智能多路溫度巡檢儀設計

摘要：為了解決現有溫度監控需要的儀表數量多，組網(wǎng)困難的問(wèn)題，設計了一種智能多路溫度巡檢儀。使用STC15F2K60S2作為核心處理器，巡回檢測16路溫度傳感器。儀表具有多種類(lèi)型輸入功能，可與多種類(lèi)型傳感器、變送器配合使用。具有測量顯示、超限報警控制、數據采集記錄及RS 485通信功能，方便組成監控網(wǎng)絡(luò )，大大減少了測量?jì)x表的數量。方案采用多項創(chuàng )新技術(shù)，經(jīng)實(shí)際測試具有測控精確穩定和抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。

0 引言

隨著(zhù)計算機、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，單片機由于其集成度高、功能強、體積小、抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。測量?jì)x器儀表也在發(fā)生著(zhù)翻天覆地的變化，目前智能儀器儀表設計時(shí)無(wú)一不采用單片機。溫度測控在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應用非常廣泛，而傳統的溫度檢測儀一般只能單點(diǎn)檢測且只有顯示功能。

在一些作業(yè)半徑大，測點(diǎn)分散的工業(yè)場(chǎng)合，就需要由一種多點(diǎn)巡回檢測，集中管理的測量?jì)x表，能夠實(shí)現報警、遠傳、控制、數據記錄等功能，自動(dòng)運行無(wú)需人為干預。針對這種需求，本文設計了一種智能多路溫度巡檢儀，采用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器巡回檢測16路溫度，可設報警限值，具有報警信號常開(kāi)常閉接點(diǎn)輸出，支持RS 485通信。儀表前面板具有數碼管、LED燈、按鍵人機接口，操作簡(jiǎn)單，便于維護。

1 總體方案設計

系統方案如圖1所示。

以STC宏晶科技的STC15F2K60S2為主控芯片。該單片機具有以下特點(diǎn)：內部集成高精度RC時(shí)鐘，且從5～35MHz可選;內部集成復位電路，8級復位門(mén)檻電壓可選;內部集成E2PROM，用于保存用戶(hù)設置參數及標校參數;可編程時(shí)鐘輸出，對系統時(shí)鐘1～65 536級分頻輸出。其高速度、高集成度的特點(diǎn)非常適合本設計的需要。

在本系統中CPU主要是對溫度值進(jìn)行巡回檢測、數據計算、數據顯示、同時(shí)檢測報警狀態(tài)、鍵盤(pán)輸入及通信數據并做出相應的處理。外圍有溫度傳感器信號處理電路、人機接口、通信接口、報警輸出及供電電源電路。其中溫度傳感器信號處理電路由轉換電路、濾波電路、多路模擬開(kāi)關(guān)電路、放大電路、A/D轉換電路組成，是影響整臺儀器性能的關(guān)鍵。

2 Pt100測量原理

Pt100鉑電阻是一種電阻值隨環(huán)境溫度變化而改變的溫度傳感器，因其具有穩定性好、精度高、測溫范圍大等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應用。

測量?jì)x表連接的溫度傳感器由鉑電阻和連接導線(xiàn)組成。在精確測量時(shí)連接導線(xiàn)的電阻對測量結果的影響不容忽視。工業(yè)上Pt100一般都采用三線(xiàn)制接法，在鉑電阻-端連接-根引線(xiàn)，另一端連接兩根引線(xiàn)，且三線(xiàn)長(cháng)度、線(xiàn)徑、材質(zhì)一致，這樣就保證了三線(xiàn)的電阻相等為r。這種方式通常與補償電路配套使用，以消除導線(xiàn)電阻引起測量誤差。本文所使用三線(xiàn)制電阻補償法其等效原理圖如圖2所示。其中Rt為Pt100電阻，Rv為分壓電阻，r為導線(xiàn)等效電阻，VR為Pt100基準電壓同時(shí)也是A/D轉換器的參考電壓。由歐姆定律可得基本關(guān)系式：

從式(2)可以看出：在已知RV和VR的情況下，只需測出V1和V2就可得出Pt100電阻Rt，而與導線(xiàn)電阻r沒(méi)有關(guān)系，從而消除了導線(xiàn)電阻的影響。

3 硬件電路設計

3.1 電源電路

本文設計基于TOP414的開(kāi)關(guān)電源，TOP414是集脈沖信號控制電路和功率開(kāi)關(guān)器件MOSEFT于一體的電源控制芯片。具有高集成度、簡(jiǎn)單外圍電路等特點(diǎn)，能組成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源。由圖3可知，輸入電源通過(guò)TOP414開(kāi)關(guān)和高頻變壓器變壓，再經(jīng)過(guò)整流、電容濾波和電感平波，輸出直流電。高頻變壓器二次側有3個(gè)繞組，2路輸出功率，另一路為反饋回路提供電源。反饋回路從輸出端進(jìn)行電壓取樣，通過(guò)光耦來(lái)控制脈沖控制開(kāi)關(guān)的通斷，調節輸出功率。供電電源電路分別向系統電路提供5 V電源，向報警及通信電路提供12 V電源，且兩路輸出電源相互隔離。由于系統對12 V電源精度要求不高，所以反饋回路從5 V輸出端取樣，12 V電源通過(guò)線(xiàn)圈匝數比獲得。

3.2 Pt100信號選擇及放大電路

巡檢儀信號轉換電路由圖4中的17個(gè)信號檢測電路組成(由于版面所限，圖中僅繪出第1個(gè)、第2個(gè)和第17個(gè))，實(shí)現將16路Pt100溫度傳感器輸出的電阻信號轉換為電壓信號。其中第1路沒(méi)有外接Pt100傳感器，設置它的目的是為系統提供零電壓和參考電壓，用于彌補運算放大器放大倍數的誤差，余下16個(gè)電路的原理完全一致。

每路產(chǎn)生2個(gè)電壓信號分別由2個(gè)16×1多路切換器CD4067實(shí)現分時(shí)選通，2個(gè)CD4067的公共端和零電壓、參考電壓再由模擬開(kāi)關(guān)CD4051選通。8位數據鎖存器74LS273用于I/O口的擴展，控制多路開(kāi)關(guān)的地址碼。

電壓信號放大采用低零漂移的運算放大器OP07，為了適應不同的輸入信號，OP07和模擬開(kāi)關(guān)CD4051構成一個(gè)可編程增益放大器。增益控制由CD4051模擬開(kāi)關(guān)和電阻構成，通過(guò)對CD4051地址碼的控制實(shí)現對輸入信號不同的放大倍數。為了有效地抑制共模干擾運放采用雙電源供電，-5 V發(fā)生電路參見(jiàn)圖5。

3.3 A/D數據轉換電路

TLC7135是流行的雙積分A/D轉換器，其具有4位半的精度(相當于14位A/D)、自動(dòng)校零、自動(dòng)極性輸出、單基準電壓、動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出、抗干擾力強，穩定性好等特點(diǎn)。美中不足的是其轉換精度依賴(lài)于積分時(shí)間，因此轉換速度較低。盡管現在主流的是逐次逼近型A/D轉換器，但高精度(>12位)的逐次逼近型A/D價(jià)格很高。TLC7135憑借其價(jià)格低精度高的優(yōu)勢，現今仍為廣大設計者所青睞。TCL7135使用資料較多，其工作原理在此就不做過(guò)多講述。

TLC7135同樣采用雙電源供電，為最大限度利用單片機內部資源，硬件上利用STC15F2K60S2可編程的時(shí)鐘輸出去推動(dòng)二極管來(lái)產(chǎn)生負電壓。省去了價(jià)格較高的專(zhuān)用IC。工作原理如圖5所示，單片機8 MHz系統時(shí)鐘經(jīng)64分頻在P3.4腳輸出125 kHz時(shí)鐘信號，經(jīng)C22反相推動(dòng)二極管D6，D7產(chǎn)生負電壓。由于二極管壓降的緣故，實(shí)際得到的負壓約為-4.3 V。由于本系統中的信號都是單級電壓對負電壓值要求并不十分嚴格，此負壓方案產(chǎn)生的負壓是完全可以勝任的。

