第 26 卷 第 1 期 華 僑 大 學(xué) 學(xué) 報 ( 自 然 科 學(xué) 版 ) Vol. 26 No. 1 2005 年 1 月 Journal of Huaqiao University (Natural Science) Jan. 2005 文章編號 100025013 (2005) 0120066203計算機多點溫度實用檢測系統(tǒng)的設(shè)計黨淑雯鄭耀林(華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院 ,福建 泉州 362021)摘要 設(shè)計一種以 89C52 為核心的實用新型計算機溫度采集系統(tǒng) . 它采用 J 類熱電偶作為測溫元件 ,利用集成電流的溫度傳感器 AD590 ,實現(xiàn)熱電偶冷端溫度的有效補償 ,從而提高系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和抗干擾性能 .該系統(tǒng)主要從工程實際出發(fā) ,對元件選擇、電路設(shè)計等方面進行研究 . 在給出核心硬件電路的同時 ,提出可對多路數(shù)據(jù)作采集、處理并實現(xiàn)報警功能的可拓展電路 . 實現(xiàn)了低成本、遠(yuǎn)距離傳輸溫度巡回檢測 .關(guān)鍵詞 溫度測量 , AD590 , 冷端補償 , 看門狗電路中圖分類號 TK 311 TP 273 + . 5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A溫度測量是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中的 1 個主要參數(shù) ,特別是大型企業(yè)的主設(shè)備往往需要監(jiān)視和測量幾十個溫度參數(shù) . 當(dāng)前 ,主要的溫度儀表 ,如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計等在技術(shù)上已經(jīng)成熟 . 但是 ,它們只能在傳統(tǒng)的場合應(yīng)用 ,尚不能滿足許多領(lǐng)域的要求 ,尤其是高科技領(lǐng)域 . 因此 ,各國專家都有針對性地開發(fā)各種新型溫度傳感器 ,以及特殊、實用的測溫技術(shù) . 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 ,采用單片機來實現(xiàn)溫度測量 1 ,2 . 單片機有較強的管理功能 . 本系統(tǒng)用單片機對整個測量電路進行管理和控制 . 整個系統(tǒng)智能化 ,體積小 ,功耗低 ,使用電子元件較少 ;內(nèi)部配線少 ,成本低 ,制造、安裝、調(diào)整、維修方便 . 該系統(tǒng)中單片機作為下位機 ,完成測溫任務(wù) . 測量結(jié)果可在本地顯示 ,也可通過下位機與上位機通訊 ,給出結(jié)果和提示信息 . 本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為測溫范圍 100 900 ,測溫分辨力小于或等于 0. 2 .1 設(shè)計思路針對設(shè)計目的 ,整個硬件設(shè)計部分主要完成的工作是如何將溫度信號采集并處理后 ,再傳送到計算機中 . 故此 ,我們將硬件系統(tǒng)分為下列 3 個部分 . (1) 信號采集 ,包括模擬信號的放大、采樣等 . (2) 信號處理 ,諸如 A/ D 轉(zhuǎn)換 ,數(shù)據(jù)傳送 . (3) 串口通訊 . 系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖 ,如圖 1 所示 .圖 1 系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖2 設(shè)計方案2. 1 傳感部分的電路設(shè)計我們所測量的溫度信號范圍為中高溫區(qū) (100 900 ) ,故采用溫度測量中使用最為廣泛的傳感器之一 熱電偶 . 其測量溫區(qū)寬 ,一般在 - 180 2 800 的溫度范圍內(nèi)均可使用 . 測量的準(zhǔn)確度和靈敏度都較高 ,尤其是在高溫范圍內(nèi) ,有較高的精度 . 我們采用常用的 J 類熱電偶 ,即鐵 ( + )對康銅 ( - ) 熱電偶 . 該類熱電偶在瞬時 900 所產(chǎn)生的電勢為 51. 249 mV ,而在 760 左右時所產(chǎn)生的電勢為 42. 992收稿日期 2004205212作者簡介 黨淑雯 (19802) ,女 ,碩士研究生 ,主要從事檢測和控制技術(shù)方面的研究 . E2mail : guoguo hqu. edu. cn 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.mV.在此將小信號用兩級放大電路放大到輸出 5 V 左右的信號 . 熱電偶測溫時冷端溫度的改變對熱電偶的輸出產(chǎn)生明顯的誤差 ,通常采用冷結(jié)點補償方法 . 這里 ,我們利用 AD590 這種溫度 2電流傳感器來實現(xiàn)冷端溫度補償 . 熱電偶有熱端和冷端 ,它所產(chǎn)生的電動勢為兩者的熱電勢之差 . 因此與環(huán)境溫度有關(guān)時 ,測量結(jié)果需要加以修正 . 