多点温度检测系统远程控制的设计.docx

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多点温度检测系统远程控制的设计

摘要

多路温度检测系统以8051单片机系统为核心，能对多点的温度进行实时控制巡检。

各检测单元（从机）能独立完成各自功能，根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集，测量结果不仅能在本地储存，显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将采集的数据传送到主控机，进行进一步的分析，存档，处理和研究。

主控机负责控制指令发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理，显示和打印。

主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到了系统整体统一，和谐的控制效果。

系统检测温度范围为0℃--400℃，检测分辨率±0.1℃，使用RS-485串行总线进行传输，MAX485驱动芯片进行电平转换，传送距离大于1200m，抗干扰能力强，各检测器单元可显示检测的温度，设计并制造了各检测器及主控器所用的直流稳压电源。

由单相220V交流电压供电。

关键词：

Pt100,多机远程通信，8051单片机，仪器放大器620，模数转换器，

Abstract

Themultichanneltemperatureexaminationsystemtake8,051microcomputersystemsasacore.Itcaninspectandcontrollthetemperatureofmanyspots.Eachexaminationunit（thelittermachine）cancompleterespectivefunctionindependently.Itcancollectthetemperatureinatimeaccordingtotheinstructionofthemajorcontrollingmachine.Themeasurementresultcanbestoredanddemonstratedinlocalplace.Moreover,itcanusethemouthofthemicrocomputertotransferthedatagatheredtothemajorcontrollingmachinethroughtheRS-485mainlineandthecorrespondenceagreement.Thenwecanhavethefurtheranalysisandthearchiveandprocessingandtheresearch.

Themajorcontrollingmachineisresponsiblefortransmissingthecommand,controllingthetemperaturegatheringoftheothermachines.Itcancollectthesurveyingdata.Itcanalsoreorganizeanddemonstrationandthenprintthemeasurementresult（includinghistoricaldata）.Themajorcontrollingmachinecanrelatewithothermachineandcoordinatewithothermachine.Thusithasachievedtheharmoniouseffectofthewholesystem。

Thissystemhasrealized:

1thetemperatureoftheexaminationrangefrom0℃to400℃.2examinationresolution±0.1℃.3usingtheRS-485serialmainlinetotransfer.TheMAX485makechiptransformandthetransmissiondistanceislonggerthan1200m,theantijammingabilityisstrong.4Eachdetectingunitcandemonstratethetemperatureoftheexamination.5designandmakethedetectorsandthecurrentdirectvoltage-stabilizedsourcethatthemajorcontrollingmachineuses。

Itcomesfromthesinglealternatingvoltagepowerof220v

Keywords：

Pt100,microcomupter8051,AD620,MAX187

1绪言

本文阐述了多点温度检测系统的研究背景，介绍了多点温度检测系统的实现及所能达到的功能，明确指出了多点温度检测系统所面临的问题。

1.1课题背景

温度的精确测量是工业生产领域中的一个经典课题，在温度检测系统中，特别是智能仪表中，测量变换电路起着非常重要的作用。

设计测量变换电路时，我们是从分析传感器性能入手，通过适当的补偿,综合出一个较满足期望指标的测量变换电路来。

目前，广泛使用的温度传感器有4类：

热电阻，热电偶，热敏电阻及集成电路温度传感器。

本文介绍的检测系统，采用的是热电阻元件测温。

热电阻具有精度高，性能稳定，互换性好，耐腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件，缺点是不能在高温环境中使用[1]。

使用热电阻时，必须把它放在测温现场，因此从测温点到测量变换电路之间引线较长，即使不计热噪电阻，导线自身电阻r也相当可观（50～100m时r＝4～10Ω）。

与热电阻变化率相比，显然，连线电阻对测量精度影响很大。

当采用模拟开关作多点间的切换测温时，由于模拟开关导通电阻有几十欧姆～几百欧姆，并且通道间导通电阻相互差有几欧姆～几十欧姆，这也给测量电路引入不可忽视的测量误差，热电阻数学模型中的二次非线性项对测量精度的影响更是不言而喻[2]。

因此，只有消除上述误差，或是控制在期望指标的允许误差内才能设计出一个比较完好实用的多点温度检测系统。

1.2选题意义

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。

传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。

系统采用是热电阻元件测温，热电阻具有精度高，性能稳定，互换性好，耐腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件。

能对多点的温度进行实时控制巡检，各检测单元能独立完成各自功能，根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集。

