微波機房溫度巡檢報警系統

李肖群 李廣順

遼寧省廣播電視傳輸發射中心 （沈陽 110016）

彩電塔微波機房有著各類廣播電視傳輸和發射設備，這些設備在運行中都散發一定的熱量。監測溫度，可以間接了解設備的運行狀況。如果溫度長時間過高，就會導致設備出現保護、死機、甚至部件故障等現象，從而造成停播事故的嚴重后果。

為了掌握設備的溫度變化情況，在設備的各個主要部位設置了監測點。值班員定時巡視和檢測，一旦發現異常，立即進行處理。這種人工和定時的巡檢方式，常常會產生發現問題的滯后現象，對設備的安全運行帶來一定的隱患。

如何能實時監測各點溫度變化情況，在第一時間發現和處理問題，采用自動監測的方法勢在必行。針對這一想法，我們自主研發了基于單片機技術的多路溫度巡檢報警系統。

該系統用于對設備溫度的實時自動監測和顯示。一旦發現溫度超限，便能立即報警。

1 系統設計

本系統設計主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分以單片機為核心，軟件部分則用C語言編程。

1.1 系統硬件設計

硬件部分是整個系統的重要部分，其設計的好壞直接影響到整機的性能。

系統以STC 89C52RC單片機為核心，整個系統分為以下幾個模塊：采集處理、A/D轉換、存儲器、鍵盤及顯示、單片機系統及報警控制，硬件系統結構框圖如圖1所示。

系統以一定的采樣時間間隔對所傳進來的多個通道溫度樣值電壓進行逐次讀取，經數模轉換和單片機處理后，將數據用數碼顯示出來。如果某一路的溫度超限，便立即發出報警信號。

圖1 硬件系統結構框圖

1.1.1 溫度采樣變送器

溫度采樣變送器主要包括溫度傳感器、采樣電路和通道選擇電路三部分。

（1）溫度傳感器

用于檢測溫度的傳感器有熱電偶、熱電阻和半導體集成溫度傳感器。本設計采用PT100鉑熱電阻溫度傳感器。

熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器，它的主要特點是測量精度高、性能穩定、測量范圍廣，結構簡單，使用方便，其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。PT100測溫范圍為-200℃~650℃，被廣泛用于溫度數據實時監測系統中。

熱電阻溫度傳感器的測溫是利用導體或者半導體的電阻隨溫度的變化而變化的原理而制成的。即如果已知電阻和溫度的變化關系，就可以利用測量電阻的方法來推算出溫度。

Pt100是正溫度系數熱敏電阻傳感器，它的電阻在0～100度之間隨溫度變化的線性非常好（最大非線性變差小于0.5度）。Pt100溫度傳感器0℃時電阻值為100?，電阻變化率為0.3851?/℃。

（2）溫度采樣電路

溫度是一種非電量信號，溫度傳感器的作用是采集檢測點的溫度樣值。溫度采樣電路是利用傳感器的電阻和溫度的變化關系，首先將傳感器采樣得到的溫度的變化轉換為傳感器電阻的變化，進而轉換為電壓或電流的變化。

在多點檢測時，檢測距離的不同，傳感器的引線長度或電阻也不同。由于Pt100電阻值小，靈敏度高，所以引線的阻值不能忽略不計。

溫度采樣電路采用三線制電橋法接線方式，即可消除傳感器引線線路電阻帶來的測量誤差。

(3）通道選擇電路

本系統為16路的溫度信號采樣，而ADC電路只需要一路信號輸入。采用多路模擬開關，實現多路采樣信號通道的選擇。

設計中，采用了多片CD4051組成了16通道的選擇輸出。

1.1.2 A/D轉換模塊

為了把溫度采樣電路輸出的模擬信號轉換成數字信號送單片機處理，本設計選用了高性能的A/D轉換芯片CS5550。CS5550使得系統成本低，結構簡單，使用方便，抗干擾能力強，適用于各類微弱信號的變換，是一種便于設計、性價比高的小體積高集成解決方案。CS5550通過SPI接口與單片機進行通信。

1.1.3 存儲器電路

由于單片機內部的存儲器容量有限，又由于所需儲存的數據大于單片機內部的存儲容量，所以外接一個存儲器是非常必要的。本設計采用串行EEPROM FM24C02來進行采集數據的存儲，它內含256×8位存儲空間，具有工作電壓低（2.5V~5.5V）、擦寫次數多（大于100000次）、寫入速度快（小于10 ms）等特點。FM24C02采用IC總線，通過SDA（串行數據線）及SCL（串行時鐘線）兩根線連接總線上的器件，相互傳送信息，并根據地址識別每個器件。

FM24C02是一個非易失性的存儲器件， 可以在斷電的情況下長久保持內部的數據不被丟失。

1.1.4 單片機系統模塊

本設計采用51內核的單片機STC 89C52RC。

STC 89C52RC單片機具有系統結構簡單、成本低、可靠性高、低功耗等特點，特別是內部集成了8KB的FLASH程序存儲器，使單片機系統的結構更加簡單，也使其得到了廣泛的應用。同時，它還具有高級語言編程的特點，指令豐富，軟件開發簡單。

STC 89C52RC是一個8位（數據線是8位）的單片機，片內有8K ROM和512B RAM。中央處理器單元完成運算和控制功能。內部數據存儲器共256個單元，它們的訪問地址是00H～FFH，其中用戶使用前128個單元（00H～7FH），后128個單元被專用寄存器占用。內部的2個16位定時/計數器用作定時或計數，并可用定時或計數的結果實現控制功能。片內還有一個時鐘振蕩器，外部只需接入石英晶體即可振蕩。

