運用單片機的測溫電路設(shè)計

蘇倩倩

（廈門工學(xué)院，福建 廈門 361021）

0 引 言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機得到了廣泛應(yīng)用。與其他電子產(chǎn)品相比，單片機具有很多優(yōu)點，如可靠性、延展性、體積大小等，且比傳統(tǒng)電子產(chǎn)品適用范圍廣。

1 MCS-15單片機測溫系統(tǒng)概述

MCS-15單片機是當(dāng)前比較常用的單片機類型，與其他類型單片機相較，具有突出的運行速度優(yōu)勢，尤其在指令傳輸層面。實際應(yīng)用中，它經(jīng)常被用作基本系統(tǒng)，包括4種裝置程序儲存器，應(yīng)用范圍廣泛[1]。

MCS-15單片機系統(tǒng)共有8位單片機，因此可以實現(xiàn)人工調(diào)控、信息交流等諸多功能。對數(shù)據(jù)進行處理時，因為MCS-15單片機存在一種單總線結(jié)構(gòu)和獨立電源，所以能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行細致分析。

對電路進行測溫時，為保障檢測數(shù)據(jù)能夠進行轉(zhuǎn)換，通常會應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換器。運行原理是使用自身處理把模擬信號變成數(shù)字信號，以便執(zhí)行指令同時完成對硬件設(shè)備的驅(qū)動。應(yīng)用這種功能必須確保其具有非常高的精確度。

2 單片機輸入輸出口

MCS-15單片機內(nèi)部有4個端口，分別是P0、P1、P2、P3。每個端口分別有進行數(shù)據(jù)輸入的緩沖器和進行數(shù)據(jù)輸出的鎖存器，可以使單片機擁有非常高的數(shù)據(jù)傳輸性能，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時傳輸，如圖1所示。單片機運行過程中，處理通過鎖存器輸出的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)能夠通過I/0端口傳輸出來。這種數(shù)據(jù)傳輸方法十分簡單、方便，且數(shù)據(jù)傳輸速度非常快。

圖1 MCS-15單片機示意圖

3 MCS-15單片機測溫設(shè)計

3.1 設(shè)計基準(zhǔn)

MCS-15單片機測溫電路的設(shè)計必須在一定基準(zhǔn)上進行，要確保測溫系統(tǒng)的管控、存儲等功能可以正常使用。設(shè)計基準(zhǔn)為：在0～45 ℃時，必須要保證溫度的可調(diào)控性，保證調(diào)節(jié)上限，理論上不能高出總調(diào)節(jié)值的1.3倍；在數(shù)據(jù)測量方面，溫度的檢測結(jié)果與實際溫度相差要控制在0.7 ℃之內(nèi)，保證精確性；保障人工調(diào)控[2]。

3.2 硬件框架

它的硬件組成包括AD590溫度測量傳感器和ADC轉(zhuǎn)換器。首先，需要使用AD590溫度測量傳感器檢測溫度。其次，利用ADC轉(zhuǎn)換器與電壓電容相連接。最后，用ADC轉(zhuǎn)換器連接MCS-15單片機。運行過程中，ADC轉(zhuǎn)換器的BUSY端電平會發(fā)生一些列變化，變成高電平狀態(tài)證明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作順利完成。

4 單片機系統(tǒng)正常運行過程中可能出現(xiàn)的問題

4.1 基礎(chǔ)容易損壞

無論何種形式的單片機，都必須保證3個基礎(chǔ)的運行始終正常，才能保障單片機系統(tǒng)的正常運行。3個基礎(chǔ)分別是電源、時鐘晶振和復(fù)位。如果3個基礎(chǔ)中的任何一個發(fā)生故障，都會直接導(dǎo)致單片機無法正常運行，也會影響測溫電路系統(tǒng)的運行。

4.2 單片機內(nèi)部無法正常運行

除了3個基礎(chǔ)易出現(xiàn)故障外，單片機的內(nèi)部還有其他結(jié)構(gòu)，一旦這些結(jié)構(gòu)發(fā)生問題，也會給單片機的正常運行帶來阻礙。因為單片機故障形式比較復(fù)雜，所以對其進行維修檢測時通常要使用寫入程序來檢測。利用程序進行檢測，可以準(zhǔn)確判斷單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否有故障，從而可以逐一排查故障原因，有利于盡快找到問題的核心。

5 單片機的測溫電路

溫度在物理中是一個非常常見的物理量，自然界中發(fā)生的很多過程都與溫度有關(guān)。溫度傳感器是研發(fā)較早的一種廣泛使用的傳感器，主要類型有熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器以及IC溫度傳感器[3]。圖2為測溫電路圖。

圖2 測溫電路圖

把3個輸出口全部設(shè)置成低電平輸出，使電容完成放電。將P1.7和P1.6同時設(shè)置成輸入狀態(tài)，P1.5設(shè)置成高電平狀態(tài)，利用精密電阻作用電容，使電容充電。這時單片機的計數(shù)器會自動清零且計時，能夠檢測P1.7輸出口的狀態(tài)。檢測P1.7是高電平時，單片機內(nèi)部的計時器會主動記錄下剛開始充電時直到P1.7輸出口轉(zhuǎn)變成高電平的時間T1。

