多路温度自动巡检系统

摘要：设计了一种8路温度巡检仪，能够对8通道循环检测温度，当温度超过上限时，实现报警功能。硬件上，利用半导体集成温度传感器检测温度，由单片机控制，进行A／D转换，在显示器上显示测量出的温度。软件上，单片机编程以实现对各测试点温度值的检测和集中管理。
关键词：温度传感器；巡回检测；A／D转换；液晶显示

0 引言
    温度是工农业生产中常见的工艺参数之一，许多产品对温度范围要求严格，对温度的控制好坏直接影响产品的质量。因此，在工农业生产中常常对温度不仅要不断地测量，而且要对温度进行控制。特别是遇到温度超过我们设定的温度时，系统还会以报警的方式通知我们。目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时还有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。
    本文介绍了一种以单片机为基础，利用半导体集成温度传感器检测温度而制作的八路温度巡检系统，可通过液晶显示器显示温度，当温度高于设定值时，执行报警程序。

1 系统设计方案
    设计主要包括五大部分：温度信号检测及放大部分、单片机、A／D转换部分、温度显示部分及报警电路。多路温度巡检仪框图如图1所示。

    系统首先将温度经温度传感器及放大电路变换成与温度成线性关系的电压信号，然后送到A／D转换器，最后通过数字显示器显示出测量的温度，当温度超过标定的温度时就报警。其中A／D转换、显示及报警都是由单片机来完成。

2 硬件系统设计
2. 1 温度检测电路
    AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需的温度值。它是一种二端元件，属于一种高阻电流源，其典型的电流温度灵敏度是1μA／K。由AD590组成的测温电路如图2所示。

    图2中的OP07是高精度低失调的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如果使用双电源，能达到最好的放大效果。它的电源电压范围为-22～-3 V，3～22 V，输入噪声电压幅度为0．35μV(0．1～10 Hz)，共模抑制比为126 dB，共模输入电压范围为-14～+14 V。
    图2中的MC1403是精密低压基准电源，一般用作8～12 b的A／D芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。输出电压为2．5 V，静态电流为1．2 mA，工作环境温度为-55～+125℃。 [p]
    因为运算放大器的反相输入端电位VN≈0 V，故由基准源MC1403提供的电流为I0为：
   
    调节Rp1即可改变I0的大小。
    AD590输出电流的温度灵敏度为1μA／K。设要测量的环境温度为T(单位：℃)，则流过AD590的电流It为：

    若要得到10 mV／℃的灵敏度输出，可选用R2=9．1 kΩ，Rp2=2 kΩ。故Rp1为调零电位器，Rp2为标定灵敏度电位器。
    要进行八路温度的巡检，就要采用以上8个相同的温度检测放大电路。
2．2 A／D转换电路
    随着大规模集成电路制造技术的不断发展，各种大规模集成A／D转换器相继出现。要对8路模拟信号进行A／D转换、数据处理、显示控制等，可以选用ADC0809和ICL7107两种集成电路。这两种集成电路都可以完成A／D转换、数据处理、显示控制等功能。但ADC0809比ICL7107具有外围电路简单，容易控制的优点，故选用ADC0809。
    ADC0809与单片机C51的接口电路如图3所示。

    ADC0809的时钟信号CLK由单片机的地址锁存允许信号ALE提供，单片机晶振频率为12 MHz，则ALE信号经分频输出为500 kHz，满足CLK信号低于640 kHz的要求。当P2．7和同时有效时，以线选方式启动A／D转换同时使ADC0809的ALE有效，P0口输出的地址A2，A1和A0经八位锁存器74LS373的Q2，Q1，Q0输出到ADC0809的ADDC，ADDB，ADDA，选定转换通道，IN0～IN7地址为7FF8H～7FFFH；当P2．7和信号同时有效时，OE有效，输出缓冲器打开，单片机接受转换数据。
    由于ADC0809片内无时钟产生电路，可利用8051提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。将P2．7作为片选信号，在启动A／D转换时，由单片机的写信号和P2．7控制ADC0809的地址锁存和转换启动。由于AIE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行A／D转换。再读取转换结果时，用单片机的读信号和P2．7给一级或非门形成的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。P2．7与ADC0809的ALE，START和OE之间有如下关系：
   
2．3 MCS-51单片机
    MCS-51是一个单片机系列产品，具有多种芯片型号。按资源配置数量，MCS-51系列分为51和52两个子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列则是增强型，以芯片型号的最末位数字的“1”和“2”作标志。52作为增强型子系列，由于资源数量的增加，使其芯片的功能也有所增强。
    系统的控制电路由单片机80C51为核心元件，加上外围电路，装入ADC0809的A／D转换程序和液晶显示内部程序就可以进行数据控制。 [p]
    单片机80C51的脚外接电路是一报警电路，当脚输出为高电平时不报警；当待转换信号超出了温测范围，脚输出低电平，这时就会报警。
    单片机80C51内部含有振荡电路，就只需要在XTAL1和XTAL2这两个管脚外接晶体振荡器作为振荡源，振荡信号经内部电路整形作为单片机的主频信号。在RST管脚外接了手动复位和上电复位两种复位电路。
    通过T0，T1脚接的按键S1和S2可以实现选择测温通道，实现定点检测：在检测时，当需要检测显示某个通道时，按下S1按键就选择第一路温度检测，再按一次S1按键，则选择到第二路温度检测，再按一次S2就显示第一通道，以此类推，当按到所需要的通道时，停下来就显示该通道的数据，以实现通道检测的切换。
2．4 温度显示电路
    温度显示电路使用的是液晶显示，液晶显示比LED数码管显示要简便，外围电路元件也较少。LCD1602是一种液晶显示器件。
    温度显示电路如图4所示。

    R32用于调节显示的对比度，15脚、16脚外接一个5 V的背光电压。
    LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。

3 软件系统设计
    当检测到的温度信号送至A／D转换电路时，程序初始化，当送入到P0口的模拟信号是高电平，则通过P0口送入80C51进行数字信号处理，数据处理完后经P1口送到显示器显示，如送入到P0口的模拟信号不是高电平，则返回。
    主程序的流程图如图5所示。
    中断程序流程图如图6所示。A／D转换流程图如图7所示。

4 结语
    系统采用半导体集成温度传感器AD590。AD590温度传感器不但实现了温度转换为线性化电量，而且精度高、互换性好、应用简单方便，并且可把输出的电信号经A／D转换为数字信号，以发挥其实时和准确的特点。
    总之，与水银温度计、铜一镍热电偶温度计及半导体热敏电阻温度计相比，AD590具有线性好，测温不需要参考点及消除电源波动等优点，因此在常温范围内可以取代它们，广泛的应用于科技和工业领域中。