1、1 引言在當今工業化大生產日趨發張的過程中，檢測生產過程溫度變化的智能溫度巡檢儀也被賦予很大的作用，在生產工業生產中起著不可替代的作用。目前溫度巡檢儀的設計技術已基本成熟，設計方案也各種各樣，許多心的設計方案也層出不窮，當然隨著當今電子技術的不斷進步，溫度巡檢儀的設計也只能是越來越自動化、智能化，在生產中所發揮的作用也會更加的高效。 隨著社會的發展和超大規模集成電路的出現，與其他獨立的電子元件相比，單片機具有體積小，價錢便宜，控制能力強等優點，在工業、消費品、軍事、通訊等領域的應用越來越廣泛，利用單片機來設計的新產品實現不同程度的智能化將是歷史發展的趨勢，各種各樣的設備也將會隨著單片

2、機的發展而更新換代。應用單片機來設計的新產品具有新穎，結構緊湊和設計靈活、方便等特點。2 總體設計2.1.硬件總體方案 主機電路采用以8位單片機為核心的方案，片內要有足夠多的資源，盡量減少擴展外部功能芯片，減小體積，降低造價。單片機要有如下資源：   1.足夠的片內程序存儲器，容量不小于20kb   2.足夠的片內數據存儲器，容量不小于256b         3.定時器/計數器不少于3個。（通訊和a/d轉換要求）。    &

3、#160;   4.中斷源不少于3個       5.有串行通訊接口       6.有通用i/o接口 為保證測量精度，前向通道a/d分辨率不低于12位。為了降低造價，8路溫度通道通過多路開關技術，公用一個放大器、一個轉換器。 后向通道的多路模擬量輸出，采用一個d/a轉換器，路保持器，利用軟件定時刷新的方法實現多路模擬量輸出。 人機接口的顯示器采用led數碼管，其亮度高，有效觀測距離遠，成本低。按鍵采用薄膜按鍵，手感好，壽命長

4、。  通訊接口采用rs-485傳輸技術，方便按照總線式網絡拓撲組成局域測量網絡，而且rs-48傳輸技術成熟，成本低。2.2軟件總體方案 軟件任務比較簡單，不需要嵌入操作系統，主要包括監控程序、人機服務程序、數據采集處理程序、通信服務程序幾部分。為了保證實時性要求，提高運行效率，采用asm51匯編語言編制。 2.3外形結構方案  按盤裝儀表結構設計，其外形結構尺寸、安裝尺寸、安裝方式、接線方式與常規測試儀表保持一致，便于替代傳統測試儀表。 3 硬件系統設計8路溫度巡檢儀的硬件由主機電路、前向通道、后向通道、人機接口電路、通信接口及供電電源幾部分組

5、成，如圖所示。其中，主機電路由cpu、數據存儲器、程序存儲器、eeprom存儲器、定時器/計數器、通用異步串行收發器、中斷控制器、wdt定時器及通用并行接口等部件組成；前向通道電路由pt100轉換電路、濾波電路、多路模擬開關電路、放大電路、a/d轉換電路組成；后向通道電路由d/a轉換電路、多路模擬開關電路、v/i轉換電路、繼電器驅動電路組成；人機接口電路由按鍵和led數碼管組成；通信接口電路由rs-485接口電路組成；供電電源電路分別向系統數字電路提供邏輯5v電源，向模擬電路提供±12v與±5v模擬電源。3.1  主機電路設計 主機電路中主要包

6、括 at89c55wd單片機和x5045芯片， 就可以滿足系統對硬件資源的 需求，硬件電路原理圖2-3所示。上電復位：若圖中電阻取wk，當系統上電時，將在的引腳產生一個高電平有效的復位信號，該信號接到單片機的復位引腳，實現單片機的上電復位。 電源電壓監測：工作時，監視跌落到一個確定的數值時，的復位引腳將發出一個高電平有效的復位信號，使單片機復位。只要跌落到一個確定的數值以下，并保持在以上時，能夠發出單片機需要的高電平的復位信號，保證單片機可靠復位。這就保證在一旦跌落到單片機允許的工作電壓以下時，單片機處于復位狀態，否則單片機此時可能執行某些錯誤的指令，產

