摘要：為了解決現(xiàn)有溫度監(jiān)控需要的儀表數(shù)量多，組網(wǎng)困難的問題，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。儀表具有多種類型輸入功能，可與多種類型傳感器、變送器配合使用。具有測量顯示、超限報警控制、數(shù)據(jù)采集記錄及RS 485通信功能，方便組成監(jiān)控網(wǎng)絡，大大減少了測量儀表的數(shù)量。方案采用多項創(chuàng)新技術(shù)，經(jīng)實際測試具有測控精確穩(wěn)定和抗干擾能力強等優(yōu)點。
0 引言
隨著計算機、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)點廣泛應用于工業(yè)控制領域。測量儀器儀表也在發(fā)生著翻天覆地的變化，目前智能儀器儀表設計時無一不采用單片機。溫度測控在工業(yè)生產(chǎn)領域應用非常廣泛，而傳統(tǒng)的溫度檢測儀一般只能單點檢測且只有顯示功能。
在一些作業(yè)半徑大，測點分散的工業(yè)場合，就需要由一種多點巡回檢測，集中管理的測量儀表，能夠?qū)崿F(xiàn)報警、遠傳、控制、數(shù)據(jù)記錄等功能，自動運行無需人為干預。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，具有報警信號常開常閉接點輸出，支持RS 485通信。儀表前面板具有數(shù)碼管、LED燈、按鍵人機接口，操作簡單，便于維護。
1 總體方案設計
系統(tǒng)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：內(nèi)部集成高精度RC時鐘，且從5～35MHz可選;內(nèi)部集成復位電路，8級復位門檻電壓可選;內(nèi)部集成E2PROM，用于保存用戶設置參數(shù)及標校參數(shù);可編程時鐘輸出，對系統(tǒng)時鐘1～65 536級分頻輸出。其高速度、高集成度的特點非常適合本設計的需要。
在本系統(tǒng)中CPU主要是對溫度值進行巡回檢測、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)顯示、同時檢測報警狀態(tài)、鍵盤輸入及通信數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換電路、濾波電路、多路模擬開關電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，是影響整臺儀器性能的關鍵。
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(wěn)定性好、精度高、測溫范圍大等優(yōu)點，而被廣泛應用。
測量儀表連接的溫度傳感器由鉑電阻和連接導線組成。在精確測量時連接導線的電阻對測量結(jié)果的影響不容忽視。工業(yè)上Pt100一般都采用三線制接法，在鉑電阻-端連接-根引線，另一端連接兩根引線，且三線長度、線徑、材質(zhì)一致，這樣就保證了三線的電阻相等為r。這種方式通常與補償電路配套使用，以消除導線電阻引起測量誤差。本文所使用三線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為導線等效電阻，VR為Pt100基準電壓同時也是A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。由歐姆定律可得基本關系式：
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，而與導線電阻r沒有關系，從而消除了導線電阻的影響。
3 硬件電路設計
3.1 電源電路
本文設計基于TOP414的開關電源，TOP414是集脈沖信號控制電路和功率開關器件MOSEFT于一體的電源控制芯片。具有高集成度、簡單外圍電路等特點，能組成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源。由圖3可知，輸入電源通過TOP414開關和高頻變壓器變壓，再經(jīng)過整流、電容濾波和電感平波，輸出直流電。高頻變壓器二次側(cè)有3個繞組，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行電壓取樣，通過光耦來控制脈沖控制開關的通斷，調(diào)節(jié)輸出功率。供電電源電路分別向系統(tǒng)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(tǒng)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電源通過線圈匝數(shù)比獲得。
3.2 Pt100信號選擇及放大電路
