基于单片机的温度数据采集器

摘 要：介绍了基于单片机的多通道温度数据采集器的设计，采用AT89C52单片机作为CPU，设计了能与多种温度传感器配合使用的信号调理接口电路，并且提出基于软、硬件相互配合解决了热电偶测量过程中冷端温度补偿的方法，通过分析干扰对系统的危害性，设计了“看门狗”电路；设计了RS 485串行通信接口，以便与上位机进行数据通讯。同时设计了一部分和硬件配套的软件,编写了串行通讯程序和A/D转换子程序。

关键词：数据采集；冷端补偿；数据通讯;热电偶测量

中图分类号：TP274文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1911004

Temperature Data Acquisition Instrument Based on the Single Chip Computer

WU Lin,YANG Lin,ZHAO Guifeng

(Dalian Polytechnic University,Dalian,116034,China)

Abstract：The design process of multi-channel data acquisition instrument based on the single chip computer is introduced.Using AT89C52 single chip computer as CPU,the interface circuit of signal mediation to interface with many sensors are designed,and a method based on software and hardware to solve the problems of cold junction compensation of thermocouple in the course of measurement.According to analyze the fatalness of the anti-jamming to the system,"watching dog timer"and RS 485 communication interface in order to communicate with PC are designed.At the same time,a part of corresponding software,series communication and A/D convert programmer are designed too.

Keywords：data acquisition;cold junction compensation;data communication;thermocouple measurement

在炼钢过程中，测量钢水的检测环境极为恶劣，尤其是转炉，钢水温度达1 500~1 700 ℃，有时甚至超过1 750 ℃，而且测量过程中钢水液面激烈搅动，强烈冲刷传感器，因此，在类似于钢水温度测量的特种温度测量中，传感器一般都有其特殊要求。现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通信的通信规程，是互相操作以及数据共享的公共协议。基于这一应用背景，本采集器支持现场总线，采用RS 485标准与上位机通讯，大大拓展了本采集器的应用范围。

1 温度传感器的选用

温度检测有许多方法，但本采集器应用于高温测量，只能处理由温度信号转变来的电压信号，因此采用热电偶来作为温度检测的方法。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广，目前己经在许多场合应用。

本采集器本着通用性出发，设计时考虑到应适合多种热电偶测量，这样能大大提高采集器使用范围，用户可根据不同的测温范围选择相应的热电偶。本采集器采用5种热电偶，分别是：铂铑／铂热电偶，镍铬／考铜热电偶(双铂锗)热电偶，铜/康铜热电偶，镍铬-镍硅热电偶。用户可以根据实际测量温度范围选择合适的热电偶，以便满足使用要求又不浪费。

在一定温度范围内，与所用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。若与所配用的热电偶正确连接，其作用是将热电偶的参考端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方。通过使用补偿导线，可以改善热电偶测温线路的机械与物理性能，同时降低测量线路的成本。

在一定温度范围内，补偿导线热电性能与热电偶基本一致。它的作用只是把参考端移至离热源较远或环境温度恒定的地方，但不能消除参考端不为零度的影响，因此必须进行冷端补偿。热电偶冷端(参考端)通常放在室内为室温，则需要对查表得到的温度进行冷端补偿。

传统的方法，通常采用冷端补偿器来进行冷端补偿。每支热电偶必须配上相应的冷端补偿器和补偿导线，由于加入的补偿导线的差异会带入一定的误差，而且接线较多、安装不便。因此采用辅助测温元件微型计算机补偿法。该方法的基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件安装一个测温元件，用以检测传感器所在环境的温度。测温元件的输出经放大及A/D转换送至计算机进行处理。如图1所示。

我们用的测温元件是金属膜电阻，它的测量精度高，价格便宜。金属膜电阻可以用二线制、三线制、四线制接法。工业用的一般是三线制，消除导线电阻的测量误差。金属膜电阻不需用补偿导线传输信号，用普通电缆即可传输信号,这样可以降低成本。三线制接法如图2所示。

在此电路中，铜线绕制的热电阻Cu50起冷端补偿作用。当热电偶的热电势EAB随冷端温度的变化而变化时，铜电阻Cu50两端的电压也随之反方向变化，R3的阻值根据采用的热电阻分度号不同而取不同的值，如Pt100测量时取100 ℃，Cu50测量时取50 ℃。这样才能保证参比端温度为0 ℃所对应的电压输出也是0。A和B两点的电位差EAB是热电偶参比端温度为T0时所对应的校正值。一般R1＝R2＞＞R3。