7、生不可預料的結果。選定跌落到多大數值時，產生復位信號，可以通過對編程決定，一般采用出廠時默認的數值即可。 超時周期選擇：內部的超時周期有個數值可以編程選定，即、。的超時周期決定了單片機從“死機”狀態恢復為重新運行所需的時間。理論上講，這個時間越短越好，但對于慢速系統來講，太短的時間不是很有實際意義。時間選得越短，單片機正常運行時，訪問的時間間隔也越短，會增加的負擔。  3.2  前向通道電路設計 前向通道的任務是接收溫度傳感器pt100鉑電阻的信號，將其轉變為單片機能夠進行處理的數字信號，由信號轉換電路、動態穩零電路、多路模擬開關、阻

8、抗匹配電路、放大電路、a/d轉換電路等幾部分組成。原理框圖如圖2-6所示，硬件電路如圖2-7所示。 3.2.1信號轉換電路   信號轉換電路由圖2-7中的9個惠斯登電橋組成（由于圖面所限，圖中僅繪出第1個、第2個和第9個），實現將8路pt100溫度傳感器輸出的電阻信號轉換為電壓信號。其中，第1個惠斯登電橋沒有外接pt100傳感器，設臵它的目的是為動態穩零電路提供零信號（詳見5.動態穩零電路）。余下8個惠斯登電橋的工作原理完全一致，這里以第2個電橋為例，它由r5、r6、r7、c3、c4組成。來自pt100溫度傳感器發出的電阻信號以3線形式接到a1、b1、c

9、1處，a1接pt100的一端，b1、c1接pt100的另一端，于是由pt100、r5、r6、r7構成一個惠斯登電橋，如圖2-8所示。當檢測到溫度變化時，pt100的阻值發生變化，在a、b點對應產生一個變化的電壓abv 。實現了r/（電阻/電壓轉換）轉換。電路中標有r的3個電阻，是pt100從現場三線連接到儀表的線路電阻。 3.2.2a/d轉換電路  a/d轉換硬件接口電路如圖2-13所示。icl7135僅通過兩根線與at89c55相接，僅占用at89c55 t1、t2兩個計數器及外部中斷int1。 (1)  a/d轉換結果的讀取icl

10、7135的時鐘信號源于at89c55的t2計數器方波輸出，同時接至at89c55的t1，利用t1計數器記錄busy為高電平時的時鐘周期數。busy信號接至at89c55的外部中斷int1，其意圖有兩個。第一，控制t1計數。當t1計數器工作于方式1時，通過軟件設臵gate控制位為“1”時，t1計數受int1控制，當int1（既busy）為高電平時，t1可對來自外部的脈沖（既icl7135的時鐘周期）計數；int1為低電平時，停止計數。第二，在busy 信號由高電平跳變為低電平瞬間，以中斷形式通知cpu，以讀出a/d轉換后的數字碼。 （2）驅動程序  a/d

11、轉換結果的讀取   icl7135的時鐘信號源于at89c55的t2計數器的方波輸出，讓at89c55 通過p1.0引腳，為icl7135提供250khz時鐘信號時，編程設定at89c55 的t2工作于方波產生器方式。當at89c55 晶體振蕩器取12mhz時，編程如下： mov  t2con，#04h  ；t2工作于方波產生器方式mov  t2mod，#02h mov  rcap2h，#0ffh ；輸出方波頻率為250khz 

12、;mov  rcap2l，#0f4h  a/d轉換結果讀出程序   如圖2-13所示，當busy信號由高跳變到低時，將觸發int1中斷，在int1中斷服務程序中將a/d轉換結果讀出，存放于內部ram 30h、31h中。int1_isr： push  psw  ；保護現場 push  acc mov  a,tl1  ；t1計數減去10001（2711h）后送30h，31h中clr 

