摘要：本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)AT89C52的溫度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中信號(hào)輸入通道、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示等從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了闡述，并做了相應(yīng)的理論分折，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度巡回采集處理與變送的功能。
關(guān)鍵詞：變送器 傳感器 單片機(jī)

一、概述

石灰爐燒制石灰時(shí)爐內(nèi)各處的溫度可能不一樣，生產(chǎn)工藝要求得出爐內(nèi)四點(diǎn)的平均溫度，了解各點(diǎn)的溫度值，對(duì)平均值及各測(cè)量點(diǎn)的溫度進(jìn)行報(bào)警處理；若某處的信號(hào)不正常（傳感器損壞或斷線）能及時(shí)報(bào)警并排除在數(shù)據(jù)處理之外。本系統(tǒng)可完成以上功能，檢測(cè)處理石灰爐的溫度，并以4-20mA形式變送遠(yuǎn)傳溫度平均值或最高一點(diǎn)的溫度。該產(chǎn)品的工作示意圖如下圖1所示，在該石灰爐內(nèi)有四個(gè)點(diǎn)分別放四個(gè)熱電偶，這四個(gè)熱電偶就是該系統(tǒng)的四路輸入信號(hào)來(lái)源。利用該系統(tǒng)測(cè)出如圖1所示：

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及人機(jī)界面

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖二。系統(tǒng)硬件部分主要由前端輸入電路,A/D及D/A電路,人機(jī)界面電路,CPU及外圍電路組成。系統(tǒng)達(dá)到的主要功能是充許四路信號(hào)輸入，用戶可以通過(guò)參數(shù)設(shè)定選擇輸入熱電偶類型，平時(shí)顯示溫度平均值，若操作者需要可以按動(dòng)面板上的按鍵查看任一路信號(hào)的溫度。四路信號(hào)是獨(dú)立的，有一路短路或斷線故障，不影響其它幾路信號(hào)的工作。儀表具有超限報(bào)警功能及熱電偶斷線提示功能。溫度平均值或溫度最高的一路信號(hào)的變送為4-20mA電流信號(hào)輸出。系統(tǒng)具有掉電保護(hù)功能，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，設(shè)定數(shù)據(jù)可以保存。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有良好的人機(jī)界面，操作顯示面扳見(jiàn)圖3，在控制顯示面板上有兩排數(shù)碼管和四個(gè)按鍵，進(jìn)行系統(tǒng)工作的顯示和參數(shù)的修改。系統(tǒng)工作方式分為兩個(gè)狀態(tài)分別為編程和運(yùn)行。利用一號(hào)鍵K1（狀態(tài)切換鍵）可以在兩種狀態(tài)間切換。在編程狀態(tài)時(shí)，上一排數(shù)碼管顯示參數(shù)代號(hào)，下排數(shù)碼管分別顯示對(duì)應(yīng)參數(shù)。在這種狀態(tài)下，利用二號(hào)鍵K2（移位鍵）可以順序變換不同的參數(shù)代號(hào)及參數(shù)。利用三號(hào)鍵K3（加鍵）和四號(hào)鍵K4（減鍵）可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。

在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，上一排數(shù)碼管顯示各個(gè)信號(hào)回路順序號(hào)（1～～5），下排數(shù)碼管分別顯示對(duì)應(yīng)溫度。其中1～4路分別顯示四路回路號(hào)及其溫度，5路顯示四路中溫度平均值。這五路自動(dòng)循環(huán)顯示，利用四號(hào)鍵K4（定位鍵）可以使顯示內(nèi)容停在當(dāng)前回路上。在編程或運(yùn)行狀態(tài)下，無(wú)論何時(shí)按下K1，都可使?fàn)顟B(tài)變換到另一種狀態(tài)的初始階段。

電路設(shè)計(jì)中沒(méi)有擴(kuò)展總線及程序存儲(chǔ)器及I/O口,CPU的四個(gè)并行口全作為普通I/O口使用,CPU及外圍電路都是標(biāo)準(zhǔn)用法,在此重點(diǎn)介紹有設(shè)計(jì)特色的A/D及D/A電路和人機(jī)界面電路及電源電路。