利用 AD590 的線性溫敏特性 ,可以給溫差電偶的參考端 (冷端 ) 提供溫度補(a) 電偶原理圖 (b) 補償原理圖圖 2 熱電偶冷端補償?shù)幕驹韮?,使熱電偶的參考端在任何環(huán)境溫度下僅產(chǎn)生 0 V 的電動勢 . 補償?shù)幕驹?,如圖 2 所示 3 ,4 . 圖中將熱電偶的冷熱兩端等效成兩個受溫度控制的電壓源 ,即電壓源的電動勢隨溫度而改變 ,其溫度系數(shù)與電偶的塞貝克 (See beck)系數(shù)相同 . 電偶參考端的溫度補償 ,實際上就是在電偶的參考端 ,人為地引入一個不受溫度控制 ,且溫度系數(shù)相同卻方向相反的電壓源 . 它由AD590 實現(xiàn) ,從而使參考端的總電動勢不再受到環(huán)境溫度的影響 . 這里我們選用的是鐵 2康銅溫差電偶 .它的測溫范圍為 100 900 ,在室溫范圍內(nèi)其塞貝克系數(shù)為 52 V - 1 ,具體的補償電路如圖 3 所示 .由圖 3 中不難導(dǎo)出加到放大器 A 的輸入電壓為 Vi = ( VB - 2. 5) - V TO + V T ,式中 VB - 2. 5 為 RA 兩端的圖 3 熱電偶的冷端溫度補償電壓降 , V TO為熱電偶冷端所產(chǎn)生的熱電勢 , V T 為熱電偶熱端 (測量端 ) 所產(chǎn)生的熱電勢 . 合理的選擇電阻 RA 和 RT 的值 ,使?jié)M足 VB - 2. 5 - V TO = 0 , Vi = V T. 即加到放大器輸入端的電壓就是熱電偶熱端所產(chǎn)生的熱電勢 ,與冷端電勢無關(guān) ,從而達(dá)到冷端補償?shù)哪康?.2. 2 信號處理電路的設(shè)計系統(tǒng)中溫度變化過程較慢 ,故在系統(tǒng)設(shè)計中可省去采樣保持器 ,直接由熱電偶經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后 ,再經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān) AD7501輸入到 AD574 實現(xiàn) A/ D 轉(zhuǎn)換 . 熱電偶在 760 左右時產(chǎn)生的電勢為 42. 922 mV. 要將其放大至 5 V 左右 ,放大倍數(shù)約 100 倍 ,需采用兩級放大電路 . 在實際應(yīng)用中 ,我們選取參考電壓為 5 V. 但為便于計算 ,特設(shè)置參考電壓為 4. 096 V ,對應(yīng) A/ D 滿量程電壓為 4. 096 V ,A/ D 轉(zhuǎn)換器分辨力為 1 mV. 為使溫度測量范圍 (100 900 )與 A/ D 動態(tài)范圍 (0 4. 096 V) 對應(yīng) ,放大電路增益為 100. 此時 ,電壓 2溫度對應(yīng)變化關(guān)系為 5 mV - 1 ,溫度測量分辨力為 0. 2 .2. 3 單片機外圍電路設(shè)計在 A/ D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇上考慮到所要測量的范圍和精度要求 ,采用 12 位 AD574 芯片 . AD574 是AD 公司生產(chǎn)的 12 位逐次逼近型 ADC ,它的轉(zhuǎn)換速度為 25 s ,轉(zhuǎn)換精度為 0. 05 % ,可廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 . 由于 AD574 芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路 ,因而可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連 ,而無須附加邏輯接口電路 . 它與 AT89C52 的硬件連接 ,如圖 4 所示 . 從圖可看出 ,模擬輸入信號正端由 Vin ( + )進入 ,轉(zhuǎn)換后的 12 位二進制數(shù)據(jù)從 12 位數(shù)據(jù)線輸出 . 它們是分兩次送入到 8 位數(shù)據(jù)總線上的 . DL0 3 分別和DH4 7 并接在一起 ,以便實現(xiàn) 8 位數(shù)據(jù)的傳輸 . 當(dāng) Ad0 信號為 OFF 時 ,輸出高 8 位 ;信號為 ON 時 ,則輸出低 4 位 . CE為選通信號 ,當(dāng)讀 / 寫信號中的任何一個有效時 ,AD574 都會被選通 ,但還要受到第 3 腳上的 YM 信號的控制 . 只有 YM 也為低有效時 ,該芯片才真正被選通 . YM 是通過譯碼電路產(chǎn)生的 . 當(dāng)它為ON 時為數(shù)據(jù)讀出狀態(tài) ;而為 OFF 時則啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 . 在圖 4 中 ,DH0 3 ,DH4 7 ,DL0 3 分別與 AD574相應(yīng)引腳相接 . 15 V 電源分別由 7 和 11 腳引入 ,50 電阻由 8 和 10 腳接入 . + 5 V 電源由 1 腳接入 ,與地線相連的分別是 2 ,9 ,12 和 15 腳 . A0 接 4 腳 ,R/ C 接 5 腳 ,CE接 6 腳 ,而 Vin ( + )接 13 腳 . 關(guān)于處理器方面選用 AT89C52 單片機 . 此外 ,采用具有 512 8 位的串行 X5045 可編程帶看門狗監(jiān)控 EEPROM ,監(jiān)控系統(tǒng)程序的正常運行 . 