能广泛用也各种工业领域，如：

自行车烤漆，粮食的储存等，所以具有实用的现实意义。

2系统设计方案的研究

2.1系统的性能要求

设计一个多路温度监测系统，要求检测范围为：

0℃--400℃，检测分辨率为：

±0.1℃,各检测器与主控器之间的距离

100米,各显示器单元可显示检测的温度值，设计并制作个检测器以及主控器所用的直流稳压电源，由单相220V交流电压供电。

经过改进的系统具有较好的快速型与较小的超调，以及数码管显示及测量精度提高等。

2.2方案的分析比较

2.2.1测量部分

方案

采用热敏电阻，可满足40~90℃的测量范围，但热敏电阻精度，重复性，可靠性都比较差,对于检测小于1℃的温度信号是不适用的。

方案

采用温度传感器AD590。

它具有较高的精度和重复性，相比于热敏电阻精度有所提高，但非线性误差为±0.3℃，且检测温度范围为：

-55~+155℃，不满足题目要求。

方案

采用Pt100。

它的国际测温标准为：

-40~+450℃，可选环境温度为：

-40~70℃，精度为：

±0.1℃，完全符合要求。

且安装尺寸小，可直接安装在印刷电路板上，可焊SIP封装[3]。

方案四热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是测量精度高、测量范围广，常用的热电偶从-50℃至+1600℃均可连续测量。

但需采用电路或软件设计等修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响，使用不便。

综上比较分析，选择方案

，以便于更好的提高测量精度。

2.2.2多机远程通信部分

方案

一般微机提供的标准接口为RS232，它的接口是一种用于近距离（最大30－60米）、慢速度、点对点通讯的通讯协议，在RS232中一个信号只用到一条信号线，采取与地电压参考的方式，因而在长距离传输后，发送端和接收端地电压有出入，容易造成通讯出错或速度降低。

方案

RS485接口采用不同的方式：

每个信号都采用双绞线（两根信号线）传送，两条线间的电压差用于表示数字信号。

例如把双绞线中的一根标为A（正），另一根标为B（负），当A为正电压（通常为+5V），B为负电压时（通常为0），表示信号“1”；反之，A为负电压，B为正电压时表示信号“0”。

RS485/422允许通讯距离可达到1200米，采用合适的电路可达到2.5MB/s的传输速率[4]。

综上比较分析，方案

具有更高的精度和测量距离远的优势，选择方案

。

3系统的设计

3.1框图

3.1.1总体框图

图3.1系统框图

图3.1为多点温度检测系统的整体框图，主要由主机和从机两部分构成，主机和从机由RS-485总线连接，主机外接键盘，显示器，打印机和声光报警装置。

3.1.2从机系统框图

图3.2从机系统框图

图3.2是从机系统框图，温度检测点将采集到的电压信号送到传感器，经放大后送入A/D转换芯片转化为数字量，然后送入单片机。

3.2从机部分

3.2.1温度信号的获取与放大

（1）电路的设计

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

所以通常将其放在电桥桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器AD620的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。

电路原理图如图3.3所示。

对信号放大，我们使用了低价格、高精度的仪器放大器AD620，它运用方便，可以通过外接电阻方便的进行各种增益（1-1000）的调整。

其增益计算公式为：

图3.3热电阻测温电路原理图

（2）温度值计算过程：

由于A/D检测到的模拟电压值

计算可到的RT值，然后利用如下公式求出温度值：

其中

，

[5]

实际测量中，为提高测量精度，我们分两挡进行测量，当温度处于0℃～210℃时，继电器J2所在桥臂电阻为

，继电器J1选择AD620的反馈电阻R5，温度处于195℃～400℃时，控制继电器J2将电阻R31串接上，并相应控制继电器J1选择R6做为AD620的反馈电阻，在切换桥臂电阻时同步改变放大倍数，从而达到自动改变量程[6]，提高测量精度的目的。

（3）所用器件的介绍

Pt100:

Pt100的国际测温标准为：

-40~+450℃，可选环境温度为：

-40~70℃，精度为：

±0.1℃，完全符合要求。

且安装尺寸小，可直接安装在印刷电路板上，可焊SIP封装。

3.3.2模数转换单元

（1）电路的设计

A/D转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度，题目要求分辨率达到0.1，由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用12位串行AD——MAX186。

MAX186是美国MAXIM公司设计的12位串行A/D转换器，其内部集成了大带宽跟踪/保持电路和串行接口，转换速率高且功耗低，特别适合对体积，功耗和精度有较高要求的便携式智能化仪器仪表产品。

MAX186具有12位的分辨力，其基准电压为4.096V，故最小分辨电压为

，能分辨的最小温度变化为

，能达到题目的基本要求。

为进一步提高精度，可以直接采用16位AD转换器，也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率[7]。