巡檢儀信號轉(zhuǎn)換電路由圖4中的17個信號檢測電路組成(由于版面所限，圖中僅繪出第1個、第2個和第17個)，實現(xiàn)將16路Pt100溫度傳感器輸出的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。其中第1路沒有外接Pt100傳感器，設置它的目的是為系統(tǒng)提供零電壓和參考電壓，用于彌補運算放大器放大倍數(shù)的誤差，余下16個電路的原理完全一致。
每路產(chǎn)生2個電壓信號分別由2個16×1多路切換器CD4067實現(xiàn)分時選通，2個CD4067的公共端和零電壓、參考電壓再由模擬開關CD4051選通。8位數(shù)據(jù)鎖存器74LS273用于I/O口的擴展，控制多路開關的地址碼。
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和模擬開關CD4051構(gòu)成一個可編程增益放大器。增益控制由CD4051模擬開關和電阻構(gòu)成，通過對CD4051地址碼的控制實現(xiàn)對輸入信號不同的放大倍數(shù)。為了有效地抑制共模干擾運放采用雙電源供電，-5 V發(fā)生電路參見圖5。
3.3 A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路
TLC7135是流行的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，其具有4位半的精度(相當于14位A/D)、自動校零、自動極性輸出、單基準電壓、動態(tài)字位掃描BCD碼輸出、抗干擾力強，穩(wěn)定性好等特點。美中不足的是其轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速度較低。盡管現(xiàn)在主流的是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，但高精度(>12位)的逐次逼近型A/D價格很高。TLC7135憑借其價格低精度高的優(yōu)勢，現(xiàn)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多講述。
TLC7135同樣采用雙電源供電，為最大限度利用單片機內(nèi)部資源，硬件上利用STC15F2K60S2可編程的時鐘輸出去推動二極管來產(chǎn)生負電壓。省去了價格較高的專用IC。工作原理如圖5所示，單片機8 MHz系統(tǒng)時鐘經(jīng)64分頻在P3.4腳輸出125 kHz時鐘信號，經(jīng)C22反相推動二極管D6，D7產(chǎn)生負電壓。由于二極管壓降的緣故，實際得到的負壓約為-4.3 V。由于本系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集，該方式結(jié)構(gòu)簡單、占用單片機I/O資源少。STC15F2K60S2的P3.2(INT0)引腳接TLC7135的BUSY引腳，用來接收A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。單片機的P3.0引腳接TLC7135的RUN/HOLD引腳，用來啟動A/D轉(zhuǎn)換。單片機的P3.1腳接TLC7135的POLARITTY引腳，用來判斷輸入電壓極性。TLC7135的時鐘同樣利用STC15F2K60S2的可編程時鐘輸出功能獲得，8 MHz系統(tǒng)時鐘經(jīng)32分頻在P3.5腳輸出250 kHz的脈沖信號，接至ICL7135的時鐘輸入管腳。
由圖6可知，TLC7135的A/D轉(zhuǎn)換周期為40 002個時鐘周期。串行接法是通過計脈沖數(shù)的方法來獲得測量結(jié)果的，通過設置單片機定時計數(shù)器時鐘與TLC7135時鐘頻率相同，設置INT0外部中斷為邊沿觸發(fā)，進入被測信號積分階段時，TLC7135的BUSY引腳變?yōu)楦?strong>電平，觸發(fā)單片機中斷，定時計數(shù)器立即啟動計數(shù)，在A/D轉(zhuǎn)換的基準電壓反積分階段結(jié)束時，TLC7135的BUSY端變?yōu)榈碗娖?，定時計數(shù)器停止計數(shù)，讀出定時計數(shù)器的計數(shù)結(jié)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鐘脈沖數(shù)的總和。由于被測電壓積分階段的時間是固定的，為10 000個時鐘脈沖，用定時計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果減去輸入積分階段的計數(shù)值10 000，即得到基準電壓反積分階段的計數(shù)值N。反積分階段的計數(shù)脈沖數(shù)與輸入電壓成線性關系，滿量程時對應的有效計數(shù)脈沖為20 000，可以得以下公式：
N=VIN/VMAX×20 000 (3)
式中：VMAX為TLC7135的滿量程電壓，由于TLC7135滿量程為2倍參考電壓即VMAX=2VREF，基準電壓反積分階段的脈沖數(shù)和輸入電壓滿足關系式：
