自动检测及仪表控制系统项目设计——多点温度检测系统

董祺宁 张泽 张昭

摘 要：本文基于自动检测技术，设计了一种仪表控制系统--多点温度检测系统，包括整体结构设计，传感器选型，检测和转换电路设计，对生产工程中的温度进行准确测量和可靠控制。

关键词：温度 ；传感器；自动检测

1.引言

温度是一个重要的物理量，它是国际单位制（SI）7个基本物理量之一，也是工业生产中的主要参数之一。物体的许多性质和现象都与温度有关，很多重要的过程只有在一定的温度范围内才能有效地进行。因此，对温度进行准确的测量和可靠地的控制，在工业生产和科学研究中均具有重要意义。现设计一种多点温度检测系统。

2.温度的检测原理和方法

温度测量方式有接触式和非接触式两大类。采用非接触式测温时，温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，二者需要良好的热接触，以获得较高的测量精度。但是他往往会破坏被测对象的热平衡，存在置入误差。由于测量环境的特点，对温度敏感元件的结构和性能要求较高。采用非接触式测温方法，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热核辐射，由热辐射能的大小，推出被测对象的温度。用这种方法测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。

3.整个系统的结构

此处以两个温度监测点为例，温度检测单元收集来自温度检测点的信息，通过一定的电路输入主控单元，经过处理，送入显示器显示出温度检测点的温度信息，键盘相关电路可实现对主控单元的控制。检测单元的温度信息也可传入PC机，经由打印机打印。

主控单元运用Intel公司的8051单片机，运用复位电路，时钟电路，串口，I/O口，实现对系统的控制。

4.传感器选型及参数说明

采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从-200℃～+650℃。

5.检测和转换电路的设计方案

检测器部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、变送器、A/D转换电路以及与主控器或PC机的通信电路等。

采样电路将从温度传感器获取的信息送入变送单元。

变送单元在控制系统中起着重要作用，它将温度等过程参数转换成相应的统一标准信号，以供系统显示或进行下一步的调整控制作用。本课题选用常规的DDZ- III型系列热电偶温度变送器。

这里选择结构简单的串行输出的TLC2543作为A/D转换器件，TLC2543是带串行控制和11个输入端的12位开关电容逐次逼近模数转换器，具有片内采样-保持功能，转换结束标志引脚指示转换的完成。器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点，在整个温度范围内具有较小的转换误差。当然在本课题中，每个检测器只有一路温度测量，因此只用TLC2543的一路输入即可，

6. 单片机系统设计

本课题运用Intel公司的8051进行系统控制，运用到了复位电路，时钟电路，串口，I/O口。

复位电路：复位操作完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。当89c51单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，單片机就完成了复位操作，如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序，因此要求单片机复位后能脱离复位状态。复位操作通常有上电和开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化过程，其中包括程序计数器PC=0000H，P0-P3=FFH，SP=07H，其他寄存器处于零，程序从0000H地址单元开始执行，单片机复位后不改变片内RAM区中的内容。

时钟电路：89c51单片机的时钟信号通常用内部振荡和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAX2外接晶体振荡器，就够成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。内部振荡器方式如下。

串口：89c51单片机串口主要由两个数据缓冲寄存器SBUF和一个输入移位寄存器组成，其内部还有一个串行控制寄存器SCON和一个波特率发生器。接受缓冲器与发送缓冲器占用同一个地址99H，其名称亦同样为SBUF。CPU写SBUF，一方面修改发送寄存器，同时启动数据串行发送；读SBUF，就是读接受寄存器，完成数据的接受。特殊功能寄存器SCON用以存放串行口的控制和状态信息。根据对其写的控制字决定工作方式，从而决定波特率发生器的时钟是来自系统时钟还是来自定时器T1。特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为串行口波特率的倍增控制位。

89c51单片机的串行口正是通过对上述专用寄存器的设置，检测与读取来管理串行通信。在进行通信时，外界的串行数据是通过引脚RXD输入的。输入数据先逐位进入输入移位寄存器，在送入接受SBUF。在此采用了双缓冲结构，为了避免在接受到第二帧数据之前，CPU未及时响应接受器的前一帧的中断请求而把前一帧数据读走，造成两帧数据重叠的错误。对于发送器，因为发送时CPU是主动的，不会产生写重叠问题，不需要双缓冲器结构，为了保持最大传送速率，仅用了SBUF一个缓冲器。

I/O口：单片机的I/0 口一般是双向的，既可以做输入，也可以做输出。以51系列为例，其P0、P1、P2、P3均为双向口，且可位操作。

89c51单片机内部有P0、P1、P2、P3四个8位双向I/O口，外设可直接连接于这几个接口上，而无须另加接口芯片。P0-P3的每个端口可以按字节输入或输出，也可以按位进行输入或输出，共32根口线，用作控制十分方便。P0口为三态双向口，能带8个TTL电路。P1、P2、P3口为准双向口，负载能力为4个TTL电路，如果外设需要的驱动电流大，可加接驱动器。

P0口具有双重功能：可以作为输入/输出用，外接输入/输出设备；在有外接存储器和I/O接口时常作为低8位地址/数据总线，即低8位地址与数据线分时使用P0口。此时低8位地址由ALE信号的下跳沿使它锁存到外部地址锁存器中，尔后，P0口出现数据信息。

P1口具有单一接口功能，P1口每一位都能作为可编程的输入或输出口线。

P2口具有双重功能：作为输入口或输出口使用，外接输入/输出设备；在有外接存储器I/O接口时，作为系统的地址总线。输出高位地址，与P0口低8位地址一起组成16位地址总线。

P3口为双重功能口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备；作为第二功能使用。

7.结论

项目根据实际需要完成了多点测温系统的设计和实现，包括整体结构设计，传感器选型，检测和转换电路设计等，将仪表控制系统相关技术运用于实际，还运用到单片机的相关技术。

参考文献：

[1] 张毅.《自动检测技术及仪表控制系统》-- -化学工业出版社.

[2] 李朝青.《单片机原理与接口技术》 ---北京航空航天出版社.