智能仪表设计原理

智能仪表设计原理Revised on November 25, 2020

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

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CMOS 8位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes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）Flash ROM

· 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

2.1.5 AD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

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 <>

sfr ISP_DATA = 0xc2;

sfr ISP_ADDRH = 0xc3;

sfr ISP_ADDRL = 0xc4;

sfr ISP_CMD = 0xc5;

sfr ISP_TRIG = 0xc6;

sfr ISP_CONTR = 0xc7;

extern void Delay (unsigned int y);

#define READ_AP_and_Data_Memory_Command 0x01 /* 字节读应用程序区和数据存储区 */

#define PROGRAM_AP_and_Data_Memory_Command 0x02 /* 字节编程应用程序区和数据存储区 */

#define SECTOR_ERASE_AP_and_Data_Memory_Command 0x03 /* 扇区擦除应用程序区和数据存储区 */

/* 定义Flash 操作等待时间 */

#define WAIT_TIME 0x02 void

ISP_IAP_enable(void)

{

EA = 0; /* close intermit */

ISP_CONTR = ISP_CONTR & 0x18; /* 0001,1000 */

ISP_CONTR = ISP_CONTR | WAIT_TIME;

ISP_CONTR = ISP_CONTR | 0x80; /* 1000,0000 */ }

void ISP_IAP_disable(void)

{

ISP_CONTR = ISP_CONTR & 0x7f; /* 0111,1111 */

ISP_TRIG = 0x00;

EA = 1;

}

/* 读字节 */

unsigned int byte_read(unsigned int byte_addr)

{

unsigned int m;

ISP_ADDRH = (unsigned char)(byte_addr >> 8);

ISP_ADDRL = (unsigned char)(byte_addr & 0x00ff);

ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8; /* 1111,1000 */

ISP_CMD = ISP_CMD |

READ_AP_and_Data_Memory_Command; /* 0000,0001 read */

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 = (unsigned char)(byte_addr >> 8);

ISP_ADDRL = (unsigned char)(byte_addr & 0x00ff);

ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8; /*

1111,1000 */

ISP_CMD = ISP_CMD |

READ_AP_and_Data_Memory_Command; /* 0000,0001 read */

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 */

void sequential_write_flash_in_one_sector(unsigned int begin_addr, unsigned char counter, unsigned int array[])

{

unsigned char i = 0;

unsigned int in_sector_begin_addr = 0;

unsigned int sector_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 = (unsigned char)(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< counter; i++)

{

/* 写一个字节 */

ISP_ADDRH = (unsigned char)(begin_addr >> 8);

ISP_ADDRL = (unsigned char)(begin_addr & 0x00ff);

ISP_DATA = (unsigned char)(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 = (unsigned char)(begin_addr >> 8);

ISP_ADDRL = (unsigned char)(begin_addr & 0x00ff);

ISP_DATA = (unsigned char)(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。

unsigned int AD_transition(void)

{

unsigned char i;

unsigned int adtemp;

AD_CS = 1; 2.2.3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。