基于单片机的温度测量系统设计方案

1 基于单片机的温度测量系统设计方案 1 绪论 片机温度测量系统的选题背景 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自 18 世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。 我国人多地少，人均占有耕地面积更少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实 现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。温室大棚技术就是其中一个好的方法。 温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。 随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制便成为一个十分重要的课 题。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进行升温处理。这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。 今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为 单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊 2 控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作 用。因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。 片机温度测量系统选题的现实意义 随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、 2。这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的 测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。 数字化单总线技术 4是利用 将系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统。这些测控对象所用的芯片都由该公司提供。采用 单总线协议后，可在检测点将模拟信号数字化。这样，在单总线上传输的便是数字信号。本文介绍的温度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大棚内的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度，同时通过比较，对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。如果超过我们预先设定的温度限制，温度报警系统将进行报警，并同时自动对大棚内的温度进行控制。 这种设计方案实现了温度实时测量、显示 和控制。该系统抗干扰能力强，具 3 有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。 内外研究现状及其发展 外温室环境控制 国外对温室环境控制技术研究较早，始于 20世纪 70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。 80 年代末出现了分布式控制系统。目 前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测 50、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。 内温室控制技术 我国对于温室控制技术的研究较晚，始于 20世纪 80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制 技术，该技术仅限于温度、湿度和 度等单项环境因子的控制。我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温室现状还远远没有达到工厂化农业的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。 室环境控制技术的三个发展阶段 从国内外温室控制技术的发 展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段： 1、手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意 4 义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要。 2、自动控制。利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子如温度、光照、湿度、 ，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。 3、智能化控制。智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环 境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。 室控制存在的问题 首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。各种专家系统在收集、整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出来，这样开发的专家系统并不具有真 正的学习能力。其次是采集数据的束缚，温室控制技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性，农业专家系统对温室环境因子进行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。在开发温室农业专家控制系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。同时，将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。 5 总之，随着计算机技术、农业应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网 络技术研究的发展，温室技术体系己经成为各个国家为合理利用农业资源、提高农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的前沿性研究领域。 片机温度测量系统主要研究的内容 本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计：三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计；四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。 本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将 温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。与传统监测系统相比，本系统具有以下优点： 传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。 增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集数据。 单片机的设计提高了系统的监测速度， 系统的可靠性、实时性都有很大提高 对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算法。 利用语音芯片，超限报警，实现了人性化管理。 6 2 单片机温度测量系统总体设计 片机温度测量系统的功能设计 系统要完成的设计功能如下： 实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度和湿度：根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。 实现超限数据的及时报警。 