N=VIN/VREF×10 000 (4)
經(jīng)過簡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(shù)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(shù)碼管，LED燈，按鍵，用于數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)指示及參數(shù)設置。為了盡量減少單片機I/O資源開銷，采用了動態(tài)刷新顯示方法。單片機控制點亮一個數(shù)碼管，然后關掉，再點亮第二個，4個數(shù)碼管周而復始地輪流點亮，一個輪流周期每個數(shù)碼管的點亮時間是極為短暫的，由于人的視覺停留及發(fā)光管的余輝效應，盡管實際上各個數(shù)碼管并非同時點亮，但只要刷新的速度足夠快，給人的視覺就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。
如圖7所示，4位數(shù)碼管各有8個顯示段，每位數(shù)碼管相同的段連在一起，由P0端口統(tǒng)一進行段驅(qū)動，而各個數(shù)碼管的共陽極則由另一個I/O進行驅(qū)動。P2.4用于驅(qū)動LED燈公共端，P2.5用于分時檢測按鍵輸入。驅(qū)動程序的設計思路是，P2.0-3端口控制三極管Q1，Q2，Q3，Q4輪流打開。例如P2.0輸出低電平，三極管Q1導通，數(shù)碼管DS1點亮，P0端口控制顯示相應的數(shù)字，LED1狀態(tài)如需點亮，P2.4輸出低電平，否則輸出高電平。同時檢測P2.5端口輸入，如為高電平說明按鍵S1被按下。為了嚴格地保證輪流周期和顯示時間，可以在單片機定時器中斷服務程序中進行動態(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(tǒng)電路完全隔離，接地以及電路之間沒有任何物理上的傳導連接。繼電器K1、K2用于某路溫度超過設定的報警值時，輸出機械接點信號，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拓撲的RS 485網(wǎng)絡中，以提高測量網(wǎng)絡的集中監(jiān)控能力。為了提高RS 485通信速度本設計采用了接收和發(fā)送自動轉(zhuǎn)換的零延時電路。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)。此時靠電阻R32和R35的下拉和上拉作用，使總線上產(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(shù)據(jù)的方式下，程序不必控制DE/RE，硬件完成接收和發(fā)送的轉(zhuǎn)換。
4 軟件設計
儀表整機軟件主要由3部分組成，數(shù)據(jù)采集與溫度計算程序、人機服務程序、通信程序。為了保證各子程序協(xié)調(diào)運行，需要通過中斷機制實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集與溫度計算程序在主循環(huán)里運行，人機服務在定時中斷里完成，通信任務在串行通信中斷服務程序中完成。
數(shù)據(jù)采集與溫度計算程序要對16路溫度進行循環(huán)采集，通過單片機P0端口對多路開關的地址引腳控制而實現(xiàn)通道選擇。一共用了17路數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都要經(jīng)過通道選擇，A/D轉(zhuǎn)換處理，溫度計算等操作。
人機服務程序是實現(xiàn)儀器的顯示及人工操作，由于數(shù)碼管和LED指示燈采用動態(tài)刷新顯示，為了保證動態(tài)刷新周期，人機服務程序安排在定時器中斷里運行。
RS 485通信訪問方式為主從方式，本儀表處于從機地位。儀表收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)MODBUS RTU通信協(xié)議將主機要求的信息發(fā)送到RS 485網(wǎng)絡中，主機可以讀取16路溫度、報警設定數(shù)據(jù)，以及重新設置相關參數(shù)。
5 結(jié)語
本文基于STC15F2K60S2實現(xiàn)了多路溫度傳感器測量，系統(tǒng)設計緊湊、成本低、功能強大，且適用范圍非常廣泛。每個通道通過參數(shù)設置及變換電路稍加更改即可接受不同的輸入類型，如熱電偶、熱電阻、線性電壓、線性電流、線性電阻，可與各種傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)對溫度，壓力、液位等物理量測量，為工業(yè)系統(tǒng)集成提供了一個很好的硬件平臺。
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