巡检仪设计

1 引言

在当今工业化大生产日趋发张的过程中，检测生产过程温度变化的智能温度巡检仪也被赋予很大的作用，在生产工业生产中起着不可替代的作用。目前温度巡检仪的设计技术已基本成熟，设计方案也各种各样，许多心的设计方案也层出不穷，当然随着当今电子技术的不断进步，温度巡检仪的设计也只能是越来越自动化、智能化，在生产中所发挥的作用也会更加的高效。

随着社会的发展和超大规模集成电路的出现，与其他独立的电子元件相比，单片机具有体积小，价钱便宜，控制能力强等优点，在工业、消费品、军事、通讯等领域的应用越来越广泛，利用单片机来设计的新产品实现不同程度的智能化将是历史发展的趋势，各种各样的设备也将会随着单片机的发展而更新换代。应用单片机来设计的新产品具有新颖，结构紧凑和设计灵活、方便等特点。

2 总体设计

2.1.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。

2.2．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。2.3．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。

3 硬件系统设计

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。

3.1 主机电路设计

主机电路中主要包括AT89C55WD单片机和X5045芯片，就可以满足系统对硬件资源的需求，硬件电路原理图2-3所示。

K，当系统上电时，将在Ｘ５０４５的引脚７产生一个高电平有效的复位信号，该信号接到单片机的复位引脚ＲＳＴ，实现单片机的上电复位。

电源电压监测：Ｘ５０４５工作时，监视Ｖｃｃ跌落到一个确定的数值时，ｘ５０４５的复位引脚７将发出一个高电平有效的复位信号，使单片机复位。只要Ｖｃｃ跌落到一个确定的数值以下，并保持在１Ｖ以上时，Ｘ５０４５能够发出单片机需要的５Ｖ高电平的复位信号，保证单片机可靠复位。这就保证在Ｖｃｃ一旦跌落到单片机允许的工作电压以下时，单片机处于复位状态，否则单片机此时可能执行某些错误的指令，产生不可预料的结果。选定Ｖｃｃ跌落到多大数值时，产生复位信号，可以通过对Ｘ５０４５编程决定，一般采用Ｘ５０４５出厂时默认的数值即可。

ＷＤＴ超时周期选择：Ｘ５０４５内部的ＷＤＴ超时周期有３个数值可以编程选定，即２００ｍｓ、６００ｍｓ、１．４ｓ。ＷＤＴ的超时周期决定了单片机从“死机”状态恢复为重新运行所需的时间。理论上讲，这个时间越短越好，但对于慢速系统来讲，太短的时间不是很有实际意义。时间选得越短，单片机正常运行时，访问Ｘ５０４５的时间间隔也越短，会增加ＣＰＵ的负担。

3.2 前向通道电路设计

前向通道的任务是接收温度传感器Pt100铂电阻的信号，将其转变为单片机能够进行处理的数字信号，由信号转换电路、动态稳零电路、多路模拟开关、阻抗匹配电路、放大电路、A/D转换电

路等几部分组成。原理框图如图2-6所示，硬件电路如图2-7所示。

3.2.1．信号转换电路

信号转换电路由图2-7中的9个惠斯登电桥组成（由于图面所限，图中仅绘出第1个、第2个和第9个），实现将8路Pt100温度传感器输出的电阻信号转换为电压信号。其中，第1个惠斯登电桥没有外接Pt100传感器，设臵它的目的是为动态稳零电路提供零信号（详见5.动态稳零电路）。余下8个惠斯登电桥的工作原理完全一致，这里以第2个电桥为例，它由R5、R6、R7、C3、C4组成。来自Pt100温度传感器发出的电阻信号以3线形式接到a1、b1、c1处，a1接Pt100的一端，b1、c1接Pt100的另一端，于是由Pt100、R5、R6、R7构成一个惠斯登电桥，如图2-8所示。当检测到温度变化时，Pt100的阻值发生变化，在A、B点对应产生一个变化的电压ABV 。实现了

R/Ｖ（电阻/电压转换）转换。电路中标有r的3个电阻，是Pt100从现场三线连接到仪表的线路电阻。

3.2.2．A/D转换电路

A/D转换硬件接口电路如图2-13所示。ICL7135仅通过两根线与AT89C55相接，仅占用AT89C55 T1、T2两个计数器及外部中断INT1。

(1) A/D转换结果的读取

ICL7135的时钟信号源于AT89C55的T2计数器方波输出，同时接至AT89C55的T1，利用T1计数器记录BUSY为高电平时的时钟周期数。BUSY信号接至AT89C55的外部中断INT1，其意图有两个。第一，控制T1计数。当T1计数器工作于方式1时，通过软件设臵GATE控制位为“1”时，T1计数受INT1控制，当INT1（既BUSY）为高电平时，T1可对来自外部的脉冲（既ICL7135的时钟周期）计数；INT1为低电平时，停止计数。第二，在BUSY 信号由高电平跳变为低电平瞬间，以中断形式通知CPU，以读出A/D转换后的数字码。

（2）驱动程序

①A/D转换结果的读取

ICL7135的时钟信号源于AT89C55的T2计数器的方波输出，让AT89C55 通过P1.0引脚，为ICL7135提供250kHz时钟信号时，编程设定AT89C55 的T2工作于方波产生器方式。当AT89C55 晶体振荡器取12MHz时，编程如下：

MOV T2CON，#04H ；T2工作于方波产生器方式

MOV T2MOD，#02H

MOV RCAP2H，#0FFH ；输出方波频率为250kHz

MOV RCAP2L，#0F4H

②A/D转换结果读出程序

如图2-13所示，当BUSY信号由高跳变到低时，将触发INT1中断，在INT1中断服务程序中将A/D转换结果读出，存放于内部RAM 30H、31H中。

INT1_ISR：

PUSH PSW ；保护现场

PUSH ACC

MOV A,TL1 ；T1计数减去10001（2711H）后送30H，31H中

CLR C

SUBB A,#11H

MOV 31H,A

MOV A,TH1

SUBB A,#27H

MOV 30H,A

MOV TL1,#0 ；清零T1

MOV TH1,#0

POP ACC