现场监测设备应具 有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程通信功能。 通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。与计算机通讯功能，采用 0米。 长时间测量数据记录功能：可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。 监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。要求达到的技术指标： 测温范围： 100 测温精度：正负 测温范围： 0 100%温精度： 正负 H 片机温度测量系统的设计的原则 要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。 l、可靠性 高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波：系统自诊断功能等。 7 2、操作维护方便 在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以 利于系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。 3、性价比 单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。 片机温度测量系统的组成与工作原理 以单片机为控制核心，采用温湿度测 量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路， A/据存储及显示电路，语音报警电路，见图 用的主要器件有：温度传感器 度传感器 A/D 转换器 据存储器 储卡， 4 数码管显示模块，语音报警芯片 成定时器 555芯片等。 图 硬件结构图 本系统以单片机 据采集、 存储、显示、报警以及上传至计算机进行数据处理都要通过单片机。数据采集通过单总线的智能温度传感器 模拟的湿度传感器 采集数据超出预警值时，有语音报警芯片 时报警，然后进行相应处理；数据存储可以在计算机完成，在计算机不工作时还设置了辅助的多媒体卡 数码管实时显示接收的数值；数据处理主要是上位机完成的数据曲线显示、数据存储、数据打 8 印等功能。 在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温度传感器 储扩展的 拟 片机和计算机连接的 议技术等。为防止模拟传感器数据采集的失真，采用了线形插值算法。 在这个系统中单片机部分采用语言为汇编和 C 语言混合编程，计算机部分采用 。 9 3 系统硬件电路的设计 统硬件电路构成及测量原理 由于系统要对大棚内部的温度进行测量和控制，因此采用单片机对单总线系统进行现场长期监控是非常经济实惠的方案，其硬件连接非常简单，可用单片机并口 且还可通过 85 转换器串行口使单片机 与上位计算机 ( )连接，以便在 统硬件电路构成 本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框图如图 3 1所示。系统硬件电路由温度传感器、单片机、 485串口通信和计算机组成。 图 温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和显示。由于智能温度传感器 能对温度进行测量，又能设定所需要控制的温度，并对温度值能够把二进制转换成十进制，所以本设计系统中 选用智能温度传感器传感器是利用在板专利技术来测量温度的。传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个 具有唯一的 64 位序列号。并且 有一个数据输入 /输出口，因此，多个 以并联到 3 或 2 根线上， 0 只需一根端口线就能与诸多 行通信，而它们只需简单的通信协议就能加以识别，这样就节省了大量的引线和逻辑电路。用户还可自设定非易失性温度报警上下限值，并可用报警搜索命令识别温度超限的 于该温度计采用数字输出形式，故不需要 A/D 转换器。 单片机主要是对温度传感器行编程，读取温度传感器的温度值，并把温度值通过串口通信送入计算机。由于 列单片机与 51 系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用 口通信的作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输数据的作用。虽然 串行通讯中目前最常用的接口，且在系列中，每台微机均配有标准的 是这种共地传输，由于受距离与环境的影响，极易受到干扰。因此， 般应用于速度低于20kb/s，距离 20m 以内的条件下，不适合 于高速、远距离通讯。而 行通讯是一种多发送器的电路新标准，它采用了差分平衡的电气接口，利用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除了地线信号。因此， 用于距离 1200m，速度为 100kb/s 的高速通讯。由于从大棚到计算机的距离较长，因此，在本课题设计中，需要在 达到数据传输的目的。计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等。 统工作原理 采用单总线技术设计的温度监测系统，如图 3 2 所示。整个系统以片机为主机，其他设备 为从设备。单片机通过 线与 作上位机进行实时监控管理，控制器选用 成上电复位和看门狗电路。该系统只要一条双绞线 (一根为信号线，一根为地线 )从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象 (传感器 )挂接在一根总线上就可以了。本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器 于温室大棚内不同地方的温度测量和控制。图 3 2 中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与通常电话线路使用的一样，插入和拔出都很方便。 11 图 该温度测控系统的 工作原理就是进行计算机编程和单片机编程，使智能温度传感器 常工作，去检测大棚内实际的温度，并由数字显示电路显示出当时的温度值。如果采集的温度值高于上限报警温度，系统将发出报警，并同时起动制冷设备，把温度降下来，当温度降到一定的程度，即低于上限复位值时，立即关闭制冷设备，使制冷设备停止工作。当采集的温度值低于下限报警温度值时，系统又发出报警，并同时起动制热设备，使大棚内的温度上升，当温度上升到一定的程度，即高于下限复位值时，立即关闭制热设备，使制热设备停止工作，从而使温室大棚的温度值维持在一定的 范围内。其具体的温度越限自动控制过程如图 3 3所示。 图 温室控制系统的执行机构采用开关量控制，本系统选用了可寻址的单总线控制开关 它送出 1 位。或 1 作为控制码信息，去胜制报警设备、通风机执 12 行机构 (空调 )等的开启与关闭。当单片机发现温度传感器 让控制开关 时开启空调机工作。 主要特性为： 适用于单总线协议。 由单 总线上的数据作为开关信号，控制漏极开路输出端的通断状态。 控制信号输出端 不用外接电源。 三种封装形式： 92 三脚塑封； 223 四脚平面封装和 C 脚表面安装封装。 防静电保护二极管。为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入，通常在单总线线路的末端都接上 图 3 2 中每个与单总线直接相连的测控对象的机构芯片内均有一个 64 位( 中存有 48 位 (进制编码的序列号，称之为身份证，以确保芯片挂接在总线上可以被识别出来，这是在单总线上实现定位和寻址通信的关键所在。 单总线芯片入口示意图如图 3 4所示。由图 3 4可见，芯片内还含有收、发控制和电源电路，其耗电量都很小，从总线上获得一点电量存储在大电容中 就可以正常工作了，故一般不需要另附电源。 图 、发控制和入口示意图 13 统主要技术指标 测量范围： +125，测量精度： 反应时间 500 度传感器的选择 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个阶段： 的分立式温度传感器 (含敏感元件 )： 控制器； 模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在 20世纪 80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 拟集成温度传感器的主要特点是功能单一 (仅测量温度 )、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有 模拟集成温度控制器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有些增强型集成温度控制器 (例如 53) 中还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。 