系统采用了后一种方法。

所谓过采样技术是指以高于奈奎斯特频率的采样频率进行采样，也就是说当ADC以高于系统所需采样频率fs的速率对信号采样时，能增加有效位数。

每增加一位分辨率，信号必须被以4倍的速率过采样，即

其中w——希望增加的分辨率位数；

fs——初始采样频率要求；

fos——过采样频率。

图3.4模数转换电路原理图

假设每秒钟输出一个温度值（1Hz）。

为了将测量分辨率增加到16位，按下式计算过采样频率，即：

因此，如果以fs=256Hz的采样频率对温度信号进行采样，则将在所要求的采样周期内采集到足够的样本，对这些样本求均值便可得到16位的输出数据。

为此，先累加（将256个连续样本加在一起），然后将总和除以16。

这样得到的结果便是16位的有效数据，增加了4位有效数据。

用过采样和求均值技术后，新的AD分辨率计算如下：

最小分辨电压=

这样，可以测量的最小温度变化为

，在采用过采样和求均值技术的情况下，用同一个12位ADC可以测量的最小温度变化为0.0061℃，就允许了以高于

[8]的精度对温度进行测量。

另外，为了减小工频信号引起的误差，我们设计了在40ms（20ms的两倍）时间内采样，然后再取平均值，将工频信号误差滤除。

（2）所用器件的介绍

MAX186：

MAX186是美信公司推出的12位A／D转换芯片，内部含有采样／保持电路，单5V操作电源，转换速度为8．5μs，具有片上4．096V参考电压，模拟量输入范围为0～VBEF。

三线串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire总线，设计精巧，工作速度快。

小巧的封装体积适合在传感器中使用。

MAX186有8个引脚，引脚1：

+5V电源。

引脚2：

模拟量输入，范围0～VBEF。

引脚3：

操作模式选择，低电平为休眠模式。

正常操作模式为高电平或悬空。

高电平时使用内部参考，悬空时禁止内部参考。

引脚4：

参考电压，内部参考为4.096V，使用内部参考时此引脚对地接一个4.7μF，电容，使用外部参考时，接2.5V—VDD的基准电压。

引脚5：

接地。

引脚6：

数据输出。

引脚7：

片选。

引脚8：

时钟，最高为5MHz.

MAX186用采样／保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号，其采样／保持电路不需要外接电容。

MAX186有2种操作模式：

正常模式和休眠模式，将

置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到10μA以下。

置为高电平或悬空进入正常操作模式。

使用内参考时，在电源开启后，经过20ms后参考引脚的4．7μF电容充电完成，可进行正常的转换操作。

A/D转换的工作过程是：

当

为低电平时，在下降沿MAX186的T／H电路进入保持状态，并开始转换，8.5μs后DOUT输出为高电平作为转换完成标志。

这时可在SCLK端输入一串脉冲将结果从DOUT端移出，读入单片机中处理。

数据读取完成后将

置为高电平。

要注意的是：

在

置为低电平启动A/D转换后，检测到DOUT有效（或者延时8.5μs以上），才能发SCLK移位脉冲读数据，SCLK至少为13个[9]。

发完脉冲后应将

置为高电平。

3.3.3信号处理和显示单元

（1）电路的设计

图3.5从机单片机部分原理图

信号处理及显示单元采用8051单片机作为信息处理单元，它是从机的核心器件，对传感器采集来的数字信号进行处理，转换成相应的温度信号，送液晶进行显示。

而且从机能够通过通讯电路将测量数据上传，接收主机数据（包括系统时间信息、修正值和报警上下限）进行自身信息设置。

（2）器件的介绍

MCS-51：

MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品[10]，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。

MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下：

8位CPU

4kbytes程序存储器（ROM）

128bytes的数据存储器（RAM）

32条I/O口线

111条指令，大部分为单字节指令

21个专用寄存器

2个可编程定时/计数器

5个中断源，2个优先级

一个全双工串行通信口

外部数据存储器寻址空间为64kB

外部程序存储器寻址空间为64kB

逻辑操作位寻址功能

双列直插40PinDIP封装[11]

单一+5V电源供电

MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。

正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，象PHILIPS，Dallas，ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品，就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C51（人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明，二者同指MCS-51系列单片机）的单片品种。

近年来C51获得了飞速的发展，C51的发源公司INTEL由于忙于开发PC及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是PHILIPS和ATML公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速I/O口，A/D转换器，PWM（脉宽调制），WDT等增强功能，并在低电压微功耗，扩展串行总线（I2C）和控制网络总线（CAN）等功能加以完善[12]。

a输入输出口

8051有4组8位I/O口：

P0、P1、P2和P3口，P1、P2和P3为准双向口，P0口则为双向三态输入输出口，下面我们分别介绍这几个口线：

P0口和P2口：

电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器，另外还有一个数据输出的驱动和控制电路。

这两组口线用来作为CPU与外部数据存储器、外部程序存储器和I/O扩展口，而不能象P1、P3直接用作输出口。

它们一起可以作为外部地址总线，P0口身兼两职，既可作为地址总线，也可作为数据总线。

P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8-AB15，P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0-AB7。

