多路溫度采集及監控系統的設計與實現

　　摘要：溫度是生產過程和科學試驗中普遍且重要的物理參數。在工業生產中，為了生產，必須對生產過程中的主要參數，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效控制。其中溫度控制在生產過程中占有相當大的比例。準確地測量和有效地控制溫度是、高產、低耗和安全生產的主要條件。本文介紹了多路溫度采集及監控系統的設計與實現方法，供大家了解。
　　
　　1、引言
　　
　　溫度是生產過程和科學試驗中普遍且重要的物理參數。在工業生產中，為了生產，必須對生產過程中的主要參數，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效控制。其中溫度控制在生產過程中占有相當大的比例。準確地測量和有效地控制溫度是、高產、低耗和安全生產的主要條件。
　　
　　2、系統概述
　　
　　整個溫度控制系統主要由計算機控制系統（上位機）、單片機測控系統（下位機）、溫度傳感器組、功率加熱系統等部分組成。系統采用了模塊化的設計思想，組建方式靈活，并可利用多塊單片機測控系統組合的方法增加測量點，具有良好的擴展性。系統結構框圖如圖1所示。
　　
　　溫度測量采用高精度的溫度傳感器PT100獲得物體當前溫度，經過低功耗、低輸入失調電壓、線性好的OP07A進行信號放大，送至8051F350內部高速率24位A／D轉換器，根據系統設定的目標溫度（由上位機發送）和控制范圍，通過6路PWM控制加熱器的工作狀況，使物體達到目標溫度并且保持恒溫狀態。同時可以利用單片機內部的Flash存儲器把各通道設定的溫度、系統參數存儲起來。當系統斷電或復位后，可以繼續運行，增強了系統的抗干擾性能。　　
　　3、系統硬件設計
　　
　　3.1主控電路
　　
　　溫度采集監控系統的主控電路采用高性能、功能強大的8051F350。8051F350是由Cygnal公司推出的*集成的混合信號系統級芯片（SoC），具有CIP-51微控制器內核，與MCS51指令集*兼容；機器周期由標準的12個系統時鐘降為1個系統時鐘周期，處理能力大大提高，峰值速度可達25MI／s；內部集成了構成單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能元件（包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus／I2C、UART、SPI、定時器、可編程計數器／定時器陣列、內部振蕩器、看門狗定時器以及電源監視器等）。
　　
　　3.2溫度采集測量電路
　　
　　溫度采集測量部分采用高精度、重復性好、應用廣泛的PT100作為采樣電阻；信號放大部分采用低功耗、低輸入失調電壓、線性好的OP07A；A／D模塊采用8051F350內部的高速率24位A／D轉換器。溫度采集測量電路如圖2所示，圖中PT100是高精度溫度傳感器，Z1是3.6V穩壓管，起保護作用。　　
　　3.3串行通信電路
　　
　　串行通信采用壓差傳輸的CAN總線，它具有傳輸距離遠、抑止共模*力強等優點，通信速率可達1Mb／s。CAN總線通信接口集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等。數據段長度zui多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。在整個溫度測控系統中，采用CAN總線作為數據通信線路，測溫模塊安裝在距離測量點較近地范圍內，這樣，來自傳感器的接線就比較短，從而減少了干擾。
　　
　　3.4功率控制模塊
　　
　　P10～P15輸出6路PWM波，通過光電隔離和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓，改變可控硅模塊的導通角，從而改變輸出功率。功率控制模塊電路如圖3所示，其中P10，P10分別是一路PMW，通過改變它們的高低電平比例來改變控制電壓K0和K1，從而控制加熱器的功率。　　
　　4、系統軟件設計
　　
　　整個系統的軟件設計包括兩部分：計算機軟件（上位機）和單片機軟件。其中，計算機軟件主要完成設定溫度、監控系統當前溫度和標定系統。單片機軟件完成A／D采集、串口通信和功率模塊控制。
　　
　　上位機軟件采用LabWindows／CVI編寫，它將功能強大、使用靈活的C語言平臺和用于數據采集分析和顯示的測控專業工具有機地結合起來，利用它的集成化開發環境、交互式編程方法、函數面板和豐富的庫函數大大增強了C語言的功能，為建立測試系統、自動測試環境、數據采集系統、過程監控系統等應用軟件提供了一個理想的軟件開發環境。可以脫離Labwindows／CVI開發環境運行，用戶zui終看見的是和實際儀器面板相類似的操作面板。板卡與PC機通過RS-232串口線連接。
　　
　　下位機程序框圖如圖4所示。系統上電后，下位機程序可使單片機不停地采集溫度，當上位機向下位機發出命令置位采集標志位時，下位機采集的溫度送到上位機的面板并顯示，再將所采集的溫度數據同預先所設定的溫度值相比較，當采集的溫度小于設定溫度時，根據采集的溫度值跟設定溫度差值的大小，單片機的P10～P15引腳輸出6路PWM，通過光電隔離TLP521-2和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓，改變可控硅模塊的導通角，從而改變輸出功率。隨著采集到的溫度值越來越接近設定溫度值，單片機輸出的PWM值越來越大，導通角越來越小，輸出的功率也相應變小，直到采集的溫度等于設定溫度時，導通角*關斷。同時下位機也可隨時響應串口中斷，便于用戶通過上位機設置或修改設定溫度和控制范圍。
　　
　　5、結束語
　　
　　本系統設計采用高精度溫度傳感器和低輸入失調電壓、線性好的運算放大器組成信號調理電路，同時采用24位的A／D采集模塊，可使系統測量精度達0.02℃，控制精度達0.5℃，滿足用戶對溫度控制的要求。采用功能強大的8051F350單片機作為控制核心，減少了系統對外圍器件的需求，簡化了電路設計，提高了可靠性，同時也降低了成本。