基于T89C51AC2多点温度检测系统的设计

马艳，王贞，刘华波

0 引言

温度检测系统在工业生产过程中应用非常广泛，比如在粮仓、陶瓷窑等场所都需要对温度进行实时的监控。本系统采用主从式结构，各从站和主站都采用T89C51AC2作为控制器，从站的主要功能是用来检测各个测温点的温度，并通过数码管显示该温度值，温度传感器选用 PT100铂电阻，各从站都可以独立工作。主站采用轮询的方式分时查看各个从站的温度值，控制从站的工作，比如主站可以对从站的温度值进行误差校正以去除系统的零漂，主从站之间通过RS485进行串行通讯。系统的硬件电路由4个主要模块构成：检测模块，通信模块，控制模块和键盘、显示模块，其功能框架如图1所示。

图1 系统的功能框架

1 硬件电路的设计

1.1 CPU 的选择：

CPU选用 ATMEL公司生产的 51内核的单片机T89C51AC2。该芯片内部集成了32K Flash ROM、1K RAM、2K EEPROM，3个定时器，并有看门狗电路等实用的功能。由于内部集成了可在线编程的Flash ROM，不需要外接程序存储器，从而节省了单片机外围口线，以利于外围端口扩展功能，而且ISP功能使其可以很方便地在对软件进行在线升级。

1.2 从站电路的设计

系统采用PT100作为温度传感器，PT100铂电阻适用于测量-60℃～+400℃之间的温度，而且它的阻值随着温度的变化近似成线性变化。利用 PT100的温度特性，设计测温电桥，当环境温度为 0℃时，电桥平衡，输出电压为 0V，当环境温度变化时，根据电桥的输出电压计算当前的温度值。

当温度变化引起电桥的输出电压发生变化时，该变化量经过运放TL064进行放大，然后进行A/D转换，为了保证A/D转换的精度，系统选用了具有12位分辨率，单、双极性输出的双积分A/D转换器TLC2543。从测温现场到A/D转换之间的信号处理电路，如图2所示：

图2 从站信号处理电路

完成A/D转换后，数据被表示成12位2进制数，将其设置为左对齐方式存放，从机需要将其转换为相应的十进制数，才能送到LED显示，同时等待接受来自上位机的指令，完成数据的串行传输。

1.3 主站电路的设计

系统的主站电路主要包括四个模块：主控制器模块、通信模块、键盘输入模块和液晶显示模块。系统采用性能卓越的T89C51AC2作为主控CPU，负责整个系统资源的管理及协调各部分工作，使其各部分性能达到最佳工作状态。

主站的通讯模块选用RS-485。RS-485成本低，传输距离可达1000多米，具有多节点、传输成本低以及易操作的特点，通常应用于一对多点的主从应答式通信系统中。因此系统采用RS-485作为通讯网络，用于主控制器和从控制器的通信。主从机的串口通信电路如图3所示。

图3 主从站的串口通信电路

系统采用HD7279A驱动键盘和液晶显示器，HD7279A是具有串行接口的智能显示驱动芯片，该芯片单片即可完成驱动LCD显示和键盘接口的全部功能。

主站的控制模块需要处理按键输入、显示输出，并从各个从站读取数据和向从站发送控制指令，例如发送温度调整指令。主机在主程序中轮询各个从机，在从机中通过串行中断响应主机的指令，发送采样数据或接收主机发送的温度修正指令。由于串口被轮询占用，主机的按键和显示控制采用软件模拟串行口向7279模块收发数据。从机按主机发出的温度修正要求对采样数据作修正，并向主机传送修正后的采样数据。

1.4 电源电路的设计

为了保证测温点的测试电桥和精密运放的正常工作，系统采用了一套±12V稳压电源和一套+5V稳压电源。选用固定式三端稳压器CW7812、CW7805和CW7912，其电路简单，成本低廉，稳定性好。

对于单相220V的交流输入电压，先选用三抽头的变压器降低电源电压的幅值，整流电路采用两路半波整流电路正负交替工作。既可提高带负载能力，又可避免当正负电源各自采用全波整流时，使用的三抽头变压器因其中间抽头共地，在电源负半周期出现短路现象。电源电路如图4所示。

图4 电源电路的设计

2 软件程序的设计

系统软件的设计采用模块化的程序结构，主要包括：键盘控制子程序、内部时钟子程序、串口通信子程序和滤波程序等

2.1 键盘控制子程序

图5 键盘控制子程序

2.2 滤波程序

为了保障 A/D转换的精度，系统在程序中采用了多次采样求平均值和剔除跳跃过大的采样信号的算法。滤波程序的流程图如图6所示。

图5 键盘控制子程序

3 提高精度的方法

为了提高系统的精度，除了在软件上采用滤波程序外，系统还使用了以下两种方法：

1、去除系统的零点漂移：将铂电阻电桥的输出电压置零，由于集成运放存在一定程度的零漂，因此运放会输出一个小电压，将该电压作为系统的零点漂移，在温度结果中消除，消除的方法可以通过主站中的键盘输入功能，手动输入修正值，修正各从站的零漂，对不同的从站分别测试零漂的大小，分别消除。

2、铂电阻电压温度关系的分段线性化：由于铂电阻的温度电压关系存在一定的非线性，常用的线性化处理方法有两种：（1）采用铂电阻的拟合公式；（2）对铂电阻的电压温度关系曲线采用分段线性化。在本系统的设计中选用方案（2），将0°C ～400°C的测温范围分为4段，实现分段线性化。

4 结语

在系统的测试中，由于0°C～400°C的宽温度环境制造不易和其他测温设备也存在一定程度的测温误差，因此系统采用的测试方案是采集测温电桥的输出电压，转换成铂电阻的电阻值，对应铂电阻的分度表查找相应的温度值，将本系统的温度输出与标准分度表进行比较，具体的测量数据如表1所示：

表1 系统的测试数据

从测试结果可以看出，系统的工作可靠，误差较小，这表明系统的设计方案合理可行。由于本系统的设计电路简单，成本低廉，稳定性好，因此具有广泛的应用价值。

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[4]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

[5]PT100铂电阻的分度表.