外部的程序存储器由PSEN信号选通，数据存储器则由WR和RD读写信号选通，因为216=64k，所以8051最大可外接64kB的程序存储器和数据存储器。

P1口：

P1口为8位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口，当作为输入口时，1写入锁存器，Q（非）=0，T2截止，内上拉电阻将电位拉至"1"，此时该口输出为1，当0写入锁存器，Q（非）=1,T2导通，输出则为0。

作为输入口时，锁存器置1，Q（非）=0，T2截止，此时该位既可以把外部电路拉成低电平，也可由内部上拉电阻拉成高电平，正因为这个原因，所以P1口常称为准双向口。

需要说明的是，作为输入口使用时，有两种情况，其一是：

首先是读锁存器的内容，进行处理后再写到锁存器中，这种操作即读—修改—写操作，象JBC（逻辑判断）、CPL（取反）、INC（递增）、DEC（递减）、ANL（与逻辑）和ORL（逻辑或）指令均属于这类操作。

其二是：

读P1口线状态时，打开三态门G2,将外部状态读入CPU。

bMcs-51的串行通信口

MCS-51单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器（SBUF），这两个在物理上独立的接收发送器，既可以接收数据也可以发送数据。

但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，它们的地址为99H。

这个通信口既可以用于网络通信，亦可实现串行异步通信，还可以构成同步移位寄存器使用。

如果在传行口的输入输出引脚上加上电平转换器，就可方便地构成标准的RS-232接口[13]。

下面我们分别介绍。

① 基本概念

数据通信的传输方式有单工，半双工，全双工和多工方式。

单工方式：

数据仅按一个固定方向传送。

因而这种传输方式的用途有限，常用于串行口的打印数据传输与简单系统间的数据采集。

半双工方式：

数据可实现双向传送，但不能同时进行，实际的应用采用某种协议实现收/发开关转换。

全双工方式：

允许双方同时进行数据双向传送,但一般全双工传输方式的线路和设备较复杂。

多工方式：

以上三种传输方式都是用同一线路传输一种频率信号，为了充分地利用线路资源，可通过使用多路复用器或多路集线器，采用频分，时分或码分复用技术，即可实现在同一线路上资源共享功能，我们盛之为多工传输方式。

串行数据通信两种形式。

异步通信

在这种通信方式中，接收器和发送器有各自的时钟，它们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，其内容如下：

一个起始位，仅接着是若干个数据位。

同步通信

 同步通信格式中，发送器和接收器由同一个时钟源控制，为了克服在异步通信中，每传输一帧字符都必须加上起始位和停止位，占用了传输时间，在要求传送数据量较大的场合，速度就慢得多。

同步传输方式去掉了这些起始位和停止位，只在传输数据块时先送出一个同步头（字符）标志即可[14]。

 同步传输方式比异步传输方式速度快，这是它的优势。

但同步传输方式也有其缺点，即它必须要用一个时钟来协调收发器的工作，所以它的设备也较复杂。

串行数据通信的传输速率。

串行数据传输速率有两个概念，即每秒转送的位数bps（Bitpersecond）和每秒符号数—波特率（Bandrate），在具有调制解调器的通信中，波特率与调制速率有关。

② MCS-51的串行口和控制寄存器

串行口控制寄存器

MCS-51单片机串行口寄存器结构如图3.6所示。

SBUF为串行口的收发缓冲器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包含了接收器和发送器寄存器，可以实现全双工通信。

但这两个寄存器具有同一地址（99H）。

MCS-51的串行数据传输很简单，只要向发送缓冲器写入数据即可发送数据。

而从接收缓冲器读出数据即可接收数据[15]。

此外，接收缓冲器前还加上一级输入移位寄存器，MCS-51这种结构目的在于接收数据时避免发生数据帧重叠现象，以免出错，部分文献称这种结构为双缓冲器结构。

而发送数据时就不需要这样设置，因为发送时，CPU是主动的，不可能出现这种现象。

图3.6Mcs-51串行口寄存器结构

串行通信控制寄存器

SCON控制寄存器是一个可寻址的专用寄存器，用于串行数据的通信控制，单元地址是98H，其结构格式如表3.1：

表3.1  SCON寄存器结构

SCON

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

TI

RI

位地址

9FH

9EH

8DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

下面我们对各控制位功能介绍如下：

aSM0、SM1：

串行口工作方式控制位。

SM0，SM1    工作方式

01方式0

02方式1

10方式2

11      方式3

bSM2：

多机通信控制位。

多机通信是工作于方式2和方式3，SM2位主要用于方式2和方式3。

接收状态，当串行口工作于方式2或3，以及SM2=1时，只有当接收到第9位数据（RB8）为1时，才把接收到的前8位数据送