自動(dòng)檢測及儀表控制系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)——多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)

董祺寧 張澤 張昭

摘 要：本文基于自動(dòng)檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種儀表控制系統(tǒng)--多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)，包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器選型，檢測和轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)工程中的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量和可靠控制。

關(guān)鍵詞：溫度 ；傳感器；自動(dòng)檢測

1.引言

溫度是一個(gè)重要的物理量，它是國際單位制（SI）7個(gè)基本物理量之一，也是工業(yè)生產(chǎn)中的主要參數(shù)之一。物體的許多性質(zhì)和現(xiàn)象都與溫度有關(guān)，很多重要的過程只有在一定的溫度范圍內(nèi)才能有效地進(jìn)行。因此，對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和可靠地的控制，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中均具有重要意義。現(xiàn)設(shè)計(jì)一種多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。

2.溫度的檢測原理和方法

溫度測量方式有接觸式和非接觸式兩大類。采用非接觸式測溫時(shí)，溫度敏感元件與被測對(duì)象接觸，依靠傳熱和對(duì)流進(jìn)行熱交換，二者需要良好的熱接觸，以獲得較高的測量精度。但是他往往會(huì)破壞被測對(duì)象的熱平衡，存在置入誤差。由于測量環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)溫度敏感元件的結(jié)構(gòu)和性能要求較高。采用非接觸式測溫方法，溫度敏感元件不與被測對(duì)象接觸，而是通過熱輻射進(jìn)行熱交換，或者是溫度敏感元件接收被測對(duì)象的部分熱核輻射，由熱輻射能的大小，推出被測對(duì)象的溫度。用這種方法測溫響應(yīng)快，對(duì)被測對(duì)象干擾小，可測量高溫、運(yùn)動(dòng)的被測對(duì)象和有強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕的場合。

3.整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

此處以兩個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)為例，溫度檢測單元收集來自溫度檢測點(diǎn)的信息，通過一定的電路輸入主控單元，經(jīng)過處理，送入顯示器顯示出溫度檢測點(diǎn)的溫度信息，鍵盤相關(guān)電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)主控單元的控制。檢測單元的溫度信息也可傳入PC機(jī)，經(jīng)由打印機(jī)打印。

主控單元運(yùn)用Intel公司的8051單片機(jī)，運(yùn)用復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，串口，I/O口，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

4.傳感器選型及參數(shù)說明

采用線性度相對(duì)較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號(hào)為WZP型鉑電阻，該傳感器的測溫范圍從-200℃～+650℃。

5.檢測和轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方案

檢測器部分包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路（采樣）、變送器、A/D轉(zhuǎn)換電路以及與主控器或PC機(jī)的通信電路等。

采樣電路將從溫度傳感器獲取的信息送入變送單元。

變送單元在控制系統(tǒng)中起著重要作用，它將溫度等過程參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以供系統(tǒng)顯示或進(jìn)行下一步的調(diào)整控制作用。本課題選用常規(guī)的DDZ- III型系列熱電偶溫度變送器。

這里選擇結(jié)構(gòu)簡單的串行輸出的TLC2543作為A/D轉(zhuǎn)換器件，TLC2543是帶串行控制和11個(gè)輸入端的12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有片內(nèi)采樣-保持功能，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志引腳指示轉(zhuǎn)換的完成。器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有簡化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有較小的轉(zhuǎn)換誤差。當(dāng)然在本課題中，每個(gè)檢測器只有一路溫度測量，因此只用TLC2543的一路輸入即可，

6. 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題運(yùn)用Intel公司的8051進(jìn)行系統(tǒng)控制，運(yùn)用到了復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，串口，I/O口。

復(fù)位電路：復(fù)位操作完成單片機(jī)片內(nèi)電路的初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。當(dāng)89c51單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)5ms以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作，如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序，因此要求單片機(jī)復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有上電和開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化過程，其中包括程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，P0-P3=FFH，SP=07H，其他寄存器處于零，程序從0000H地址單元開始執(zhí)行，單片機(jī)復(fù)位后不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容。