智能温度传感器 (亦称数字温度传感器 )是在 20世纪 90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术 (结晶。目前，国际上已开发出多 种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、 A/号处理器、存储器 (或寄存器 )和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器 (随机存取存储器 (只读存储器 (智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器 (并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。 目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。智能温度传感器 是朝着高精度、 多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。因此，智能温度传感器 为温度测量装 14 置己广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中。 于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9 2位数字值读数方式。可以分别在 50位和 12位的数字量，并且从 单线接口 )读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的无需额外电源。因而使用 靠性更高。同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。 线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为 +125，在 +85范围内，精度为正负 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件 合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 用户带来了更方便和更令人满意的效果。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。 (1)采用 (2)在使用中不需要任何外围元件。 (3)可用数据线供电，供电电压范围： + (4)测温范围： +固有测温分辨率为 当在 +85范围内，可确保测量误差不超过 在 +125范围内，测量误差也不超过 2。 (5)通过编程可实现 9 12位的数字读数方式。 (6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。 (7)支持多点组网功能，多个 实现多点测温。 15 (8)负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护此时芯片无法正常工作。 (9)行 9位的温度转换仅需 (10)适配各种单片机或系统。 (11)内含 64位激光修正的只读存储 除 8位产品系列号和 8位循环冗余校验码 (后，产品序号占 48位。出厂前产品序号存入其 构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片 在硬件上， 单片机的连接有两种方法。一种是将 I/0与单片机的 I/0线相连；另一种是用寄生电源供电，此时 地，其 I/0 接单片机 I/0。无论是内部寄生电源还是外部供电， I/0 口线要接 5K 见左右的上拉电阻。表 3 5所示： 表 访问流程是：先对 始化 ,再进行 作命令 ,最后才能对存储器操作和对数据操作。 如主机控制 成温度转换这一过程，根据须经历三个步骤：每一次读写之前都要对 位成功后发送一条 后发送 样才能对 16 6所示。 图 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，高温度 系数晶振的振荡频率随温度变化而明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开时， 对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将 对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 对应的一个基数值。减法计数器 1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1的预置值减到 0时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置将重新被装入，减法 计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图 3 6中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是 片机的选择 片机的概述 单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四 17 代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入 /输出接口电路 以及定时器 /计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器 (替单片微型计算机(一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。 单片机的主要特点有： 1)具有优异的性能价格比。 2)集成度高、体积小、可靠性高。 3)控制功能强。 4)低电压，低功耗。 芯片 K 字节快闪存储器的 8位单片 机。它具有如下的一些特性： 指令和 89 内含 2耐久性 1,000写 /擦除周期 全静态操作 04 二级程序存储器加锁 内含 128*8位内部 15根可编程 I/0引线 2个 16位的计数器 /定时器 6个中断源 带有可编程串行通讯口 可直接驱动 片内模 拟电压比较器 低功耗空载和掉电方式 另外 ,该单片机还具有体积小 ,价格低等特点。 低电压、高性能 8位 型计算机。它采用 51 指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的 司生产的 一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制的应用，提供了一种高度灵活和成本低的解决办 法。图 3 7 为 18 图 入通道的设计 系统输入通道的作用是将温控箱的温度 (非电量 )通过传感器电路转化为电量 (电压或电流 )输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量 (电压 )还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行 A/D 转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。输入通道由传感器、A/ 温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材 料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。 850范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度 19 也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。由于在本系统中，测温范围较大 (在室温到 600之间 )，且要求检测精度高、稳定性好，因此选用 器。 铂电阻温度传感器主要有两种类型：标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。