單片機和TLC7135的接口有并行和串行兩種方式。本設計單片機對TLC7135采用串行數據采集，該方式結構簡(jiǎn)單、占用單片機I/O資源少。STC15F2K60S2的P3.2(INT0)引腳接TLC7135的BUSY引腳，用來(lái)接收A/D轉換狀態(tài)輸出。單片機的P3.0引腳接TLC7135的RUN/HOLD引腳，用來(lái)啟動(dòng)A/D轉換。單片機的P3.1腳接TLC7135的POLARITTY引腳，用來(lái)判斷輸入電壓極性。TLC7135的時(shí)鐘同樣利用STC15F2K60S2的可編程時(shí)鐘輸出功能獲得，8 MHz系統時(shí)鐘經(jīng)32分頻在P3.5腳輸出250 kHz的脈沖信號，接至ICL7135的時(shí)鐘輸入管腳。

由圖6可知，TLC7135的A/D轉換周期為40 002個(gè)時(shí)鐘周期。串行接法是通過(guò)計脈沖數的方法來(lái)獲得測量結果的，通過(guò)設置單片機定時(shí)計數器時(shí)鐘與TLC7135時(shí)鐘頻率相同，設置INT0外部中斷為邊沿觸發(fā)，進(jìn)入被測信號積分階段時(shí)，TLC7135的BUSY引腳變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)單片機中斷，定時(shí)計數器立即啟動(dòng)計數，在A(yíng)/D轉換的基準電壓反積分階段結束時(shí)，TLC7135的BUSY端變?yōu)榈碗娖?，定時(shí)計數器停止計數，讀出定時(shí)計數器的計數結果，即為被測電壓積分階段和基準電壓反積分階段所需的時(shí)鐘脈沖數的總和。由于被測電壓積分階段的時(shí)間是固定的，為10 000個(gè)時(shí)鐘脈沖，用定時(shí)計數器的計數結果減去輸入積分階段的計數值10 000，即得到基準電壓反積分階段的計數值N。反積分階段的計數脈沖數與輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系，滿(mǎn)量程時(shí)對應的有效計數脈沖為20 000，可以得以下公式：

N=VIN/VMAX×20 000 (3)

式中：VMAX為T(mén)LC7135的滿(mǎn)量程電壓，由于TLC7135滿(mǎn)量程為2倍參考電壓即VMAX=2VREF，基準電壓反積分階段的脈沖數和輸入電壓滿(mǎn)足關(guān)系式：

N=VIN/VREF×10 000 (4)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單變換可得輸入電壓的計算公式：

VIN=N/10 000×VREF (5)

式(5)中VREF是利用TL431產(chǎn)生的2.5 V基準電壓，單片機計數得到N后，就可計算出輸入電壓。

3.4 人機接口電路

在儀表的前面板上設計有數碼管，LED燈，按鍵，用于數據顯示、狀態(tài)指示及參數設置。為了盡量減少單片機I/O資源開(kāi)銷(xiāo)，采用了動(dòng)態(tài)刷新顯示方法。單片機控制點(diǎn)亮一個(gè)數碼管，然后關(guān)掉，再點(diǎn)亮第二個(gè)，4個(gè)數碼管周而復始地輪流點(diǎn)亮，一個(gè)輪流周期每個(gè)數碼管的點(diǎn)亮時(shí)間是極為短暫的，由于人的視覺(jué)停留及發(fā)光管的余輝效應，盡管實(shí)際上各個(gè)數碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要刷新的速度足夠快，給人的視覺(jué)就是一組穩定的顯示數據，不會(huì )有閃爍感。

