基于單片機C8051F350的溫度測量系統設計

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的溫度測量系統設計

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，設計了一種高精度溫度測量系統，測量結果以數字方式顯示．

溫度測量；單片機；PT1000；C8051F350

溫度測量是工業生產中的一個重要環節，是現代檢測技術的重要組成部分，對安全生產、保證產品質量、節約能源等起著關鍵作用，因此，能夠快速、準確地測量溫度的技術及裝置普遍受到各國的重視．近年來，利用智能化數字式溫度傳感器實現溫度信息的在線檢測已成為溫度檢測的一種發展趨勢．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．

1 系統總體設計

系統總體設計框圖如圖1所示．該系統通過溫度傳感器和A/D轉換采集數據信息，經過含有單片機的檢測系統檢測，結果被傳送到主控器，再通過LCD顯示器顯示．CPU和溫度傳感器是該系統的核心器件．

圖1 系統總體設計框圖

1.1 微處理器選擇

系統選用C8051F350作為CPU．C8051F350的主要特點是：以速度較快的 8051處理器為基礎，可在50 MHz時鐘頻率下提供高達50 MIPS的輸出；內建8通道24位ADC；具有與5 V電壓兼容的17個靈活的數字式輸入/輸出通道；連續通信外圍設備包括通用異步接收機、SPI和SMBus連續端口；具有高精準度模/數轉換、高速數據處理、線上程序設定的功能，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

根據測量精度和控制精度要求，系統選擇鉑電阻PT1000作為溫度傳感器．鉑電阻PT1000的長期穩定性好，可重復操作性強，響應速度快，工作溫度范圍較寬，可滿足所設計系統的技術要求，且價格適中．

鉑電阻溫度傳感器在實際溫度檢測控制系統中的應用極其廣泛．在0～800 ℃范圍內，鉑電阻溫度傳感器的阻值與溫度之間呈非線性關系，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，本系統采用三線制電橋法．

2 主要硬件電路模塊設計

2.1 三線制電橋電路

本系統是高精度測溫系統，由鉑電阻的變化體現溫度變化，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 數據采集模塊

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轉換和數字濾波．由于溫度傳感器只能將溫度信號轉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成，具有溫度信號的數據采集、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，為高電平時鎖存數據；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的數據輸入端 D0―D7上；AV+接+3 V模擬電源，AGND接模擬地；VDD接+3 V數字電源，DGND接數字地；P2.0/C2D和RST/C2CK接下載線，以便于在線編程．該系統采用總線結構，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 數據采集及控制系統原理圖

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括主程序模塊的設計和中斷處理模塊的設計．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．中斷服務程序包括溫度值的采樣子程序、數字濾波子程序、進制轉換子程序、溫度顯示子程序等，每個子程序的結構如圖4(b)所示．

圖4 軟件流程圖

綜上所述，此測溫系統選用了功能強大的單片機C8051F350和溫度穩定性好的鉑電阻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．單片機原理及應用教程[M]．北京：機械工業出版社，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[J]．儀表技術與傳感器，2000(8)：44―46．

[3] 趙繼文．傳感器與應用電路設計[M]．北京：科學出版社，2002．

〔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．