基于单片机的温度测控系统

2014-11-28余红英孙甲凯何昌东

山西电子技术 2014年1期

范敏，余红英，孙甲凯，何昌东

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051)

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途［1］。

1 系统结构及工作原理

根据应用系统的要求及软硬件功能的划分，初步确定应用系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统总体工作原理框图

利用温度传感器AD590 可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过ADC0809 处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警限比较，超过限度后通过扬声器报警。同时处理后的数据送到LCD 中显示［2］。

1.1 系统硬件设计

1.1.1 微处理器选择和主机系统设计

由于本设计对控制精度要求不高，控制功能一般，故选择常用的MSC－51 系列单片机中的STC89C58 作为微处理器。片外程序存储器选用2732，容量为4 k ×8 位。因采集和处理的数据不多且不需要保留，估计数据存储器使用片内的即能满足要求。其中，硬件元器件STC89C58 有40 条引脚，有两条专门用于电源的引脚，两条外接晶振的引脚，四条控制或与其他电源复用的引脚，32 条I/O 引脚。

1.1.2 输入通道设计

输入通道只有一个，包括温度传感器、放大器和A/D 转换器三部分。本次设计的温度检测范围属于低温，适用于低温的检测元件有热电偶、热敏电阻、集成温度传感器等。

1)这里采用集成温度传感器AD590。这种传感器是一个双端元件，其工作温度范围为－55 ℃～+150 ℃，要求工作电源为直流+4 V～+30 V。它能把温度信号变为与绝对温度成比例的电流信号，比例因子为1 uA/K。其稳定性高，线形度好，测温误差有±1、±0.5、±0.3 几种等级。

AD590 本身产生的电流信号，通过运算放大器TD07 对电流做加法运算。在运放输出端可得到合适的电压信号，作为A/D 转换的输入。电阻RP1、RP2 的选择原则是使运放输出电压为0;当温度为60℃时，调节RP2 使运放输出电压为4.69 V。如果0 ℃不能实现，也可以在另外一个温度点上(如室温)来调整。0 V 和4.69 V 经A/D 转换后的数字量为00H 和F0H(240)，这样对应1 ℃的数字量为04H，便于进行温度的标度变换［3］。

AD590 是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590 的后缀以I，J，K，L，M 表示。AD590L，AD590M 一般用于精密温度测量电路，它采用金属壳3 脚封装，其中1 脚为电源正端V+;2 脚为电流输出端I0;3 脚为管壳，一般不用。

AD590 的工作原理是在被测温度一定时，AD590 相当于一个恒流源，把它和5～30 V 的直流电源相连，并在输出端串接一个1 kΩ 的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1 mV/K 的电压信号。

2)本系统的运算放大器采用TD07。TD07 高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中［4］。

3)本系统的AD 转换芯片采用ADC0809。ADC0808 是精度为8 位的CMOS 器件，不仅包括一个8 位的逐次逼近型的ADC 部分，而且还提供一个8 通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8 个单端的模拟信号分时进行A/D 转换［5］。

1.1.3 输出通道设计

输出通道有3 条，分别控制3 台电炉通电和断电。这是3 条具有相同结构的开关量输出通道，拟采用前面介绍的光电耦合双向晶闸管驱动电路。

2 系统软件设计

2.1 软件总体设计

应用程序结构采用中断方式，由定时器发出定时中断申请。主程序进行系统初始化，包括定时器、I/O 口和中断系统的初始化，等待定时中断。在中断服务程序中，先判断是否到30 s。若不到30 s，则返回;若到30 s，进行以下操作:拨盘设定值检测、温度检测、标度变换、温度显示和温度控制，并根据温度检测值决定是否报警。

在应用程序总体结构中，将以下6 个功能程序作为模块程序:温度设定输入、温度检测、温度值标度变换、温度显示、温度控制和报警程序模块。

2.2 程序模块设计

下面说明温度检测和温度控制这两个模块的程序设计。

1)温度检测程序模块。温度检测程序的功能是连续进行4 次A/D 转换，求取转换结果的平均值，存入内部50 H单元，A/D 转换采用查询方式。

2)温度控制程序模块。温度控制程序的功能是将温度实测值(存于50H)与设定值(存于51H)作比较，如测值高于设定值1 ℃(注意，此值小于要求误差2 ℃，对应的数字量为04H)，则关闭1 台电炉;如实测值低于设定值，则接通一台电炉;否则不与调节。3 台电炉接通的顺序是3#、2#、1#，这样可以保持电炉的通断具有相对稳定性。

3)主程序和中断服务程序设计。在定时中断服务程序中，各功能程序都已模块化，可直接调用。

先说明30 s 定时的实现方法。当振荡频率为6 MHz时，STC89C58 内部定时器的最大定时值为131 ms。要实现30 s 定时，需要另外设置一软件计数器。现使定时器T0 工作于方式1，定时时间为130 ms，则其时间常数为: