基于单片机的智能温度巡检仪设计

第2章基于单片机的智能温度巡检仪设计

对于工业过程小型测控设备或者专用的智能化仪表，自动化工作者一般是采用以单片微型计算机为核心，配以相应接口电路的模式来实现。单片机本身只是一个微控制器芯片，只有当它和外围电路有机地组合在一起，并配置适当的工作程序后，才能构成为一个单片机智能应用系统。

本章以工业生产过程中最基本的温度参数测量为例，说明一台智能温度巡检仪的设计思路、硬件配置、软件编程、系统结构及调试考核过程。

2.1 设计任务

2.1.1 主要功能

为了满足工业生产过程监控的要求，设计的智能温度巡检仪应当具有如下功能：能与常用温度传感器配合检测多路温度，本例是与温度传感器Pt100型铂热电阻配合，巡回检测8路温度；可选择定点显示方式，也可选择巡回显示方式；在全量程内，可设定超限报警值，当实测温度超过设定值时，发出报警信号且有常开接点输出；将检测的每路温度转变为与之线性对应的4～20mA电流输出；支持RS-485通信方式，方便组成局域监控网络，使实测温度、温度超限设定值等参数在网络中共享。

2.1.2 技术指标

•测量范围：-200℃～850℃。

•测量精度：优于0.5级。

•温度巡检周期：1s。

•巡回显示周期：以秒为单位，可选定。

•工作环境温度：0℃～50℃。

•相对湿度：小于85%。

•供电电源：220V AC，±10%，50Hz。

•结构形式：盘装式。

•外形尺寸：160mm（长）×80mm（宽）×160mm（深）。

开孔尺寸：152mm×76mm。

2.2 总体设计

首先要确定实现主要功能与技术指标的硬件、软件的总体设计方案。必须遵守以下三个设计理念。

①智能温度巡检仪是以单片机为核心的嵌入式系统，有些功能既可以通过软件编程实现，也可以通过硬件配置实现，应当遵守“能软不硬”的理念，即凡是能够用软件方案实现的功能就不用硬件方案实现，其目的是降低制造成本。软件方案只需在软件开发设计中一次性投入，一旦开发成功，在制造过程中将降低材料成本和安装成本，同时能够提高整机的可靠性。任何电子元器件都有老化失效的问题，整机的可靠性与采用元器件的数量成反比，减少使用的元器件数量，就相当于提高了整机的可靠性。

②设计过程应当兼顾技术指标与经济指标，技术指标再高的仪表设备，如果制造成本高、售价高，将不会有市场前景。

③在设计过程中，选用的元器件与材料的市场供应渠道必须畅通。电子元器件、电子材料的发展日新月异，必须选用目前市场敞开供应的元器件与材料，否则将给日后的制造与维护带来很多麻烦。如果设计中选用了一些早已淘汰的元器件，将无法实现样机的研发。即便样机开发成功，以后生产制造中的材料采购也十分困难。

1.硬件总体方案

主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的资源，尽量减少扩展外部功能芯片，减小体积，降低造价。单片机要有如下资源：

1.足够的片内程序存储器，容量不小于20KB

2.足够的片内数据存储器，容量不小于256B

3.定时器/计数器不少于3个。（通讯和A/D转换要求）。

4.中断源不少于3个

5.有串行通讯接口

6.有通用I/O接口

为保证测量精度，前向通道A/D分辨率不低于12位。为了降低造价，8路温度通道通过多路开关技术，公用一个放大器、一个Ａ／Ｄ转换器。

后向通道的多路模拟量输出，采用一个D/A转换器，８路保持器，利用软件定时刷新的方法实现多路模拟量输出。

人机接口的显示器采用LED数码管，其亮度高，有效观测距离远，成本低。按键采用薄膜按键，手感好，寿命长。

通讯接口采用RS-485传输技术，方便按照总线式网络拓扑组成局域测量网络，而且RS-48５传输技术成熟，成本低。

2．软件总体方案

软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包括监控程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序几部分。为了保证实时性要求，提高运行效率，采用ASM51汇编语言编制。

3．外形结构方案

按盘装仪表结构设计，其外形结构尺寸、安装尺寸、安装方式、接线方式与常规测试仪表保持一致，便于替代传统测试仪表。

2.3 硬件系统及驱动程序设计

8路温度巡检仪的硬件由主机电路、前向

通道、后向通道、人机接口电路、通信接口及供

电电源几部分组成，如图所示。其中，主机电路

由CPU、数据存储器、程序存储器、EEPROM存储

器、定时器/计数器、通用异步串行收发器、中

断控制器、WDT定时器及通用并行接口等部件组

成；前向通道电路由Pt100转换电路、滤波电路、

多路模拟开关电路、放大电路、A/D转换电路组成；后向通道电路由D/A转换电路、多路模拟开关电路、V/I 转换电路、继电器驱动电路组成；人机接口电路由按键和LED数码管组成；通信接口电路由RS-485接口电路组成；供电电源电路分别向系统数字电路提供逻辑5V电源，向模拟电路提供±12V与±5V模拟电源。

2.3.1 主机电路设计

主机电路设计的核心是选择一款恰当的嵌入式处理器，其处理速度、内含的存储器容量、内含的功能部件尽可能满足系统要求，同时，市场售价满足整机硬件成本要求。

系统对处理速度的要求：根据设计任务中关于温度巡检周期为1s，巡检8路的要求，处理器应当在1/8s，即125ms内完成1路温度的数据采集、标度变换、线性化处理、显示等各项任务。在一般情况下，以上所列任务在８位微处理器中可以通过执行２０００条指令实现，以执行每条指令需要２ｕｓ来计算，共需要４０００ｕｓ，即４ｍｓ。比起系统要求的１２５ｍｓ来说明相差甚远。所以，对８路温度巡检仪这样一个系统来讲，一般８位微处理器的处理器的处理速度完全可以满足需要。

系统对程序存储器的要求：就设计任务中规定的功能及技术指标而言，软件任务的复杂程度一般，当采用汇编语言编程实现时，一般5000条指令可以完成全部编程任务。以ＭＣＳ５１指令代码效率推算，每条指令平均占有２Ｂ，共需１００００Ｂ即１０ＫＢ的程序存储器容量。

系统对数据存储器的要求：数据存储器主要作为计算缓冲区、堆栈区、实时数据存储区、中间数据存储区使用，对本设计任务而言，一般200～300B可以满足需要。

系统对EEPROM存储器的要求：EEPROM存储器的使用性能是指，程序运行时可以向其中写入数据或擦除数据，当系统关机或掉电时，写入的数据能够可靠长久的保留。它主要用来存储使用者存储的数据，如巡回检测