基于單片機(jī)的具有通訊口的智能溫控表設(shè)計(jì)

1　引言
  溫控表已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，本文介紹的具有計(jì)算機(jī)通訊功能的智能溫控表是一種新穎的自動(dòng)化儀表，它以單片機(jī)AT89C52為核心，采用電壓／頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)和RS－485通信接口芯片MAX487，具有測量精度高、可靠性好、抗干擾性能強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于冶金、紡織、化工、醫(yī)療等行業(yè)。它具有－200～＋500°C范圍的溫度測量和自動(dòng)控制，是老式溫控表的替代產(chǎn)品，市場前景廣闊。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
   系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)接通220V交流電源后，通過穩(wěn)壓電路（7805、7905）產(chǎn)生±5V直流工作電源，以滿足本系統(tǒng)中集成電路工作需要，系統(tǒng)的遙測電路開始工作：在人員不能進(jìn)入或不易進(jìn)入的場合，通過溫度傳感器鉑電阻PT100及運(yùn)算放大器OP07將被測溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由LM331進(jìn)行V／F變換為脈沖信號(hào)輸入至89C52的T0口進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)脈沖頻率即反映了所測溫度的大小，系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算，若所測溫度與系統(tǒng)設(shè)定溫度不相符，根據(jù)PID計(jì)算結(jié)果通過光耦TIL117控制輸出電路中的電磁繼電器吸合，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的控制，同時(shí)各分機(jī)的通訊口MAX487與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊與傳送，由主機(jī)輸入?yún)?shù)可進(jìn)行所有溫控表的溫度設(shè)定。系統(tǒng)所設(shè)定的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于看門狗芯片X25045中，同時(shí)當(dāng)檢測溫度超過設(shè)定溫度一定值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。本系統(tǒng)采用一片8155作為8位LED數(shù)碼管及4位鍵盤的接口，同時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)定溫度及檢測溫度值，4位鍵盤為：位選、增量、減量、功能。

2．1　溫度檢測與信號(hào)放大電路
   本系統(tǒng)采用鉑電阻PT100為測溫元件，PT100具有性能穩(wěn)定、抗氧化能力強(qiáng)和測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。由PT100和電阻元件組成的橋式電路將由于溫度變化引起的鉑電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入放大器。因需通過連接導(dǎo)線將安裝在測量現(xiàn)場的鉑電阻接入控制臺(tái)，為了減小引線電阻的影響，采用三線式接線法。

　　信號(hào)放大電路由集成運(yùn)放OP07組成，OP07的噪聲峰－峰值為0．6μV，共模扼制比CMRR＞106dB，OP07的管腳功能：IN＋和IN－為信號(hào)差動(dòng)輸入端，1、8腳為調(diào)零端，6腳為輸出端。

2．2　電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路（LM331）
   在控制和測量系統(tǒng)中，一般由AD轉(zhuǎn)換器件將電量或非電量通過傳感器和前置電路接入后續(xù)電路處理。本系統(tǒng)采用V／F轉(zhuǎn)換器LM331將溫度信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的處理。

　　LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比高、外圍電路簡單、可單電源供電、低功耗的集成電路。LM331動(dòng)態(tài)范圍寬達(dá)100dB，工作頻率低到0．1Hz時(shí)尚有較好的線性度，數(shù)字分辨率達(dá)12位。LM331的輸出驅(qū)動(dòng)器采用集電極開路形式，因此可通過選擇邏輯電流和外接電阻來靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同邏輯電路。LM331可工作在4．0V～40V之間，輸出可高達(dá)40V，而且可以防止VCC短路。

　　本系統(tǒng)中，LM331將輸出的頻率信號(hào)變成TTL電平送給單片機(jī)的P3．4口作為T0的計(jì)數(shù)脈沖。該轉(zhuǎn)換電路線性良好，抗干擾能力強(qiáng)，輸出范圍在10Hz～10kHz以上，有利于提高系統(tǒng)的測量范圍。
LM331主要管腳功能：

　　RC：參考電流輸入端；CO：電流輸出端；FO：頻率輸出端；CI：電壓輸入端。

2．3　CPU及外圍電路
   AT89C52是ATMEL公司生產(chǎn)的MCS－51系列單片機(jī)，內(nèi)置8K字節(jié)電擦除可編程EEPROM片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)RAM，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器空間能滿足本系統(tǒng)程序存儲(chǔ)之需要，可省去片外EPROM程序存儲(chǔ)器和地址鎖存器，使電路結(jié)構(gòu)簡捷。

