基于單片機的具有通訊口的智能溫控表設計

1　引言
? 溫控表已廣泛應用于工業控制等諸多領域，本文介紹的具有計算機通訊功能的智能溫控表是一種新穎的自動化儀表，它以單片機AT89C52為核心，采用電壓／頻率轉換技術和RS－485通信接口芯片MAX487，具有測量精度高、可靠性好、抗干擾性能強、可實現計算機網絡控制等優點，可廣泛應用于冶金、紡織、化工、醫療等行業。它具有－200～＋500°C范圍的溫度測量和自動控制，是老式溫控表的替代產品，市場前景廣闊。

2　系統硬件設計
?? 系統硬件框圖如圖1所示。

　　系統接通220V交流電源后，通過穩壓電路（7805、7905）產生±5V直流工作電源，以滿足本系統中集成電路工作需要，系統的遙測電路開始工作：在人員不能進入或不易進入的場合，通過溫度傳感器鉑電阻PT100及運算放大器OP07將被測溫度的變化轉換成電壓信號，由LM331進行V／F變換為脈沖信號輸入至89C52的T0口進行頻率計數，該計數脈沖頻率即反映了所測溫度的大小，系統進行PID運算，若所測溫度與系統設定溫度不相符，根據PID計算結果通過光耦TIL117控制輸出電路中的電磁繼電器吸合，進行溫度調節的控制，同時各分機的通訊口MAX487與主機進行數據通訊與傳送，由主機輸入參數可進行所有溫控表的溫度設定。系統所設定的溫度數據存儲于看門狗芯片X25045中，同時當檢測溫度超過設定溫度一定值時系統進行報警。本系統采用一片8155作為8位LED數碼管及4位鍵盤的接口，同時顯示系統設定溫度及檢測溫度值，4位鍵盤為：位選、增量、減量、功能。

2．1　溫度檢測與信號放大電路
?? 本系統采用鉑電阻PT100為測溫元件，PT100具有性能穩定、抗氧化能力強和測量精度高等優點。由PT100和電阻元件組成的橋式電路將由于溫度變化引起的鉑電阻的阻值變化轉換為電壓信號輸入放大器。因需通過連接導線將安裝在測量現場的鉑電阻接入控制臺，為了減小引線電阻的影響，采用三線式接線法。

　　信號放大電路由集成運放OP07組成，OP07的噪聲峰－峰值為0．6μV，共模扼制比CMRR＞106dB，OP07的管腳功能：IN＋和IN－為信號差動輸入端，1、8腳為調零端，6腳為輸出端。

2．2　電壓／頻率轉換電路（LM331）
?? 在控制和測量系統中，一般由AD轉換器件將電量或非電量通過傳感器和前置電路接入后續電路處理。本系統采用V／F轉換器LM331將溫度信號的變化轉換為頻率信號的處理。

　　LM331是美國NS公司生產的性能價格比高、外圍電路簡單、可單電源供電、低功耗的集成電路。LM331動態范圍寬達100dB，工作頻率低到0．1Hz時尚有較好的線性度，數字分辨率達12位。LM331的輸出驅動器采用集電極開路形式，因此可通過選擇邏輯電流和外接電阻來靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同邏輯電路。LM331可工作在4．0V～40V之間，輸出可高達40V，而且可以防止VCC短路。

　　本系統中，LM331將輸出的頻率信號變成TTL電平送給單片機的P3．4口作為T0的計數脈沖。該轉換電路線性良好，抗干擾能力強，輸出范圍在10Hz～10kHz以上，有利于提高系統的測量范圍。
LM331主要管腳功能：

　　RC：參考電流輸入端；CO：電流輸出端；FO：頻率輸出端；CI：電壓輸入端。

2．3　CPU及外圍電路
?? AT89C52是ATMEL公司生產的MCS－51系列單片機，內置8K字節電擦除可編程EEPROM片內程序存儲器和256字節RAM，片內程序存儲器空間能滿足本系統程序存儲之需要，可省去片外EPROM程序存儲器和地址鎖存器，使電路結構簡捷。

??? TXD、RXD、P1．5、P1．6分別與MAX487的DI、RO、 、DE相聯進行數據通訊控制，P1.0～P1.4口、RESET接至X25045ALE、P0口、P2．0、P2．1接至8155。P3．4口計數器T0輸入端接至LM331的頻率輸出端進行脈沖計數。P1．7口為光耦TIL117控制端。

　　系統數據存儲及故障保護部分由X25045組成，X25045是一種串行通訊的512字節EEPROM，同時兼有看門狗和電源監控功能。X25045有三種可編程看門狗周期，上電和VCC低于檢測門限時，輸出復位信號，X25045輸出復位高電平有效，其復位輸出端直接與89C52的復位端連接。

　　X25045管腳功能：片選輸入；SO：串行輸出；SI：串行輸入；SCK：串行時鐘輸入；WP：寫保護輸入；RESET：：復位輸出。

2．4　通訊口（MAX487）
??? 本系統采用RS－485接口芯片MAX487作為通訊口。MAX487是MAXIM公司生產的用于RS－485和RS—422通信的差分總線小功率收發器，它含有一個驅動器和一個接收器，具有驅動器／接收器使能功能，輸入阻抗為1／4負載（≥48kW），節點數為128，即每個MAX487的驅動器可驅動128個標準負載。MAX487的驅動器設計成限斜率方式，使輸出信號邊沿不至于過陡，以避免在傳輸線產生過多的高頻分量，從而有效扼制了干擾現象。MAX487的接收靈敏度為±200MV，即接收端的差分電壓≥＋200MV時，接收器輸出為高電平，≤－200MV時接收器輸出為低電平，介于±200MV之間時接收器輸出為不確定狀態，因此，一旦某個節點的接收器在總線空閑、傳輸線開路或短路時產生低電平，將使串行接收器找不到起始位，從而引起通信異常，為此，本系統在硬件上作了處理：將MAX487的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，保證在發出有效數據時所有接收器能接收到完整的數據。

　　MAX487的數據傳輸速率為0．25Mbps，靜態工作電流為120μA，5V單電源工作，在本系統中，MAX487采用半雙工通信方式，各節點間的通信通過一對雙絞線作為傳輸介質，因雙絞線的特性阻抗為120Ω，因此系統在MAX487的始端和末端各接一個120Ω電阻以減少線路上傳輸信號的反射。由于主機與分機相隔較遠，而分機系統上電或復位又常常不在同一時刻完成，如在此時某個MAX487處于發送狀態，將占用通信總線而使其它分機無法與主機進行通信，本系統在89C52的P1．6口與MAX487的DE端之間加接光耦TIL117，保證了系統上電復位時MAX487的DE端為“0”，有效解決了這個問題。

　　MAX487主要管腳功能：RO：接收器輸出端； ：接收器輸出使能端， 為“0”時RO被使能；DE：驅動器輸出使能端；DI：驅動器輸入端；A：接收器同相輸入端和驅動器同相輸出端；B：接收器反相輸入端和驅動器反相輸出端。

3　控制軟件的設計
?? 該系統軟件采用模塊化設計，由主程序和子程序及中斷服務程序組成。主程序流程圖如圖2所示，主要子程序包括：顯示子程序；鍵盤掃描子程序；PID運算子程序。限于篇幅，具體程序略。

4　結束語
??? 該智能溫控表測量精度高，性能穩定可靠，不但可以取代老式的溫控表，還可以實現計算機網絡高效數據管理，是現代工業控制領域中實用的智能化儀表。