基于單片機的溫度測控系統(tǒng)

摘要：本次設(shè)計的溫度測控系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機中的STC89C58作為微處理器，使用集成溫度傳感器AD-590采集溫度信息，光電耦合雙向晶閘管為驅(qū)動電路，可精確地采集環(huán)境溫度信息，穩(wěn)定性高，抗干擾性強。接受信息后處理器可快速地作出反應，導通驅(qū)動電路，實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。本文從硬件和軟件兩方面介紹了MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，對硬件原理圖和程序框圖作了簡捷的描述。

關(guān)鍵詞：MCS-51單片機;溫度檢測;溫度控制;溫度傳感器

溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。單片機具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。本設(shè)計使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)應用系統(tǒng)的要求及軟硬件功能的劃分，初步確定應用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用溫度傳感器AD590可以直接瀆取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換的特性，模擬溫度值經(jīng)過ADC0809處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理，并與設(shè)置的溫度報警限比較，超過限度后通過揚聲器報警。同時處理后的數(shù)據(jù)送到LCD中顯示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 微處理器選擇和主機系統(tǒng)設(shè)計

由于本設(shè)計對控制精度要求不高，控制功能一般，故選擇常用的MSC-51系列單片機中的STC89C58作為微處理器。片外程序存儲器選用2732，容量為4 k×8位。因采集和處理的數(shù)據(jù)不多且不需要保留，估計數(shù)據(jù)存儲器使用片內(nèi)的即能滿足要求。其中，硬件元器件STC89C58有40條引腳，有兩條專門用于電源的引腳，兩條外接晶振的引腳，四條控制或與其他電源復用的引腳，32條L/O引腳。

1.1.2 輸入通道設(shè)計

輸入通道只有一個，包括溫度傳感器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器三部分。本次設(shè)計的溫度檢測范圍屬于低溫，適用于低溫的檢測元件有熱電偶、熱敏電阻、集成溫度傳感器等。

1)這里采用集成溫度傳感器AD590。這種傳感器是一個雙端元件，其工作溫度范圍為-55℃～+150℃，要求工作電源為直流+4 V～+30 V。它能把溫度信號變?yōu)榕c絕對溫度成比例的電流信號，比例因子為1 μA/K。其穩(wěn)定性高，線形度好，測溫誤差有±1、±0.5、±0.3幾種等級。

AD590本身產(chǎn)生的電流信號，通過運算放大器TD07對電流做加法運算。在運放輸出端可得到合適的電壓信號，作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入。電阻RP1、RP2的選擇原則是使運放輸出電壓為0;當溫度為60℃時，調(diào)節(jié)RP2使運放輸出電壓為4.69 V。如果0℃不能實現(xiàn)，也可以在另外一個溫度點上(如室溫)來調(diào)整。0 V和4.69 V經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為00H和F0H(240)，這樣對應1℃的數(shù)字量為04H，便于進行溫度的標度變換。

AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋，AD590的后綴以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD 590M一般用于精密溫度測量電路，它采用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V+;2腳為電流輸出端IO;3腳為管殼，一般不用。

AD590的工作原理是在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和5～30 V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1 kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1 mV/K的電壓信號。

2)本系統(tǒng)的運算放大器采用TD07。TD07高精度運算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特點?？蓮V泛應用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、比較器及微弱信號的精確放大，尤其適應于宇航、軍工及要求微型化、高可靠的精密儀器儀表中。

3)本系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809。ADC0808是精度為8位的CMOS器件，不僅包括一個8位的逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個8通道的模擬多路開關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進行A/D轉(zhuǎn)換。

1.1.3 輸出通道設(shè)計

輸出通道有3條，分別控制3臺電爐通電和斷電。這是3條具有相同結(jié)構(gòu)的開關(guān)量輸出通道，擬采用前面介紹的光電耦合雙向晶閘管驅(qū)動電路。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件總體設(shè)計

應用程序結(jié)構(gòu)采用中斷方式，由定時器發(fā)出定時中斷申請。主程序進行系統(tǒng)初始化，包括定時器、I/O口和中斷系統(tǒng)的初始化，等待定時中斷。在中斷服務程序中，先判斷是否到30 s。若不到30s，則返回;若到30s，進行以下操作：撥盤設(shè)定值檢測、溫度檢測、標度變換、溫度顯示和溫度控制，并根據(jù)溫度檢測值決定是否報警。

在應用程序總體結(jié)構(gòu)中，將以下6個功能程序作為模塊程序：溫度設(shè)定輸入、溫度檢測、溫度值標度變換、溫度顯示、溫度控制和報警程序模塊。

2.2 程序模塊設(shè)計

下面說明溫度檢測和溫度控制這兩個模塊的程序設(shè)計。

1)溫度檢測程序模塊。溫度檢測程序的功能是連續(xù)進行4次A/D轉(zhuǎn)換，求取轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值，存入內(nèi)部50 H單元，A/D轉(zhuǎn)換采用查詢方式。

2)溫度控制程序模塊。溫度控制程序的功能是將溫度實測值(存于50H)與設(shè)定值(存于51H)作比較，如測值高于設(shè)定值1℃(注意，此值小于要求誤差2℃，對應的數(shù)字量為04H)，則關(guān)閉1臺電爐;如實測值低于設(shè)定值，則接通一臺電爐;否則不與調(diào)節(jié)。3臺電爐接通的順序是3#、2#、1#，這樣可以保持電爐的通斷具有相對穩(wěn)定性。

3)主程序和中斷服務程序設(shè)計。在定時中斷服務程序中，各功能程序都已模塊化，可直接調(diào)用。

先說明30 s定時的實現(xiàn)方法。當振蕩頻率為6 MHz時，STC89C58內(nèi)部定時器的最大定時值為131 ms。要實現(xiàn)30 s定時，需要另外設(shè)置一軟件計數(shù)器。現(xiàn)使定時器T0工作于方式1，定時時間為130 ms，則其時間常數(shù)為：

N=216-130*10-3*6*106/12=536=0218H

軟件計數(shù)器的初值=30、0.13≈E7H

主程序清單：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 000BH

AJMP T0INT//轉(zhuǎn)定時中斷服務程序

ORC 0030H