    TXD、RXD、P1．5、P1．6分別與MAX487的DI、RO、 、DE相聯(lián)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊控制，P1.0～P1.4口、RESET接至X25045ALE、P0口、P2．0、P2．1接至8155。P3．4口計(jì)數(shù)器T0輸入端接至LM331的頻率輸出端進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。P1．7口為光耦TIL117控制端。

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及故障保護(hù)部分由X25045組成，X25045是一種串行通訊的512字節(jié)EEPROM，同時(shí)兼有看門狗和電源監(jiān)控功能。X25045有三種可編程看門狗周期，上電和VCC低于檢測門限時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)，X25045輸出復(fù)位高電平有效，其復(fù)位輸出端直接與89C52的復(fù)位端連接。

　　X25045管腳功能：片選輸入；SO：串行輸出；SI：串行輸入；SCK：串行時(shí)鐘輸入；WP：寫保護(hù)輸入；RESET：：復(fù)位輸出。

2．4　通訊口（MAX487）
    本系統(tǒng)采用RS－485接口芯片MAX487作為通訊口。MAX487是MAXIM公司生產(chǎn)的用于RS－485和RS—422通信的差分總線小功率收發(fā)器，它含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，具有驅(qū)動(dòng)器／接收器使能功能，輸入阻抗為1／4負(fù)載（≥48kW），節(jié)點(diǎn)數(shù)為128，即每個(gè)MAX487的驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)128個(gè)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載。MAX487的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成限斜率方式，使輸出信號(hào)邊沿不至于過陡，以避免在傳輸線產(chǎn)生過多的高頻分量，從而有效扼制了干擾現(xiàn)象。MAX487的接收靈敏度為±200MV，即接收端的差分電壓≥＋200MV時(shí)，接收器輸出為高電平，≤－200MV時(shí)接收器輸出為低電平，介于±200MV之間時(shí)接收器輸出為不確定狀態(tài)，因此，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收器在總線空閑、傳輸線開路或短路時(shí)產(chǎn)生低電平，將使串行接收器找不到起始位，從而引起通信異常，為此，本系統(tǒng)在硬件上作了處理：將MAX487的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，保證在發(fā)出有效數(shù)據(jù)時(shí)所有接收器能接收到完整的數(shù)據(jù)。

　　MAX487的數(shù)據(jù)傳輸速率為0．25Mbps，靜態(tài)工作電流為120μA，5V單電源工作，在本系統(tǒng)中，MAX487采用半雙工通信方式，各節(jié)點(diǎn)間的通信通過一對(duì)雙絞線作為傳輸介質(zhì)，因雙絞線的特性阻抗為120Ω，因此系統(tǒng)在MAX487的始端和末端各接一個(gè)120Ω電阻以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。由于主機(jī)與分機(jī)相隔較遠(yuǎn)，而分機(jī)系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一時(shí)刻完成，如在此時(shí)某個(gè)MAX487處于發(fā)送狀態(tài)，將占用通信總線而使其它分機(jī)無法與主機(jī)進(jìn)行通信，本系統(tǒng)在89C52的P1．6口與MAX487的DE端之間加接光耦TIL117，保證了系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)MAX487的DE端為“0”，有效解決了這個(gè)問題。

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　　MAX487主要管腳功能：RO：接收器輸出端； ：接收器輸出使能端， 為“0”時(shí)RO被使能；DE：驅(qū)動(dòng)器輸出使能端；DI：驅(qū)動(dòng)器輸入端；A：接收器同相輸入端和驅(qū)動(dòng)器同相輸出端；B：接收器反相輸入端和驅(qū)動(dòng)器反相輸出端。

3　控制軟件的設(shè)計(jì)
   該系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序和子程序及中斷服務(wù)程序組成。主程序流程圖如圖2所示，主要子程序包括：顯示子程序；鍵盤掃描子程序；PID運(yùn)算子程序。限于篇幅，具體程序略。

4　結(jié)束語
    該智能溫控表測量精度高，性能穩(wěn)定可靠，不但可以取代老式的溫控表，還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)高效數(shù)據(jù)管理，是現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中實(shí)用的智能化儀表。