因此，在要求較高控制精度和較低成本的工業測控系統中，往往采用單片機作為數字控制器取代模擬控制器。

本文針對貯液容器溫度控制設計了以單片機為主機的自動控制系統。該系統中以貯液容器溫度為被控參數，蒸汽流量為控制參數，輸入貯液容器冷物料的初溫為前饋控制，構成前饋-反饋控制系統。發揮前饋控制和反饋控制的各自優勢，將可測而不可控的干擾由前饋控制克服，其他干擾由反饋控制克服，從而達到控制貯液容器溫度，滿足工藝要求的目的。

1 硬件電路的設計

系統的結構框如圖1所示。選單片機AT89C51為主機，配以兩路傳感變送器、多路開關、A/D轉換器、D/A轉換器、V/I轉換器、調節閥等實現對貯液容器溫度的自動控制，同時還設有報警電路、鍵盤和顯示電路。

圖1 系統結構圖

1.1 主機及其外圍電路的設計

1.1.1 主機的設計

本系統選用單片機AT89C51為主機，其內部有4 k的FLASH工藝的程序存儲器，256字節的數據存儲器以及32個I/O口。其P0口用作數據線；P1口與報警電路和看門狗電路相連；P2口用作地址線；P3口用作讀、寫控制和中斷控制以及多路開關的控制。

1.1.2 鍵盤、顯示電路

由于主機的I/O口不夠用，所以鍵盤和顯示電路與主機之間的接口需要外擴，在此采用8155芯片作為系統的I/O口擴展，鍵盤接成3×4結構，顯示器選用4位LED顯示器，以實現其相應功能。

1.1.3 報警電路

當貯液容器溫度的測量值超出給定的上下限時，置P1.0=1，給出聲光報警；當超出上限值時，P1.1=0，表明溫度過高，進行減小蒸氣流量處理；當超出下限值時，P1.2=0，表明溫度過低，進行增大蒸氣流量處理。

1.1.4 看門狗電路

采用MAX813L芯片作看門狗的定時計數器，其功能是實現上電瞬時掉電自動復位以及程序跑飛時的自動復位，并且可以時時監視電源故障，以便及時保存數據。

1.2 前向通道的設計

采用JUMU90系列的溫度傳感變送器，其輸入范圍為：0~500℃，輸出為4~20 mA(DC)，測量精度為0.5%.選用10位逐次逼近式A/D轉換芯片AD571，接收到有效的CONVERT命令后，內部的逐次逼近寄存器從最高位開始順次經電流輸出的DAC在比較器上與模擬量經5 kΩ電阻所產生的電流相比較。檢測完所有位后，SAR中包含轉換后的10位二進制碼。轉換完成后，SAR發出DR信號(低電平有效)，單片機查詢到DR=0時，便使其打開三態緩沖器輸出數據。

1.3 后向通道的設計

1.3.1 D/A轉換器的設計

為了滿足系統的精度要求，選用10位的D/A轉換器DAC1020.由于其內部不帶有鎖存器，所以必須通過I/O口才能與AT89C51單片機連接，又由于AT89C51的字長是8位的，一次操作只能傳輸8位數據，因此AT89C51必須進行兩次操作才能把一個完整的10位數據送到DAC1020.為了使10位數據能夠同時送入DAC1020，避免輸出電壓波形出現毛刺現象，故必須采用雙緩沖器方式。AT89C51先把高2位數據輸出到74LS74(1)，接著把低8位數據輸出到74LS377，與此同時74LS377的片選信號也作為74LS74(2)的時鐘脈沖，把74LS74(1)的內容打入74LS74(2)中，從而使一個完整的數據同時到達DAC1020的數據輸入端，這樣就消除了DAC輸出端的毛刺現象。

1.3.2 執行器及調理電路的設計

系統中選用的是ZMAN16BG，ZG1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9，2Cr13型號的對數流量特性的調節閥。閥的輸入信號為氣信號，而D/A轉換器的輸出為0~5 V的電壓信號，所以在D/A轉換器和調節閥之間要加一個V/I轉換器和一個電氣閥門定位器，將0~5 V的電壓信號先轉換成4~20 mA的電流信號后，再將4~20 mA的電流信號轉換成0.02~0.1MPa的氣信號。使調節閥接收氣信號而工作。

2 軟件設計

為了便于分析，系統軟件采用了結構化模塊程序設計，主要有系統主程序、看門狗中斷服務程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序、報警子程序、A/D轉換子程序、D/A轉換子程序、PID數據處理子程序、BCD碼轉換子程序。主程序開始后，先對單片機AT89C51和8155芯片進行初始化，接下來是開中斷，調用鍵盤掃描子程序，選通多路模擬開關的1號通道，將采集的數據送入A/D轉換器轉換后傳入單片機。若溫度越限就報警處理，否則直接處理后送顯示，再選通多路模擬開關的2號通道，將采集的數據送入A/D轉換器轉換后送入單片機進行總的運算處理，輸出給D/A轉換器變成模擬信號去改變調節閥的開度。

3 總結

本系統不僅實現了對貯液容器溫度的自動控制，還具有通過鍵盤實現對設定值的修改，對所測參數進行超限判斷，并給出聲光報警的功能，同時具有顯示當前溫度值的功能。系統采用前饋-反饋控制方案，對冷物料的初溫波動這一主要干擾能及時有效地克服，幾乎不影響溫度。優越于單純的反饋控制方案，保證了系統的控制精度，達到了較先進的設計水平，理論上能夠廣泛地應用于工業中的相關領域。

參考文獻

［1］范風強等.單片機語言C51應用實戰集錦［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［2］ 吳金戍，沈慶陽，郭庭吉.8051單片機實踐與應用［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［3］ 楊振江，杜鐵軍，李群.流行單片機實用子程序及應用實例［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2002.