在對電源穩(wěn)定性進行監(jiān)控的同時 ,它由內(nèi)部復(fù)位電路提供的復(fù)位信號也可用于76第 1 期 黨淑雯等 : 計算機多點溫度實用檢測系統(tǒng)的設(shè)計 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.為 89C52 提供復(fù)位信號 . 從而 ,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 89C52 手動 / 上電復(fù)位電路 . 在系統(tǒng)工作時 ,需要周期性地向圖 4 AD 轉(zhuǎn)換電路圖X5045監(jiān)控器發(fā)出信號以確保系統(tǒng)運行正常 . 由89C52 的 P2. 2 口 ,向 X5045 的串行輸入端 SI 進行上述確認(rèn)信號 ; P2. 1 口與 X5045 的 SO 端連接 ,讀入X5045 存儲器中的狀態(tài)數(shù)據(jù) ; P2. 0 口對 X5045 進行片選 ;P2. 3 口向 X5045 的 CLK端發(fā)出時鐘信號 . 另外 ,把 X5045 的復(fù)位腳 RESET與 89C52 的復(fù)位端 RE2SET相連 ,通過一個上拉電阻接向高電平 ,令 X5045在監(jiān)測到系統(tǒng)工作不正常時使系統(tǒng)復(fù)位 .2. 4 串口通訊的工作原理串口通訊采用了目前應(yīng)用較廣的 ICL232 芯片 .用來取代傳統(tǒng)的 MC1488 和 MC1489 ,以克服可靠性低和需要采用 12 V 電源的缺點 . 我們把 89C52 的 TXD 端及 RXD 端 ,接到 ICL232 的 T1 輸入端及 R1 輸出端 ,以完成串口通訊的功能 . 其中 ICL232 的 C1 ( + ) ,C1 ( - ) ,C2 ( + ) ,C2 ( - ) ,VS( + ) 及 VS( - ) 各端分別接上 C3 ,C2 ,C11 ,C14等電容作為電源泵及濾除干擾 ,而 T1 輸出和 R1 輸入加上地線組成系統(tǒng)串口輸出 .3 結(jié)束語本系統(tǒng)最多可測 8 路數(shù)據(jù) . 若要對 8 路溫度進行測量 ,只需另加測量電路即可 ,測量電路與系統(tǒng)中的測量電路相同 . 此外 ,若對更多通道的數(shù)據(jù)進行處理時 ,可利用 74LS138 譯碼器方案來實現(xiàn)對多個多路選擇開關(guān)的選擇 . 系統(tǒng)中設(shè)有溫度超過測溫范圍時的處理電路 ,單片機的 P1. 7 ,P1. 6 分別與一個發(fā)光二極管和報警電路相接 . 在所測溫度超過規(guī)定溫度時 ,發(fā)光二極管點亮 ,同時接在 P1. 6 的報警電路發(fā)出警告 ,提醒用戶處理 .參 考 文 獻(xiàn)1 黃一夫 . 微型計算機控制技術(shù) M.北京 :機械工業(yè)出版社 ,20011156 1732 孫育才 . MCS251 系列單片微型計算機及其應(yīng)用 M.南京 :東南大學(xué)出版社 ,2001. 215 2233 蔣敏蘭 ,胡生清 ,幸國全 . AD590 溫度傳感器的非線性補償及應(yīng)用 J .傳感器技術(shù) ,2001 ,20(10) :54 564 逄玉臺 ,王團部 . 集電溫度傳感器 AD590 及其應(yīng)用 J .國外電子元器件 ,2002 , (7) :22 24Designing a Computerized System for PracticallyMeasuring Temperature at Multiple PointsDang Shuwen Zheng Yaolin(College of Mechanical Engineering and Automation , Huaqiao University , 362021 , Quanzhou , China)Abstract A computerized system with 89C52 as the core is designed for practical acquisition of temperature. The system adopts J2typeelectric thermocouple as thermometric component and realizes effective compensation of the temperature at the cold2end of thermocoupleby using temperature sensor AD590 of integrated circuit. Thus it can be improved in accuracy and stability and noise proof performance.Starting from engineering reality , a study is made on its choice of components and circuit design. While the hardware circuit is given asthe core , an expandable circuit is presented for acquiring and processing multichannel data and