把P1.5、P1.6、P1.7全部設(shè)置成低電平輸出，讓C放電完畢。再把P1.5、P1.7設(shè)置成輸入狀態(tài)，P1.6設(shè)置成高電平輸出狀態(tài)，利用RT電阻對電容C進行充電。當(dāng)單片機內(nèi)部的計數(shù)器進行歸零且計時，檢測P1.7的狀態(tài)。確定P1.7的狀態(tài)為高電平時，讓單片機的計時器記錄下從充電開始到P1.7變成高電平的時間T2。

再利用電容公式計算得到電阻，通過查詢電阻與溫度對照表可以得到溫度值。不同類型的傳感器，電阻對照值不同。以PT100鉑電阻為例，電阻與溫度對照表如表1所示。

6 調(diào)試步驟

對單片機進行調(diào)試需要使用萬能實驗板。實驗板上沒有布線，且要用到的元件非常多，因此焊接時要非常注意，防止發(fā)生虛焊和短路情況。最好每次焊接完一條線路后使用萬用表檢測焊接部位是否牢固。

表1 PT100鉑電阻和阻值對照表

6.1 電前檢查

所有電子電路在組裝完成后，一定要對線路展開全面細致的檢查，防止發(fā)生短路情況。檢查的具體方法是根據(jù)順序按照電路圖逐一檢查。檢查過程中，要重點注意電源的連接是否正確、電源有沒有與地短接、集成電路和晶體管的引腳之間的連接是否正確，同時要用手觸碰元器件，查看焊接點有沒有焊接牢固。

6.2 通電檢查

電源的數(shù)值調(diào)試完成后，才可以與電源連接。連接好電源后，要仔細檢查有沒有發(fā)生異常現(xiàn)象，如冒煙、相關(guān)配件發(fā)燙等。一旦發(fā)生上述現(xiàn)象，必須馬上切斷電源，等到故障排除才能夠連接電源[4]。

6.3 分塊調(diào)試

分塊調(diào)試時，要根據(jù)調(diào)試的相關(guān)要求進行測試。調(diào)試的順序由信號的流向決定，可以將前面調(diào)試的輸出信號當(dāng)作后面的輸入信號，為整機聯(lián)合試調(diào)奠定基礎(chǔ)。

7 單片機故障檢測措施

7.1 單片機基礎(chǔ)檢測

根據(jù)單片機運行的基礎(chǔ)，檢測單片機時要采取可操作性強的措施。檢測電源必須使用電壓表、萬用表等常見的檢測工具，分別檢測電源與接力腳。檢測標(biāo)準(zhǔn)為檢測引腳之間的電壓是否是5 V。檢測時鐘晶振時，多數(shù)情況要使用示波器進行檢測，檢測時鐘晶振的運行狀態(tài)，檢測其在相應(yīng)頻率內(nèi)是否有正弦波脈沖。檢測復(fù)位時，根據(jù)單片機復(fù)位時電平會呈現(xiàn)高電平復(fù)位狀態(tài)的特點，在連接電源后，復(fù)位引腳的電平通常會表示5 V左右的高電平。所以，檢測單片機復(fù)位時，同樣可以應(yīng)用電壓表。

7.2 單片機內(nèi)部檢測

單片機內(nèi)部如果沒有正常運作，會導(dǎo)致單片機發(fā)生故障，從而使系統(tǒng)不能正常運行。單片機的內(nèi)部檢測，可以利用寫入程序檢測。

8 單片機更換重點

8.1 同型號單片機進行更換

當(dāng)單片機的內(nèi)部發(fā)生故障時，對單片機進行維修非常困難。大多數(shù)情況下，可以直接更換單片機。更換單片機時，要特別注意更換的單片機型號，保證與破壞的單片機型號一致，保證系統(tǒng)具有良好的兼容性。

8.2 更換時鐘晶振

時鐘晶振有兩種不同類型，一是內(nèi)時鐘震蕩，二是外接時鐘。兩種類型可以根據(jù)時鐘晶振內(nèi)部的石英晶體進行區(qū)別。內(nèi)部時鐘震蕩的石英晶體范圍在2～12 MHz，外部時鐘內(nèi)部沒有石英晶體。確定時鐘晶振的類型后，可以更換發(fā)生故障的時鐘晶振。

9 結(jié) 論

以單片機作為基礎(chǔ)，設(shè)計合理的電路測溫系統(tǒng)，可以對電路溫度起到良好的控制作用，從而切實提高設(shè)備的運行速度。單片機的優(yōu)點突出，使其在很多領(lǐng)域、設(shè)備上廣泛應(yīng)用，能夠組成工業(yè)系統(tǒng)中非常重要的器件和系統(tǒng)，如各種智能儀表、數(shù)控機床、測控系統(tǒng)等。