如圖7所示，4位數碼管各有8個(gè)顯示段，每位數碼管相同的段連在一起，由P0端口統一進(jìn)行段驅動(dòng)，而各個(gè)數碼管的共陽(yáng)極則由另一個(gè)I/O進(jìn)行驅動(dòng)。P2.4用于驅動(dòng)LED燈公共端，P2.5用于分時(shí)檢測按鍵輸入。驅動(dòng)程序的設計思路是，P2.0-3端口控制三極管Q1，Q2，Q3，Q4輪流打開(kāi)。例如P2.0輸出低電平，三極管Q1導通，數碼管DS1點(diǎn)亮，P0端口控制顯示相應的數字，LED1狀態(tài)如需點(diǎn)亮，P2.4輸出低電平，否則輸出高電平。同時(shí)檢測P2.5端口輸入，如為高電平說(shuō)明按鍵S1被按下。為了嚴格地保證輪流周期和顯示時(shí)間，可以在單片機定時(shí)器中斷服務(wù)程序中進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示和檢測。

3.5 報警輸出及通信電路設計

為了避免外聯(lián)設備的浪涌沖擊和噪聲干擾，報警輸出和通信電路與系統電路完全隔離，接地以及電路之間沒(méi)有任何物理上的傳導連接。繼電器K1、K2用于某路溫度超過(guò)設定的報警值時(shí)，輸出機械接點(diǎn)信號，如可以連接聲、光報警裝置。RS 485通信接口可以將本儀表納入到總線(xiàn)拓撲的RS 485網(wǎng)絡(luò )中，以提高測量網(wǎng)絡(luò )的集中監控能力。為了提高RS 485通信速度本設計采用了接收和發(fā)送自動(dòng)轉換的零延時(shí)電路。如圖8所示，若發(fā)送為低電平，DE/RE為高電平，發(fā)送允許，此時(shí)由于D管腳接地，MAX1487芯片的輸出端A、B產(chǎn)生表示低電平的差分信號。若發(fā)送高電平，DE/RE為低電平，MAX1487芯片的A、B端處于高阻態(tài)。此時(shí)靠電阻R32和R35的下拉和上拉作用，使總線(xiàn)上產(chǎn)生表示高電平的差分信號。由以上分析看出，在半雙工傳送數據的方式下，程序不必控制DE/RE，硬件完成接收和發(fā)送的轉換。

4 軟件設計

儀表整機軟件主要由3部分組成，數據采集與溫度計算程序、人機服務(wù)程序、通信程序。為了保證各子程序協(xié)調運行，需要通過(guò)中斷機制實(shí)現。數據采集與溫度計算程序在主循環(huán)里運行，人機服務(wù)在定時(shí)中斷里完成，通信任務(wù)在串行通信中斷服務(wù)程序中完成。

數據采集與溫度計算程序要對16路溫度進(jìn)行循環(huán)采集，通過(guò)單片機P0端口對多路開(kāi)關(guān)的地址引腳控制而實(shí)現通道選擇。一共用了17路數據通道，第一路為零電壓、參考電壓，2～17路為16路溫度電壓信號。每次采集數據都要經(jīng)過(guò)通道選擇，A/D轉換處理，溫度計算等操作。

人機服務(wù)程序是實(shí)現儀器的顯示及人工操作，由于數碼管和LED指示燈采用動(dòng)態(tài)刷新顯示，為了保證動(dòng)態(tài)刷新周期，人機服務(wù)程序安排在定時(shí)器中斷里運行。

RS 485通信訪(fǎng)問(wèn)方式為主從方式，本儀表處于從機地位。儀表收到主機發(fā)來(lái)的數據幀后，根據MODBUS RTU通信協(xié)議將主機要求的信息發(fā)送到RS 485網(wǎng)絡(luò )中，主機可以讀取16路溫度、報警設定數據，以及重新設置相關(guān)參數。

5 結語(yǔ)

本文基于STC15F2K60S2實(shí)現了多路溫度傳感器測量，系統設計緊湊、成本低、功能強大，且適用范圍非常廣泛。每個(gè)通道通過(guò)參數設置及變換電路稍加更改即可接受不同的輸入類(lèi)型，如熱電偶、熱電阻、線(xiàn)性電壓、線(xiàn)性電流、線(xiàn)性電阻，可與各種傳感器、變送器配合使用，實(shí)現對溫度，壓力、液位等物理量測量，為工業(yè)系統集成提供了一個(gè)很好的硬件平臺。