摘要：本文詳細介紹了基于單片機AT89C52的溫度測量系統，對系統中信號輸入通道、信號處理、數據顯示等從硬件和軟件兩方面進行了闡述，并做了相應的理論分折，系統可以實現多點溫度巡回采集處理與變送的功能。
關鍵詞：變送器 傳感器 單片機

一、概述

石灰爐燒制石灰時爐內各處的溫度可能不一樣，生產工藝要求得出爐內四點的平均溫度，了解各點的溫度值，對平均值及各測量點的溫度進行報警處理；若某處的信號不正常（傳感器損壞或斷線）能及時報警并排除在數據處理之外。本系統可完成以上功能，檢測處理石灰爐的溫度，并以4-20mA形式變送遠傳溫度平均值或最高一點的溫度。該產品的工作示意圖如下圖1所示，在該石灰爐內有四個點分別放四個熱電偶，這四個熱電偶就是該系統的四路輸入信號來源。利用該系統測出如圖1所示：

二、系統硬件設計

1、系統結構框圖及人機界面

系統的結構框圖見圖二。系統硬件部分主要由前端輸入電路,A/D及D/A電路,人機界面電路,CPU及外圍電路組成。系統達到的主要功能是充許四路信號輸入，用戶可以通過參數設定選擇輸入熱電偶類型，平時顯示溫度平均值，若操作者需要可以按動面板上的按鍵查看任一路信號的溫度。四路信號是獨立的，有一路短路或斷線故障，不影響其它幾路信號的工作。儀表具有超限報警功能及熱電偶斷線提示功能。溫度平均值或溫度最高的一路信號的變送為4-20mA電流信號輸出。系統具有掉電保護功能，當掉電時，設定數據可以保存。

系統設計有良好的人機界面，操作顯示面扳見圖3，在控制顯示面板上有兩排數碼管和四個按鍵，進行系統工作的顯示和參數的修改。系統工作方式分為兩個狀態分別為編程和運行。利用一號鍵K1（狀態切換鍵）可以在兩種狀態間切換。在編程狀態時，上一排數碼管顯示參數代號，下排數碼管分別顯示對應參數。在這種狀態下，利用二號鍵K2（移位鍵）可以順序變換不同的參數代號及參數。利用三號鍵K3（加鍵）和四號鍵K4（減鍵）可以對參數進行修改。

在運行狀態時，上一排數碼管顯示各個信號回路順序號（1～～5），下排數碼管分別顯示對應溫度。其中1～4路分別顯示四路回路號及其溫度，5路顯示四路中溫度平均值。這五路自動循環顯示，利用四號鍵K4（定位鍵）可以使顯示內容停在當前回路上。在編程或運行狀態下，無論何時按下K1，都可使狀態變換到另一種狀態的初始階段。

電路設計中沒有擴展總線及程序存儲器及I/O口,CPU的四個并行口全作為普通I/O口使用,CPU及外圍電路都是標準用法,在此重點介紹有設計特色的A/D及D/A電路和人機界面電路及電源電路。

2、數據采集電路與放大電路

數據采集部分電路如圖4所示，限流電阻R1和穩壓管TL431產生2.5V標準電壓。系統共有7路模擬輸入信號,4路熱電偶信號輸入（EXT1————EXT4），１路冷端補償信號,一路基準信號,一路地信號（EXT5）。2.5V電壓加在10K電阻和外接二極管串聯支路上，構成熱電偶的冷端補償電路，它是利用二極管正向工作的電壓-溫度特性測量冷端溫度，基準信號利用2.5V電壓和分壓電阻產生。因此采用了8選1多路模擬開關CD4051,由單片機的P2.0、P2.1、P2.2三個引腳高低電平控制模擬通道的選擇。由于輸入熱電偶分度號由用戶設定，不同分度號信號大小不一,故設計了由OP07和4051（U2）組成的程控放大器，輸入信號經放大后進入A/D,經采集處理后得出各路信號值。程控放大是利用單片機對4051的控制，選擇不同的通道，同時也就選擇了不同的放大倍數。4051外接的電阻是：R25=20K，R26=47K，R27=2.4K，R28=3.9K，R29=1.9K，共有4個不同的放大倍數，分別為放大倍數1=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（47+2.4+3.9+1.6）≈1.3倍、放大倍數2=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（2.4+3.9+1.6）≈10倍、放大倍數3=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（3.9+1.6）≈14倍、放大倍數4=（20+47+2.4+3.9+1.6）/1.6≈46倍。1.3倍的放大倍數主要用于冷端補償二極管信號的采集，電路中四個22M上拉電阻完成熱電偶斷線撿測功能。

石灰爐內4點放四只熱電偶，作為系統的四路mV信號輸入端。熱電偶信號被選通輸入后進入程控放大電路，信號分度號不同則mV值的高低也不同，通過軟件選擇不同的放大倍數，使這些放大后的信號最大值接近A/D的最大充許值；以充分利用A/D資源,保證測量精度。設放大倍數為A，則從程控放大出來的信號即為AX。各種信號的放大倍數的確定和后面A/D器件的模擬輸入有關，本電路的A/D選擇7135（五位半）,基準電壓為0.5V,7135的模擬輸入的范圍為0～1V電壓。例如B、S標準熱電偶，放大倍數應選擇46，K、E、標準熱電偶放大倍數應選擇14。冷補二極管信號為0.65V左右，采用1.3倍放大倍數,現以一路信號的轉換計算為例說明，測量某路熱電偶輸入時依次采集外接熱電偶輸入毫伏值、冷端補償二極管電壓降、基準電壓及模擬地。從4051的X2端輸入V基是己知電壓，并固化于程序中,D基、D零、Dx分別是基準、零點及輸入熱電偶信號的實時A/D采集值，通過下式可以完成零點滿度的自校正,計算出VX值。由于V基、Vx及地三個信號經過同樣的硬件輸入通道,硬件的離散性誤差及零點滿度漂移對三者的影響相同，通過下面公式可以校正零點、放大倍數及A/D各環節的誤差，在用一般器件的情況下可保證系統的測量精度。

D基-D零/Dx-D零=Vx/V基

由于熱電偶mV溫度間關系是非線性的，我們采用了折線法進行非線性校正，VX通過分段非線性數據處理,可以算出對應溫度CX,加上通過測量冷端補償二極管電壓得出的冷端補償溫度C0，就得到該路的實際測量溫度C,即C=CX+C0。

同時由于熱電偶的原因，在測量端的電壓值會被抵消了一部分。這種情況造成的誤差影響較大。必須對它進行冷端補償。因為二極管在溫度變化時，其正向導通電壓變化穩定，為-2mV/℃，因此我們采用二極管測冷端濕度進行補償，具體做法如下：

第一步，我們冷端補償輸入端輸入一標準電壓0.7V得到一個AD采樣值D0，然后我們再輸入一標準電壓0.6V再得到一個AD采樣值D1。兩者相減得到一個值ΔD，根據二極管的特性，每1℃電壓變化2mV，我們輸入的第1個標準信號和第2個標準信號相差為100mV，相當于二極管正向電壓變化100mV，對應冷端溫度變化50℃，就可以求出冷端溫度每變化1℃時其對應AD值變化多少的系數K=ΔD/50，由于冷端溫度變化范圍小（0-50℃）,相對精度要求不高，因此設計產品批量生產時把該系數直接固化于程序中。當把冷補二極管1N4148接入輸入端后，據上面所述，可以根據該系數及冷端AD采集值變化量的大小推算出冷端溫度變化的大小。