時(shí)鐘電路：89c51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用內(nèi)部振蕩和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAX2外接晶體振蕩器，就夠成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。晶振通常選用6MHZ、12MHZ或24MHZ。內(nèi)部振蕩器方式如下。

串口：89c51單片機(jī)串口主要由兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF和一個(gè)輸入移位寄存器組成，其內(nèi)部還有一個(gè)串行控制寄存器SCON和一個(gè)波特率發(fā)生器。接受緩沖器與發(fā)送緩沖器占用同一個(gè)地址99H，其名稱亦同樣為SBUF。CPU寫SBUF，一方面修改發(fā)送寄存器，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)串行發(fā)送；讀SBUF，就是讀接受寄存器，完成數(shù)據(jù)的接受。特殊功能寄存器SCON用以存放串行口的控制和狀態(tài)信息。根據(jù)對(duì)其寫的控制字決定工作方式，從而決定波特率發(fā)生器的時(shí)鐘是來自系統(tǒng)時(shí)鐘還是來自定時(shí)器T1。特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD為串行口波特率的倍增控制位。

89c51單片機(jī)的串行口正是通過對(duì)上述專用寄存器的設(shè)置，檢測與讀取來管理串行通信。在進(jìn)行通信時(shí)，外界的串行數(shù)據(jù)是通過引腳RXD輸入的。輸入數(shù)據(jù)先逐位進(jìn)入輸入移位寄存器，在送入接受SBUF。在此采用了雙緩沖結(jié)構(gòu)，為了避免在接受到第二幀數(shù)據(jù)之前，CPU未及時(shí)響應(yīng)接受器的前一幀的中斷請(qǐng)求而把前一幀數(shù)據(jù)讀走，造成兩幀數(shù)據(jù)重疊的錯(cuò)誤。對(duì)于發(fā)送器，因?yàn)榘l(fā)送時(shí)CPU是主動(dòng)的，不會(huì)產(chǎn)生寫重疊問題，不需要雙緩沖器結(jié)構(gòu)，為了保持最大傳送速率，僅用了SBUF一個(gè)緩沖器。

I/O口：單片機(jī)的I/0 口一般是雙向的，既可以做輸入，也可以做輸出。以51系列為例，其P0、P1、P2、P3均為雙向口，且可位操作。

89c51單片機(jī)內(nèi)部有P0、P1、P2、P3四個(gè)8位雙向I/O口，外設(shè)可直接連接于這幾個(gè)接口上，而無須另加接口芯片。P0-P3的每個(gè)端口可以按字節(jié)輸入或輸出，也可以按位進(jìn)行輸入或輸出，共32根口線，用作控制十分方便。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個(gè)TTL電路。P1、P2、P3口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個(gè)TTL電路，如果外設(shè)需要的驅(qū)動(dòng)電流大，可加接驅(qū)動(dòng)器。

P0口具有雙重功能：可以作為輸入/輸出用，外接輸入/輸出設(shè)備；在有外接存儲(chǔ)器和I/O接口時(shí)常作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線，即低8位地址與數(shù)據(jù)線分時(shí)使用P0口。此時(shí)低8位地址由ALE信號(hào)的下跳沿使它鎖存到外部地址鎖存器中，爾后，P0口出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息。

P1口具有單一接口功能，P1口每一位都能作為可編程的輸入或輸出口線。

P2口具有雙重功能：作為輸入口或輸出口使用，外接輸入/輸出設(shè)備；在有外接存儲(chǔ)器I/O接口時(shí)，作為系統(tǒng)的地址總線。輸出高位地址，與P0口低8位地址一起組成16位地址總線。

P3口為雙重功能口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備；作為第二功能使用。

7.結(jié)論

項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需要完成了多點(diǎn)測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器選型，檢測和轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等，將儀表控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際，還運(yùn)用到單片機(jī)的相關(guān)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張毅.《自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)》-- -化學(xué)工業(yè)出版社.

[2] 李朝青.《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》 ---北京航空航天出版社.