多路溫度采集及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)試驗(yàn)中普遍且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了高效生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的主要條件。

2 系統(tǒng)概述

整個(gè)溫度控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(上位機(jī))、單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)(下位機(jī))、溫度傳感器組、功率加熱系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，組建方式靈活，并可利用多塊單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組合的方法增加測(cè)量點(diǎn)，具有良好的擴(kuò)展性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

溫度測(cè)量采用高精度的溫度傳感器PT100獲得物體當(dāng)前溫度，經(jīng)過(guò)低功耗、低輸入失調(diào)電壓、線性好的OP07A進(jìn)行信號(hào)放大，送至8051F350內(nèi)部高速率24位A／D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)溫度(由上位機(jī)發(fā)送)和控制范圍，通過(guò)6路PWM控制加熱器的工作狀況，使物體達(dá)到目標(biāo)溫度并且保持恒溫狀態(tài)。同時(shí)可以利用單片機(jī)內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器把各通道設(shè)定的溫度、系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)斷電或復(fù)位后，可以繼續(xù)運(yùn)行，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控電路

溫度采集監(jiān)控系統(tǒng)的主控電路采用高性能、功能強(qiáng)大的8051F350。 8051F350是由Cygnal公司推出的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，具有CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS51指令集完全兼容；機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值速度可達(dá)25 MI／s；內(nèi)部集成了構(gòu)成單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能元件(包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus／I2C、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器以及電源監(jiān)視器等)。

3.2 溫度采集測(cè)量電路

溫度采集測(cè)量部分采用高精度、重復(fù)性好、應(yīng)用廣泛的PT100作為采樣電阻；信號(hào)放大部分采用低功耗、低輸入失調(diào)電壓、線性好的OP07A；A／D模塊采用8051F350內(nèi)部的高速率24位A／D轉(zhuǎn)換器。溫度采集測(cè)量電路如圖2所示，圖中PT100是高精度溫度傳感器，Z1是3.6 V穩(wěn)壓管，起保護(hù)作用。

3.3 串行通信電路

串行通信采用壓差傳輸?shù)腃AN總線，它具有傳輸距離遠(yuǎn)、抑止共模干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通信速率可達(dá)1 Mb／s。CAN總線通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。在整個(gè)溫度測(cè)控系統(tǒng)中，采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信線路，測(cè)溫模塊安裝在距離測(cè)量點(diǎn)較近地范圍內(nèi)，這樣，來(lái)自傳感器的接線就比較短，從而減少了干擾。

3.4 功率控制模塊

P10～P15輸出6路PWM波，通過(guò)光電隔離和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓，改變可控硅模塊的導(dǎo)通角，從而改變輸出功率。功率控制模塊電路如圖3所示，其中P10，P10分別是一路PMW，通過(guò)改變它們的高低電平比例來(lái)改變控制電壓K0和K1，從而控制加熱器的功率。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：計(jì)算機(jī)軟件(上位機(jī))和單片機(jī)軟件。其中，計(jì)算機(jī)軟件主要完成設(shè)定溫度、監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前溫度和標(biāo)定系統(tǒng)。單片機(jī)軟件完成A／D采集、串口通信和功率模塊控制。

上位機(jī)軟件采用LabWindows／CVI編寫，它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)和用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能，為建立測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。可以脫離Labwindows／CVI開發(fā)環(huán)境運(yùn)行，用戶最終看見的是和實(shí)際儀器面板相類似的操作面板。板卡與PC機(jī)通過(guò)RS-232串口線連接。

下位機(jī)程序框圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，下位機(jī)程序可使單片機(jī)不停地采集溫度，當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出命令置位采集標(biāo)志位時(shí)，下位機(jī)采集的溫度送到上位機(jī)的面板并顯示，再將所采集的溫度數(shù)據(jù)同預(yù)先所設(shè)定的溫度值相比較，當(dāng)采集的溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，根據(jù)采集的溫度值跟設(shè)定溫度差值的大小，單片機(jī)的P10～P15引腳輸 出6路PWM，通過(guò)光電隔離TLP521-2和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓，改變可控硅模塊的導(dǎo)通角，從而改變輸出功率。隨著采集到的溫度值越來(lái)越接近設(shè)定溫度值，單片機(jī)輸出的PWM值越來(lái)越大，導(dǎo)通角越來(lái)越小，輸出的功率也相應(yīng)變小，直到采集的溫度等于設(shè)定溫度時(shí)，導(dǎo)通角完全關(guān)斷。同時(shí)下位機(jī)也可隨時(shí)響應(yīng)串口中斷，便于用戶通過(guò)上位機(jī)設(shè)置或修改設(shè)定溫度和控制范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高精度溫度傳感器和低輸入失調(diào)電壓、線性好的運(yùn)算放大器組成信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)采用24位的A／D采集模塊，可使系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)0.02℃，控制精度達(dá)0.5℃，滿足用戶對(duì)溫度控制的要求。采用功能強(qiáng)大的8051F350單片機(jī)作為控制核心，減少了系統(tǒng)對(duì)外圍器件的需求，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了可靠性，同時(shí)也降低了成本。