智能仪表设计原理.docx
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智能仪表设计原理
多点温度测控仪系统的设计
1．多路温度测量系统概述
在工农业生产和日常生活中，对温度的监测始终占据着极其重要的地位。
当前使用广泛硬件电路直接采集温度的系统，虽然可以满足大部分的需求，但是随着科学技术的不断发展，对温度监测的要求不断提高，比如在精度、实时性、和功能扩展性等。
此时，硬件电路系统的性能局限性问题就比较突出。
基于以上原因，设计并实现了基于51系列单片机位控制核心的温度监测系统。
在温度测量上，使用高精度的LM35CA温度传感器，具有精度高、系统扩展性强、可靠性高、实时性能好、体积小、功耗低等特点。
2．多路温度测量仪总体设计方案
2.1系统的硬件结构设计
根据设备的控制需求，CPU控制电路选用性能优良的8位单片机（ATMEL公司生产的，型号：
AT89C52）为控制核心。
2.1.1微控制器AT89C52主要特性和功能框图
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
2.1.2主要功能特性
·兼容MCS51指令系统
·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
·32个双向I/O口，256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz
·2个串行中断，可编程UART串行通道
·2个外部中断源
·共8个中断源
·2个读写中断口线，3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式
·软件设置睡眠和唤醒功能
图1-微控制器AT89C52接口电路
2.1.3温度传感器选型
温度传感器采用LM35CA（可测温度范围为-40-+110℃）,LM35是由国半公司所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式，0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封装型式,在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
图2-LM35的接口电路
2.1.4温度采样电路设计
本装置采用4个单8通道数字控制模拟电子开关（CD4051）,做多可采集32路温度信号。
检测电路原理图如下：
图3-检测电路原理图
2.1.5AD转换和DA转换电路设计
本装置AD转换采用10位的AD芯片TCL1549,DA转换采用10位的TLC5615,确保了测量的精度。
具体电路如下：
图4-AD转换电路
图5-DA转换电路
2.1.6人机界面电路设计
本装置面板上采用1个四位LED数码显示，显示各路温度，同时面板上还有三个轻触按键，按键的功能分别是：
上升键、下降键、确认键。
通过按键和显示电路，可以单独设定每路温度的过/欠温值。
具体电路如下图：
图6-人机界面电路图
2.1.7通信电路设计
本装置在背板上配有一个RS485通信端口，用户通过该通讯端口，可以在后台读取温度信息，并可以设定每路温度的过/欠温值。
具体电路如下图：
图7-RS485通信电路
2.2系统的软件设计
在软件系统设计方面，整个温度测控制的软件设计可分为以下几个内容：
1、初始化（采集系统参数设置和参数的存储）
2、AD转换的控制和数据读取
3、显示采集数据
4、后台通信
软件的内容只有通过合理的分配，才能确保整个装置运行的稳定性。
软件的主程序的流程图如下：
图8-温度监控系统的软件流程图
2.2.1采集系统参数设置和参数的存储的程序设计
根据实际工况的需求可以单独设定每路测量温度的过/欠温值，并将设置好的参数存到CPU内部自带的EEPROM内。
#include
#include
sfrISP_DATA=0xc2;
sfrISP_ADDRH=0xc3;
sfrISP_ADDRL=0xc4;
sfrISP_CMD=0xc5;
sfrISP_TRIG=0xc6;
sfrISP_CONTR=0xc7;
externvoidDelay（unsignedinty）;
#defineREAD_AP_and_Data_Memory_Command0x01/*字节读应用程序区和数据存储区*/
#definePROGRAM_AP_and_Data_Memory_Command0x02/*字节编程应用程序区和数据存储区*/
#defineSECTOR_ERASE_AP_and_Data_Memory_Command0x03/*扇区擦除应用程序区和数据存储区*/
/*定义Flash操作等待时间*/
#defineWAIT_TIME0x02voidISP_IAP_enable（void）
{
EA=0;/*closeintermit*/
ISP_CONTR=ISP_CONTR&0x18;/*0001,1000*/
ISP_CONTR=ISP_CONTR|WAIT_TIME;
ISP_CONTR=ISP_CONTR|0x80;/*1000,0000*/
}
voidISP_IAP_disable（void）
{
ISP_CONTR=ISP_CONTR&0x7f;/*0111,1111*/
ISP_TRIG=0x00;
EA=1;
}
/*读字节*/
unsignedintbyte_read（unsignedintbyte_addr）
{
unsignedintm;
ISP_ADDRH=（unsignedchar）（byte_addr>>8）;
ISP_ADDRL=（unsignedchar）（byte_addr&0x00ff）;
ISP_CMD=ISP_CMD&0xf8;/*1111,1000*/
ISP_CMD=ISP_CMD|READ_AP_and_Data_Memory_Command;/*0000,0001read*/
ISP_IAP_enable（）;
ISP_TRIG=0x5a;
ISP_TRIG=0xa5;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
ISP_IAP_disable（）;
m=ISP_DATA;
byte_addr++;
ISP_ADDRH=（unsignedchar）（byte_addr>>8）;
ISP_ADDRL=（unsignedchar）（byte_addr&0x00ff）;
ISP_CMD=ISP_CMD&0xf8;/*1111,1000*/
ISP_CMD=ISP_CMD|READ_AP_and_Data_Memory_Command;/*0000,0001read*/
ISP_IAP_enable（）;
ISP_TRIG=0x5a;