2 硬件电路设计

2.1 系统总体设计

采集器总体框架如图3所示。

整个采集器除感温元件外，主要由放大电路、数据转换电路、单片机以及信号调理电路组成。感温元件检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于温度测量元件的输出电压非常小，因此必须经过放大后才能被准确测量。电压信号经过A/D转换后变成数字信号，由单片机进行数据处理及进行相应的操作。

2.2 信号输入部分设计

2.2.1 模拟信号输入部分总体设计

热电偶出来的是微弱的模拟电压信号，首先经过滤波电路消除干扰，然后经过放大器将微弱的电信号放大为与A/D所匹配的输入电压。由于单片机只能处理数字信号，故需对这些信号进行A/D转换，变为数字信号。该部分主要由滤波电路，一片集成运算放大器OP07和1片8选1的模拟开CD4051组成增益可调的放大电路，输入信号和冷端补偿信号通过另一片8选1的模拟开关CD4051引入，采用一片ICL7135将输入的模拟信号转变为数字信号送入数据存储器。输入部分电路如图4所示。

2.2.2 芯片选择与原理图设计

（1） 滤波电路

为使信号在进入采集电路或接口电路之前就消除或减弱这种干扰，可在信号线上加上滤波器。电阻R和电容C组成R-C滤波器。在信号线间采用R-C法滤波，会对信号造成一定损失，对于特别微弱信号，当采用此法抑制干扰时，应当注意这一点［1］。

（2） 模拟多路开关

在该设计中，热电偶的冷端和采集器处于同一温度下，为了实现热电偶的冷端补偿，就必须测量出所处环境的温度，在此采用金属膜电阻作为环境温度的检测元件，其输出同样是模拟信号，因此也必须经过A/D转换器进行转换，此外，该采集器可以测试多个点，相应有多路信号，为了降低成本，多路输出的电压信号共用一个A/D转换器，因此就要用到多路转换开关，实现多路信号的选择。选用的CD4051是单片集成的CMOS8通道模拟多路开关，它有3个输入端A,B,C和一个禁止端INH。从A,B,C输入的信号用来选择8个通道中的一个。INH=1时，通道断开，禁止模拟量输入；当INH=0时，通道接通，允许模拟量输入。

（3） 放大器

热电偶的输出电压经过滤波和多路选择开关后，将输出电压送给放大器进行放大，以便放大后的输出电压和A/D转换器的量程相匹配。本文选用低温漂高精度集成运算放大器OP07，精度可达到±0．1 ℃，满足测量精度的要求。它输入阻抗高,共模抑制比大，将传感器送来的微弱直流电压信号放大后输出给ILC7135。由于本采集器可测量多路信号，每路信号大小不同，但又共用一个A/D转换器，因此每路信号的增益不同，为此利用多路模拟开关CD4051和运放OP07来组成一个多增益的放大器，使它们将各自输出的微弱电压信号经过不同放大倍数的放大后都能达到A/D转换器的满量程。

（4） A/D转换器的选择

鉴于温度信号的特点，选用双积分式A/D转换器ICL7135。ICL7135的时钟信号源于AT89C52的T2计数器，同时接至AT89C52的T1，利用T1计数器记录BUSY为高电平时的时钟周期数。BUSY信号接至AT89C52的外部中断INT1，其意图有两个:第一,控制T1计数。当T1计数器工作于方式1时，通过软件设置GATE为“1”时，T1计数受INT1控制，当INT1（即BUSY）为高电平时，T1可对来自外部的脉冲（即ICL7135的时钟周期）计数，INT1为低电平时，停止计数；第二，当BUSY信号由高电平跳变为低电平瞬间，以中断形式通知CPU，读出A/D转换后的数字码。

（5） 看门狗电路

根据设计的要求这里选择美国公司的X5045芯片Watchdog。该芯片集Watchdog、电压监控和E2PROM三种功能为一体，只占用单片机4个I/O口，可以起到可编程看门狗，监控电源复位，断电后保存数据等功能。这种组合降低了系统成本并减少了对电路空间的要求。本文采用的X5045的看门狗定时器对单片机提供独立的保护系统。若单片机没有访问X5045（即表示系统出现故障），看门狗将输出RESET信号，将其RESET输出端置为高电平。延时约200 ms后，RESET端由高电平变为低电平，将单片机复位。

电压监控上电时，电源电压高于4.5 V后，经约200 ms的稳定时间，RESET信号由高电平变为低电平；掉电时，电源电压低于4.5 V时，RESET信号立即变为高电平直至电源电压恢复稳定为止。这样就保证了单片机可靠复位以及电源电压不稳定时，单片机不会出现死机和错误动作。