考虑到成本，故在本系统中采用工业级 铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。按照接线方式的 不同又可以分为二线制、三线制和四线制几种。本系统采用的是恒流四线制接法对 电阻进行采样。铂电阻温度传感器采样电路如图 3 8 所示。该电路将温控箱的温度转化为电压输出。 采用恒流四线制接法的测温电路中需要用到一个稳定的基准电压源。本系统采用精密基准电压源 生基准电压，图中参考电压 来自准电压源电路如图 3 9所示。 出电压 是迄今为止同类产品中温度系数最低的器件，内部有恒温电路，保证了器件的长期稳定性。本系统 中基准电压源产生的电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给 A/ 图 20 图 ，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换 (A/，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成 A/。 A/ (1)分辨率表示 A/的分辨能力。 A/ (2)转换时间指 A/输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远； (3)转换误差表示 A/D 转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示； (4)线性度 线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的 A/们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型的 A/转 换效果不够理想。温度控制中 A/统的电路设计方法是在 A/样就增加了成本，电路也较为 21 复杂。综合考虑，本系统选用 司生产的 16位 。 6位 -型 A/包括由缓冲器和增益可编程放大器 (成的前端模拟调节电路、 -调制器、可编程数字滤波器等部件组成。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行 A/D 转换。 用 三线串行接口，具有两个全差分输入通道，能达到 线性的 16 位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还可以选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工作电压 3V 或 5V，在 3V 工作电压时，器件的最大功耗仅为 1 10所示。 图 (1)行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问 串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据，反之，它也可以是非连续时钟，将信息 发送给 (2)以晶体 /谐振器或外部时钟的形式提供。晶体 /谐振器可以接在 引脚之间，时钟频率的范围为5005 (3)主时钟为晶体 /谐振器时，晶体 /谐振器被接在 间，如果在 脚处接上一个外部时钟， 提供一个反向时钟； (4)电平有效； (5)电平有效； 22 (6)差分模拟输入通道 2的正输入端； (7)差分模拟输入通道 1的正输入端； (8)差分模拟输入通道 1的负输入端； (9)差分模拟输入通道 2的负输入端； (10)差分基准输入的正输入端，基准输入是差分的，并规定 )必须大于 )， )可以取 (11)个输出端上的逻辑低电平表示可以从 成对一个完全的输出字的读操作后，该引脚立即回到高电平。当该引脚处于高电平时，不能进行读操作， 当数据更新后，该引脚又返回低电平； (12)行数据输出端，从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可以容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息； (13)片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。 出通道设计 控箱的功率调节方式 目前多数温控系统均采用可控硅来实现功率调节。可控硅的控制模式有两种：相位控制和零位控制 (分配式零位控制、时间比例零位控制 )。三者之间的比较如 图 3 11 所示。 图 23 (l)相位控制：作用于每一个交流正弦波，改变正弦波每个正半波和负半波的导通角来控制电压的大小，进而可以调节输出电压和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做调压器，它可以方便的调节电压有效值，可用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机降压软启动和调压调速等。 (2)零位控制：在设定的周期 发信号使主回路接通几个周波 (几个完整的正弦波 )，再断开几个周波，改变可控硅在设定周期内的通断时间比例，以调节负载上的交流电的平均功率，即可达到调节负载功率的目的。根据输出电压分布 的不同，零位控制又分为分配式零位控制 (在 期内根据输出百分比平均分布周波 )和时间比例零位控制 (在双周期内根据输出百分比连续接通几个周波，然后在期剩余的时间内连续关断几个周波 )。它多用于大惯性的加热器负载，采用这种控制，既实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网。 本系统采用分配式零位控制的模式，控制温控箱的加热电阻的平均加热功率，进而控制温控箱的温度。 可控硅是一种功率半导体器件，简称 称晶闸管。它分为单向可控硅和双向可控硅，在微机控制系统中，可作 为功率驱动器件。可控硅具有控制功率小、无触点、长寿命等优点，在交流电机调速、调功、随动等系统有着广泛的应用。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是： (1) 它在触发之后是双向导通。 (2) 在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都可以使双向可控硅导通。因此双向可控硅特别适合用作交流无触点开关。 本系统中与可控硅配套使用的是 一般的光藕器件不同之处是 带有过零触发检测器，以保证电压接近零时 触发可控硅。可控硅输出电路如图 3 12所示。 24 图 控硅输出电路 25 4 系统调试 仿真的概念其实使用非常广，最终的含义就是使用可控的手段来模仿真实的情况。单片机系统开发中的仿真包括软件仿真和硬件仿真。 (l)软件仿真这种方法主要是使用计算机软件来模拟实际的单片机运行，因此仿真与硬件无关的系统具有一定的优点。用户不需要搭建硬件电路就可以对程序进行验证，特别适合于偏重算法的程序。软件仿真的缺点是无法完全仿真与硬件相关的部分，因此最 终还要通过硬件仿真来完成最后的设计； (2)硬件仿真使用附加的硬件来替代用户系统的单片机并完成单片机全部或大部分的功能。使用了附加硬件后用户就可以对程序的运行进行控制，例如单步、全速、查看资源断点等。 在单片机应用系统的开发过程中，程序的设计是最为重要的但也是难度最大的工作，一种最简单和原始的开发流程是：编写程序，烧写芯片并验证功能，这种方法对于功能简单的小系统是可以对付的，但在比较大的系统中使用这种方法则是完全不可能的。此时就需要用到仿真器。在本系统软件设计调试的过程中使用的是 列仿真器是广州致远电子有限公司推出的高性能实时在线仿真器。可以实时在线仿真 导体公司的 80列单片机，同时还能够实时在线仿真 51内核的标准 80底解决 80 列仿真器在硬件上采用了 权的 真技术，并加以改进，几乎支持所有的 80列单片机的实时仿真，能保证用户更加方便的操作和更加真实的仿真效果并能直接或通过简单的升级支持仿真全系列 80种型号的仿真器均能支持多种不同型号 80 26 成开发环境 成开发环境是德国 0内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立和管理、编译连接目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的 开发流程。尤其它的 C 编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了很高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时