范 敏，余紅英，孫甲凱，何昌東

(中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。單片機具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。本設計使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途［1］。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

根據(jù)應用系統(tǒng)的要求及軟硬件功能的劃分，初步確定應用系統(tǒng)硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體工作原理框圖

利用溫度傳感器AD590 可以直接讀取被測溫度值，進行轉換的特性，模擬溫度值經過ADC0809 處理后轉換為數(shù)字值，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理，并與設置的溫度報警限比較，超過限度后通過揚聲器報警。同時處理后的數(shù)據(jù)送到LCD 中顯示［2］。

1.1 系統(tǒng)硬件設計

1.1.1 微處理器選擇和主機系統(tǒng)設計

由于本設計對控制精度要求不高，控制功能一般，故選擇常用的MSC－51 系列單片機中的STC89C58 作為微處理器。片外程序存儲器選用2732，容量為4 k ×8 位。因采集和處理的數(shù)據(jù)不多且不需要保留，估計數(shù)據(jù)存儲器使用片內的即能滿足要求。其中，硬件元器件STC89C58 有40 條引腳，有兩條專門用于電源的引腳，兩條外接晶振的引腳，四條控制或與其他電源復用的引腳，32 條I/O 引腳。

1.1.2 輸入通道設計

輸入通道只有一個，包括溫度傳感器、放大器和A/D 轉換器三部分。本次設計的溫度檢測范圍屬于低溫，適用于低溫的檢測元件有熱電偶、熱敏電阻、集成溫度傳感器等。

1)這里采用集成溫度傳感器AD590。這種傳感器是一個雙端元件，其工作溫度范圍為－55 ℃～+150 ℃，要求工作電源為直流+4 V～+30 V。它能把溫度信號變?yōu)榕c絕對溫度成比例的電流信號，比例因子為1 uA/K。其穩(wěn)定性高，線形度好，測溫誤差有±1、±0.5、±0.3 幾種等級。

AD590 本身產生的電流信號，通過運算放大器TD07 對電流做加法運算。在運放輸出端可得到合適的電壓信號，作為A/D 轉換的輸入。電阻RP1、RP2 的選擇原則是使運放輸出電壓為0;當溫度為60℃時，調節(jié)RP2 使運放輸出電壓為4.69 V。如果0 ℃不能實現(xiàn)，也可以在另外一個溫度點上(如室溫)來調整。0 V 和4.69 V 經A/D 轉換后的數(shù)字量為00H 和F0H(240)，這樣對應1 ℃的數(shù)字量為04H，便于進行溫度的標度變換［3］。

AD590 是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋，AD590 的后綴以I，J，K，L，M 表示。AD590L，AD590M 一般用于精密溫度測量電路，它采用金屬殼3 腳封裝，其中1 腳為電源正端V+;2 腳為電流輸出端I0;3 腳為管殼，一般不用。

AD590 的工作原理是在被測溫度一定時，AD590 相當于一個恒流源，把它和5～30 V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個1 kΩ 的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1 mV/K 的電壓信號。

2)本系統(tǒng)的運算放大器采用TD07。TD07 高精度運算放大器具有極低的輸入失調電壓，極低的失調電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特點?？蓮V泛應用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、比較器及微弱信號的精確放大，尤其適應于宇航、軍工及要求微型化、高可靠的精密儀器儀表中［4］。

3)本系統(tǒng)的AD 轉換芯片采用ADC0809。ADC0808 是精度為8 位的CMOS 器件，不僅包括一個8 位的逐次逼近型的ADC 部分，而且還提供一個8 通道的模擬多路開關和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8 個單端的模擬信號分時進行A/D 轉換［5］。

1.1.3 輸出通道設計

輸出通道有3 條，分別控制3 臺電爐通電和斷電。這是3 條具有相同結構的開關量輸出通道，擬采用前面介紹的光電耦合雙向晶閘管驅動電路。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件總體設計

應用程序結構采用中斷方式，由定時器發(fā)出定時中斷申請。主程序進行系統(tǒng)初始化，包括定時器、I/O 口和中斷系統(tǒng)的初始化，等待定時中斷。在中斷服務程序中，先判斷是否到30 s。若不到30 s，則返回;若到30 s，進行以下操作:撥盤設定值檢測、溫度檢測、標度變換、溫度顯示和溫度控制，并根據(jù)溫度檢測值決定是否報警。

在應用程序總體結構中，將以下6 個功能程序作為模塊程序:溫度設定輸入、溫度檢測、溫度值標度變換、溫度顯示、溫度控制和報警程序模塊。

2.2 程序模塊設計

下面說明溫度檢測和溫度控制這兩個模塊的程序設計。

1)溫度檢測程序模塊。溫度檢測程序的功能是連續(xù)進行4 次A/D 轉換，求取轉換結果的平均值，存入內部50 H單元，A/D 轉換采用查詢方式。

2)溫度控制程序模塊。溫度控制程序的功能是將溫度實測值(存于50H)與設定值(存于51H)作比較，如測值高于設定值1 ℃(注意，此值小于要求誤差2 ℃，對應的數(shù)字量為04H)，則關閉1 臺電爐;如實測值低于設定值，則接通一臺電爐;否則不與調節(jié)。3 臺電爐接通的順序是3#、2#、1#，這樣可以保持電爐的通斷具有相對穩(wěn)定性。

3)主程序和中斷服務程序設計。在定時中斷服務程序中，各功能程序都已模塊化，可直接調用。

先說明30 s 定時的實現(xiàn)方法。當振蕩頻率為6 MHz時，STC89C58 內部定時器的最大定時值為131 ms。要實現(xiàn)30 s 定時，需要另外設置一軟件計數(shù)器。現(xiàn)使定時器T0 工作于方式1，定時時間為130 ms，則其時間常數(shù)為:

軟件計數(shù)器的初值=30、0.13≈E7H

主程序清單:

［1］馮文旭，劉傳璽.單片機應用技術［M］.北京：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

［2］鐘睿，張松，余波，等.MCS－51 單片機原理及應用開發(fā)技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2006.

［3］趙麗娟，邵欣，房世平.基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.機械制造，2006：74－75.

［4］張開生，郭國法.MCS－51 單片機溫度控制系統(tǒng)的設計［J］.微計算機信息，2005(7) ：72－73，+65.

［5］郭天祥.51 單片機C 語言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.