（6） 通讯部分设计

本数据采集器是支持现场总线的，它和主机之间就应该能够进行相互通讯，互传数据信息，这种信息的交换和传输通过通信接口和数据总线来进行。基于本设计的实际应用性，我选择RS 485接口。RS 485接口芯片采用MAX487E，这种芯片功耗低，采用一对双绞线实现半双工RS 485网络的连接，数据传输速率可达10 Mb/s，通信距离可达1 200 m［2］。

（7） 电源模块设计

本设计中需要的电源有模拟电源±5 V，数字电源+5 V。由于工业现场提供的是24 V直流电，这就需要实现DC-DC之间的变换。本文选用常用的DC-DC转换器MC34063,它是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5 A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

模拟电源和数字电源混合供电，彼此之间会产生干扰，供电电源的不稳定会严重影响系统的精度。为了减少干扰的影响，模拟电源和数字电源应采取隔离措施，分别供电。在此采用隔离变压器将系统中的数字5 V和模拟5 V隔开。单片机系统应用各种稳压器以提供系统所需的各种电源。78、79系列集成稳压器是串联调整稳压器。

3 软件设计

3.1 采集器软件总体设计

整个温度检测过程是在程序控制下工作的，该采集器的软件全部采用汇编语言编写，以提高采集器的快速性和实时性。其设计方法与硬件设计相对应，同样采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，分别进行设计、编制和调试，最后通过主程序和中断处理程序将各程序模块连接起来。这样有利于程序修改和调试，增强了程序的可移植性。整个软件系统主要有以下几部分:主程序、数据采集、数据变换处理、串行通讯及系统监控等程序。

3.2 主程序设计

采集器的主程序设计主要完成系统初始化、中断优先级设定以及判断调用各模块程序，即主要实现各程序模块的连接。本采集器软件设计串行通讯程序级别最高，单片机首先检测上位机是否有命令，如果有则按其命令要求执行。如果没有则执行别的任务。程序框图如图5所示。

3.3 数据采集子程序设计

该部分主要实现将来自热电偶传感器的模拟信号转换为数字信号的功能。由电路连接图可知，ICL7135转换器工作于中断方式。当ICL7135转换完毕时，BUSY由高电平变为低电平，通过INT0而向AT89C52请求中断。该程序主要有A/D转换器启动程序、中断等待转换结束、读取转换结果并存入RAM等几步。程序框图如图6所示。

3.4 串行通讯程序设计

AT89系列单片机内部有一个功能很强的全双工串行口，该口有四种工作方式，以供不同场合使用。波特率可以由软件设置，由片内的定时器/计数器产生。接收、发送均可工作在查询方式和中断方式，使用十分灵活。AT89系列单片机内部的串行口，有2个物理上独立的接收、发送缓冲器SUBF，可同时发送、接收数据。发送缓冲器只能写入数据不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入，两个缓冲器占用同一地址(99H)。

为了确保通讯成功，通讯双方必须在软件上有一系列的约定，即软件协议。本程序约定如下：

(1) 波特率设置：T1方式2工作，波特率9 600，计数常数FAH,晶振11.059 2 MHz,SMOD=1。

(2) 串行口初始化：方式1，允许接收。

(3) 中断服务程序入口：0023H。

为了保证通讯的可靠性，通常波特率相对误差不大于2.5%,这一点在设置波特率时要注意［3］。

程序流程图如图7所示。

参考文献

［1］刘君华.现代检测技术与测试系统设计［M］.西安：西安交通大学出版社，1999.

［2］MAX481E/MAX483E/MAX485E/MAX487E-MAX491E/MAX1487E,±15KV ESD-Protected，Slew-Rate-Limited，low-Power，RS 485/RS 422 Transceivers，Maxim Integrated Products.

［3］张毅刚,彭喜源，潭晓昀，等.MCS-51单片机应用设计［M］.2版．黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1997.

［4］高光天.传感器与信号调理器件应用技术［M］.北京：科学出版社，2002.

［5］何道清.传感器与传感器技术［M］.北京：科学出版社，2004.

［6］胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京：清华大学出版社，1996.

［7］杨振江.A/D、D/A转换器接口技术与实用线路［M］.西安：西安电子科技大学出版社.1996.

［8］Stratakos Anthony John.High-efficiency Low-voltage DC-DC Conversion for Portable Applications ［D］.University of California,Berkeley,1998.

［9］马明建,周长城.数据采集与处理技术［M］.西安：西安交通大学出版社，1998.