13、; c subb  a,#11hmov  31h,a mov  a,th1 subb  a,#27h mov  30h,a mov  tl1,#0  ；清零t1 mov  th1,#0 pop  acc pop  psw reti3.3  后向通道電路設計 后向通道電路

14、由420ma模擬量輸出電路與超限報警開關量輸出電路兩部分組成。3.3.1. 420ma模擬量輸出電路 該電路是將所檢測的每路溫度都對應地輸出一個與之成線性關系的420ma電流信號，以便根據需要供給調節器、記錄裝臵或dcs系統。硬件電路設計如圖2-15所示。3.3.2超限報警開關量輸出電路   當某路溫度超過設定的報警值時，輸出一個機械接點信號，便于連接聲、光報警裝置，進行報警提示。如圖2-17所示，利用單片機p3.6引腳控制上限報警接點輸出，p3.7控制下限報警接點輸出。以上限報警為例，當溫度超過上限報警值時，令p3.6為“0”，則三極管導通，

15、繼電器j1得電，使接點動作；當溫度低于上限報警值時，令p3.6為“1”，則關閉上限報警。  3.4  人機接口電路設計 人機接口電路由按鍵接口電路與顯示器接口電路組成。 3.4.1按鍵接口電路通過儀表前面板上的按鍵操作，可以查看檢測的溫度、報警設定值等參數，也可以向儀表內輸入一些數據。例如，輸入報警設定值、轉換輸出20ma時對應的溫度值、巡回顯示時間間隔等數據。儀表按鍵接口電路如圖2-18所示。3.4.2led顯示接口電路 在儀表的前面板上設計了6位共陰極led數碼管顯示器，用于顯示各路實測溫度和設定參數。為了盡量減少儀表的

16、硬件開銷，采用了動態刷新顯示方法。如圖2-20所示。6位led數碼管顯示器各有8個顯示段，每位led數碼管相同的段連在一起，由一個i/o擴展芯片u2統一進行段驅動，而各位的共陰極com端則由另一個i/o擴展芯片u1進行位驅動。要在某位顯示某一字符，需要由單片機通過數據總線使u2鎖存8段顯示碼，u1鎖存位選碼。6位全部顯示時，需要從第1位到第6位逐位分時進行上述操作，每一位led數碼管一次占用一個顯示周期的1/6等份時間。理論上，只要顯示周期小于人的視覺停留時間100ms，就可以獲得連續的顯示效果。但工程上，最好將顯示周期控制在20ms之內，若大于這個時間，則顯示效果可能給人不柔和、“眨眼”的感

17、覺。3.5  通信接口電路設計 智能儀器設計，必須考慮對某種網絡的支持，方便構成局域測控網絡，以便實現更高程度的集中監控和更大范圍的數據共享。本例設計了以max487e芯片為收發器的rs-485總線通信接口電路，如圖2-23所示。 當max487e的接收控制端re為低電平時，能將來自引腳6、7上的rs-485差分信號轉變為ttl信號，從引腳1輸出，傳送到單片機的rxd端；當發送控制端de為高電平時，將單片機rxd端發出的ttl信號轉變為rs-485差分信號，從引腳6、7端輸出，傳送到rs-485通訊網絡中。控制端re與de連接在一起，受單片機p1.7的控

18、制：當p1.7為高電平時，本機處于發送狀態；當p1.7為低電平時，本機處于接收狀態。在相應的通信協議和軟件支持下，方便構成主從式通信網絡。4  軟件設計 4.1  人機服務任務與主程序 人機服務任務是實現儀器的操作使用，人機服務程序安排在主程序中運行。一開始執行主程序時，需要首先運行系統初始化程序，初始化程序僅需開機時運行一次。主程序僅包括初始化程序和人機服務程序。人機服務程序流程圖如圖2-24所示。人機服務程序與主程序編制如下： dis_state    equ  