ISP_TRIG=0xa5;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
ISP_IAP_disable（）;
m=m<<8|ISP_DATA;
return（m）;
}
/*写数据进数据Flash存储器,只在同一个扇区内写，不保留原有数据*/
/*begin_addr,被写数据Flash开始地址；counter,连续写多少个字节；array[]，数据来源*/
voidsequential_write_flash_in_one_sector（unsignedintbegin_addr,unsignedcharcounter,unsignedintarray[]）
{
unsignedchari=0;
unsignedintin_sector_begin_addr=0;
unsignedintsector_addr=0;
/*擦除要修改/写入的扇区*/
sector_addr=（begin_addr&0xfe00）;/*1111,1110,0000,0000;取扇区地址*/
ISP_ADDRH=（unsignedchar）（sector_addr>>8）;
ISP_ADDRL=0x00;
ISP_CMD=ISP_CMD&0xf8;/*1111,1000*/
ISP_CMD=ISP_CMD|SECTOR_ERASE_AP_and_Data_Memory_Command;/*0000,0011*/
ISP_IAP_enable（）;
ISP_TRIG=0x5a;/*触发ISP_IAP命令*/
ISP_TRIG=0xa5;/*触发ISP_IAP命令*/
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
for（i=0;i{
/*写一个字节*/
ISP_ADDRH=（unsignedchar）（begin_addr>>8）;
ISP_ADDRL=（unsignedchar）（begin_addr&0x00ff）;
ISP_DATA=（unsignedchar）（array[i]>>8）;
ISP_CMD=ISP_CMD&0xf8;/*1111,1000*/
ISP_CMD=ISP_CMD|PROGRAM_AP_and_Data_Memory_Command;/*0000,0010*/
ISP_TRIG=0x5a;/*触发ISP_IAP命令*/
ISP_TRIG=0xa5;/*触发ISP_IAP命令*/
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
begin_addr++;
/*写一个字节*/
ISP_ADDRH=（unsignedchar）（begin_addr>>8）;
ISP_ADDRL=（unsignedchar）（begin_addr&0x00ff）;
ISP_DATA=（unsignedchar）（array[i]&0x00ff）;
ISP_CMD=ISP_CMD&0xf8;/*1111,1000*/
ISP_CMD=ISP_CMD|PROGRAM_AP_and_Data_Memory_Command;/*0000,0010*/
ISP_TRIG=0x5a;/*触发ISP_IAP命令*/
ISP_TRIG=0xa5;/*触发ISP_IAP命令*/
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
begin_addr++;
}
ISP_IAP_disable（）;
}
2.2.2温度信号经AD转换的程序设计
A/D转换程序是将温度信号的模拟值转换成数字值送给CPU。
unsignedintAD_transition（void）
{
unsignedchari;
unsignedintadtemp;
AD_CS=1;//屏蔽I/OCLOCK
Delay
（2）;
AD_CS=0;//使能I/OCLOCK，DATA
Delay
（2）;
adtemp=0;//变量清零
for（i=0;i<10;i++）//循环采集10次
{
AD_CLOCK=0;
Delay
（2）;
adtemp<<=1;
if（AD_DATA）{adtemp++;}
Delay
（2）;
AD_CLOCK=1;
Delay
（2）;
}
Delay（10）;
AD_CS=1;
Delay（100）;
return（adtemp）;
}
2.2.3后台通信
本装置可以通过RS485口，读取温度信息，并可以设定每路温度的过/欠温值。
oidtransmit_data（void）
{
unsignedinti,j,k;
unsignedchar*pointer,n,m;
if（r_full==1）//判读数据是否接收完成
{
r_full=0;r_counter=0;
i=CRCcheck（buffer_r,6）;//CRC校验
j=CHARtoHEX（buffer_r+6）;
if（i!
=j）return;
pointer=buffer_t;
if（add1_flag==1）
{
*pointer++=（0x6e+communicate_add1）;
if（buffer_r[1]==3）
{
*pointer++=3;
k=CHARtoHEX（buffer_r+4）;//字节数是字符型数据,读取数据个数
*pointer++=（unsignedchar）k<<1;
n=CHARtoHEX（buffer_r+2）;
if（n<25）//发送24路温度数据
{
for（i=0;i{
m=n+i;j=i<<1;
HEXtoCHAR（sys_data1[m],buffer_t+（3+j））;
}
}
if（（n>=108）&&（n<111））
{
for（i=0;i{
m=n+i-108;j=i<<1;
HEXtoCHAR（tvi_data1[m],buffer_t+（3+j））;
}
}
k<<=1;
j=CRCcheck（buffer_t,k+3）;
HEXtoCHAR（j,buffer_t+k+3）;
t_number=k+5;
}
t_flag;
t_counter=0;
Delaynms
（2）;
TI=1;
}
3.装置内部线路板布局方案
装置内部电路主要由CPU控制电路、温度信号采集电路、按键和显示电路、通信电路组成，具体的分布情况如下图所示：
4.系统设计总结
本系统设计一种基于基于51系列单片机位控制核心的温度监测系统。
在温度测量上，使用了高精度的LM35CA温度传感器，具有精度高、系统扩展性强、可靠性高、实时性能好、体积小、功耗低等特点，为中范围温度监测应用提供了一个良好的通用型解决方案，具有良好的前景和推广价值。
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