2、數(shù)據(jù)采集電路與放大電路

數(shù)據(jù)采集部分電路如圖4所示，限流電阻R1和穩(wěn)壓管TL431產(chǎn)生2.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓。系統(tǒng)共有7路模擬輸入信號(hào),4路熱電偶信號(hào)輸入（EXT1————EXT4），１路冷端補(bǔ)償信號(hào),一路基準(zhǔn)信號(hào),一路地信號(hào)（EXT5）。2.5V電壓加在10K電阻和外接二極管串聯(lián)支路上，構(gòu)成熱電偶的冷端補(bǔ)償電路，它是利用二極管正向工作的電壓-溫度特性測(cè)量冷端溫度，基準(zhǔn)信號(hào)利用2.5V電壓和分壓電阻產(chǎn)生。因此采用了8選1多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051,由單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2三個(gè)引腳高低電平控制模擬通道的選擇。由于輸入熱電偶分度號(hào)由用戶設(shè)定，不同分度號(hào)信號(hào)大小不一,故設(shè)計(jì)了由OP07和4051（U2）組成的程控放大器，輸入信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入A/D,經(jīng)采集處理后得出各路信號(hào)值。程控放大是利用單片機(jī)對(duì)4051的控制，選擇不同的通道，同時(shí)也就選擇了不同的放大倍數(shù)。4051外接的電阻是：R25=20K，R26=47K，R27=2.4K，R28=3.9K，R29=1.9K，共有4個(gè)不同的放大倍數(shù)，分別為放大倍數(shù)1=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（47+2.4+3.9+1.6）≈1.3倍、放大倍數(shù)2=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（2.4+3.9+1.6）≈10倍、放大倍數(shù)3=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（3.9+1.6）≈14倍、放大倍數(shù)4=（20+47+2.4+3.9+1.6）/1.6≈46倍。1.3倍的放大倍數(shù)主要用于冷端補(bǔ)償二極管信號(hào)的采集，電路中四個(gè)22M上拉電阻完成熱電偶斷線撿測(cè)功能。

石灰爐內(nèi)4點(diǎn)放四只熱電偶，作為系統(tǒng)的四路mV信號(hào)輸入端。熱電偶信號(hào)被選通輸入后進(jìn)入程控放大電路，信號(hào)分度號(hào)不同則mV值的高低也不同，通過(guò)軟件選擇不同的放大倍數(shù)，使這些放大后的信號(hào)最大值接近A/D的最大充許值；以充分利用A/D資源,保證測(cè)量精度。設(shè)放大倍數(shù)為A，則從程控放大出來(lái)的信號(hào)即為AX。各種信號(hào)的放大倍數(shù)的確定和后面A/D器件的模擬輸入有關(guān)，本電路的A/D選擇7135（五位半）,基準(zhǔn)電壓為0.5V,7135的模擬輸入的范圍為0～1V電壓。例如B、S標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，放大倍數(shù)應(yīng)選擇46，K、E、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶放大倍數(shù)應(yīng)選擇14。冷補(bǔ)二極管信號(hào)為0.65V左右，采用1.3倍放大倍數(shù),現(xiàn)以一路信號(hào)的轉(zhuǎn)換計(jì)算為例說(shuō)明，測(cè)量某路熱電偶輸入時(shí)依次采集外接熱電偶輸入毫伏值、冷端補(bǔ)償二極管電壓降、基準(zhǔn)電壓及模擬地。從4051的X2端輸入V基是己知電壓，并固化于程序中,D基、D零、Dx分別是基準(zhǔn)、零點(diǎn)及輸入熱電偶信號(hào)的實(shí)時(shí)A/D采集值，通過(guò)下式可以完成零點(diǎn)滿度的自校正,計(jì)算出VX值。由于V基、Vx及地三個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的硬件輸入通道,硬件的離散性誤差及零點(diǎn)滿度漂移對(duì)三者的影響相同，通過(guò)下面公式可以校正零點(diǎn)、放大倍數(shù)及A/D各環(huán)節(jié)的誤差，在用一般器件的情況下可保證系統(tǒng)的測(cè)量精度。

D基-D零/Dx-D零=Vx/V基

由于熱電偶mV溫度間關(guān)系是非線性的，我們采用了折線法進(jìn)行非線性校正，VX通過(guò)分段非線性數(shù)據(jù)處理,可以算出對(duì)應(yīng)溫度CX,加上通過(guò)測(cè)量冷端補(bǔ)償二極管電壓得出的冷端補(bǔ)償溫度C0，就得到該路的實(shí)際測(cè)量溫度C,即C=CX+C0。

同時(shí)由于熱電偶的原因，在測(cè)量端的電壓值會(huì)被抵消了一部分。這種情況造成的誤差影響較大。必須對(duì)它進(jìn)行冷端補(bǔ)償。因?yàn)槎O管在溫度變化時(shí)，其正向?qū)妷鹤兓€(wěn)定，為-2mV/℃，因此我們采用二極管測(cè)冷端濕度進(jìn)行補(bǔ)償，具體做法如下：

第一步，我們冷端補(bǔ)償輸入端輸入一標(biāo)準(zhǔn)電壓0.7V得到一個(gè)AD采樣值D0，然后我們?cè)佥斎胍粯?biāo)準(zhǔn)電壓0.6V再得到一個(gè)AD采樣值D1。兩者相減得到一個(gè)值ΔD，根據(jù)二極管的特性，每1℃電壓變化2mV，我們輸入的第1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和第2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相差為100mV，相當(dāng)于二極管正向電壓變化100mV，對(duì)應(yīng)冷端溫度變化50℃，就可以求出冷端溫度每變化1℃時(shí)其對(duì)應(yīng)AD值變化多少的系數(shù)K=ΔD/50，由于冷端溫度變化范圍?。?-50℃）,相對(duì)精度要求不高，因此設(shè)計(jì)產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)把該系數(shù)直接固化于程序中。當(dāng)把冷補(bǔ)二極管1N4148接入輸入端后，據(jù)上面所述，可以根據(jù)該系數(shù)及冷端AD采集值變化量的大小推算出冷端溫度變化的大小。