4個八位并行口（P0、P1、P2、P3），用于實現地址輸出和數據輸入/輸出。P3口的第2、4、5口線接雙通道數模轉換芯片CS5550的通道選擇端口，第6、7口線接報警電路；P1口的第0、1、2口線接五片八通道模擬開關CD4051的地址端，第3、4、5、6、7口線分別接五片CD4051的使能端；P2口接動態數碼顯示電路和鍵盤控制電路；P0口的0、1口線接設置存儲器FM24C02，2、3口線接CS5550串口數據輸入端。

1.1.5 鍵盤、顯示模塊

鍵盤、顯示模塊主要由以下幾個部分組成，即鍵盤電路、LED數碼管和二極管顯示陣列、位選電路和片選電路等。

鍵盤控制電路由按鍵及其接口構成，鍵盤是單片機最簡單的輸入設備。本系統的輸入控制采用獨立式鍵盤及接口電路。鍵盤采用3個操作按鈕，用于功能切換和參數設置等。每個通道的工作參數都可以通過鍵盤設定。

顯示電路采用6位LED數碼管和18只LED指示燈，其中，4位數碼管用于顯示數據，2位數碼管顯示功能號或通道號；16只指示燈作為報警通道的指示，2只指示燈用作高低溫超限原因的報警指示。

顯示電路采用串行輸出的動態顯示方式。單片機89C52RC的P2口與顯示電路的相應端口相連接。利用1片74LS164將控制器輸出的串行數據轉換成并行數據輸出，作為各顯示器的段選信號輸出；利用1片4線—10線譯碼器/驅動器74LS145N，作為各顯示器指示燈的位選控制。

1.1.6 報警控制模塊

本模塊主要由觸發電路、語音電路及顯示電路、靜音及復位電路等組成。

把計算機采樣的數據與預先設定的溫度上下限參數進行比較，如果高于上限值或低于下限值，則進行觸發報警。

單片機STC 89C52RC的P3.6和P3.7口做上限報警和下限報警的輸出信號。報警觸發信號通過光電耦合器和三極管，推動繼電器動作，繼電器接點閉合，觸發報警電路的語音芯片發出語音報警信息。同時，在顯示電路中，發光二級管分別指示超限報警的類型（上限或下限報警）和報警的通道號。

在報警時，通過靜音按鍵啟動靜音電路送出觸發信號，停止語音輸出。待故障解除后，可再次按動靜音按鍵使靜音電路復位。

延時復位電路的作用是，在故障解除后，延時復位電路開始計時，10分鐘后自動發出觸發信號給復位電路，使復位電路恢復常態，以防止故障恢復后，處理人員忘記人工復位，影響下一次的報警

1.2 系統軟件設計

整個軟件分為主程序和子程序兩種，主程序通過對各個子程序調用實現巡回檢測裝置的全部功能。

子程序包括溫度通道及A/D轉換子程序、鍵盤子程序、顯示子程序和報警中斷子程序等。

A/D轉換是通過每次轉換完成后，單片機延時接收轉換結果，并送入處理器的存儲器中保存。鍵盤子程序采用查詢方式，以保證處理器始終都在監視鍵盤的動作。顯示模塊采用單獨的子程序，作為主程序的調用子程序，以保證LED的連續顯示。中斷子程序用來產生巡回速度、報警中斷和采樣間隔。

2 性能特點

2.1 技術指標

測溫范圍：0～100℃；顯示分辨率：0.1℃；溫度誤差：±0.1℃

2.2 系統功能

2.2.1 密碼鎖

系統參數由指定人員設定，加密后，其他人員無權自行改動。

2.2.2 溫度上、下限設定

溫度上、下限值可單獨設定。當測量溫度超過設定值后，即報警。

2.2.3 溫度顯示精度可調

溫度顯示為整數和小數兩種格式，小數顯示時，小數點后為1位。

2.2.4 巡檢路數可調

巡檢路數最大為16路，當實際使用路數小于16時，巡檢路數按實際路數設定，剩余路數則被系統自動屏蔽。

2.2.5 自動巡檢時間間隔可調

根據實際需要，可對自動巡檢的時間間隔進行精確調整，在4到120秒范圍內可任意取值。

2.2.6 傳感器誤差修正

由于溫度取樣點到檢測裝置有一定的距離，所以對溫度的測量結果會帶來一定的影響。各點的距離不同，產生的影響也不同。為了正確反應各監測點的溫度，可對每一路取樣結果分別進行補償。經過補償后，數碼管顯示的溫度即是監測點的真實溫度。

2.2.7 自動和手動巡檢

溫度的巡檢分為自動和手動兩種方式。在自動巡檢時，對各個監測點按順序周而復始地進行掃描檢測；在手動方式下，可任意按前進或后退的順序進行掃描檢測。

2.2.8 語音報警

報警時，聲音部分采用了語音的形式，即反復播放一段女聲的錄音。

2.2.9 自動復位

報警后，報警電路如果未做手動復位，可在一定的時間內自動復位。

3 結語

在開發設計中，我們結合實際需要，注重實用性和可靠性，使系統簡潔、高效。去除可有可無的功能，比如考慮到打印機基本用不上，所以最終去掉了這一功能；增加必要的功能，比如報警電路的自動復位；摒棄復雜、冗繁的設計，比如機房對監測溫度的精度要求并不高，所以設計的溫度顯示精度只為整數和小數點后一位的小數，并沒有去做顯示小數點后更多位的考慮。本系統投入使用后，運行穩定、可靠，達到了設計要求。用自動巡檢的方式取代過去由人工巡檢的方式，提高了監測的效率，能做到即時發現、準確定位，有效地提高了安全優質播出的可靠性。