19、;  40h mian：       mov sp，#0bfh  ；設定堆棧指針  lcall init    ；調用系統初始化程序 m1：  jnb s1_lab，m2  ；s1_lab是1秒時間到標志，在中斷服務程序中每1秒置1次  clr  s1_lab     ；清除1秒時間到標志 

20、; lcall   display   ；實測參數刷新m2：lcall scan_key  ；掃描按鍵  cjne  ，1，3  ；是“”鍵按下  lcall dis_set_data   ；是，進入設定值顯示狀態  ljmp  m1       ；轉去實時參數刷新顯示和掃描按鍵 m3：  cjne

21、  a，#2，m4    ；“”鍵按下  lcall  dis_s_tem    ；是，進入定點顯示狀態  ljmp   m1       ；轉去掃描按鍵 m4：  cjne     a，#3，m5     ；“”鍵按下  lca

22、ll    dis_r_tem    ；是，進入巡回顯示狀態   ljmp     m1      ；轉去掃描按鍵 m5：  cjne     a，#4，m1     lcall    set_data   ；進入參數設

23、定  ljmp     m14.2  數據采集與溫度計算程序 根據圖2-7與圖2-13，每個通道a/d轉換結束時，都以中斷的形式通知cpu，每個通道的數據采集與溫度計算都在中斷服務程序中完成。一共用了9路數據通道，0路為動態零點數據，18路為8路溫度數據。每次采集數據通道的通道號，都存儲在“ch_no”單元中。每次采集的數據首先經過預處理，在預處理中減掉10001個數字碼（原因在前向通道關于a/d轉換設計中有詳細敘述），剩余的為二進制數形式的a/d轉換數字碼。為便于后級溫度計算，還要將二進制數轉換為bcd

24、碼形式。接下來進行動態穩零處理，即將該通道的a/d轉換數字碼減去零點數據，則差值是消除了運放漂移影響的、由現場實測溫度決定的數據。最后進行溫度計算，且通過多路開關為a/d轉換器打開下一通道。流程圖如圖2-25所示。   編程如下： pol_lab  bit p3.3  ；icl7135完成a/d轉換后的極性輸出1為正，0為負zero_pol_lab bit 03h ；穩零通道的極性存儲，1為負，0為正 ch_no equ 50h  ；數據采集通道號存儲單元 tem_buf e

25、qu  4ch  ；各路溫度存儲單元 data_buf equ 5c   ；a/d轉換數據經預處理后存儲單元 int0_isb：  push psw    ；保護現場        push acc  push b  push dph  push rs1  clr rs

26、0    ；使用兩組工作寄存器  lcall data_treat   ；數據預處理  mov a，ch_no     ；查驗是否為0通道  cjne a，#0，int0_isb1  setb pol_lab     ；將0通道的正負極性存于zero_pol_lab中  ；0為正，1為負  mov  c，pol_lab 

27、; cpl  c  mov  zero_pol_lab，c  mov data_buf，r5 ；將動態零點數據存于data_buf中  mov  data_buf+1，r6  ljmp  int0_isb2 int0_isb1：  lcall czer0    ；動態穩零處理  mov a，ch_no   ；將處理后的數據存于data_b

28、uf相應的單元中  rl a  add a，# data_buf  mov  r0，a  mov r0，cbuf+10h  ；cbuf+10、cbuf+11存儲處理后的2b數據  ；cbuf為計算緩沖區  inc r0  mov r0，cbuf+11h  lcall ctemr ；計算該通道的溫度值 lcall open_next_ch  ；打開下一通道 int0_isb2： mov  tl1，#0  ；t1計數器清零 mov th1，#0 ；恢復現場 pop dpl pop dph pop b pop acc pop psw reti     ；中斷返回&#