1 系統(tǒng)功能及特點
本系統(tǒng)用單片機(jī)對整個測量電路進(jìn)行管理和控制,使得整個系統(tǒng)智能化、體積小、功耗低、使用電子元件較少,內(nèi)部配線少,成本低,制造、安裝、調(diào)試及維修方便。該系統(tǒng)中單片機(jī)作為下位機(jī),完成測溫任務(wù),測量結(jié)果可在本地顯示,也可通過下位機(jī)與上位機(jī)(PC機(jī))通訊,給出結(jié)果和提示信息。而上位機(jī)與下位機(jī)大多是通過PC機(jī)的RS-232串行接口實現(xiàn)通信。Visual Basic是可視化面向?qū)ο蟮牟捎檬录?qū)動技術(shù)的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言,本系統(tǒng)上位機(jī)是在Windows環(huán)境下利用Visual basic開發(fā)微機(jī)通信程序。
2 系統(tǒng)基本原理
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，計算機(jī)要求能夠運行Windows98或更高版本)操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境VB6.0，具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口，主要功能為數(shù)據(jù)采集處理和系統(tǒng)控制，是人機(jī)交互的平臺。
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現(xiàn)場溫度采集點共有4路,采用AD590采集溫度送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)入端,測量范圍最大值為50度,單片機(jī)定時采集溫度信號，并按串行通信協(xié)議打包構(gòu)成數(shù)據(jù)幀。在微機(jī)中采用VB6.0編程，并選用MSCOMM控件進(jìn)行串行口通訊。MSComm控件是Microsoft提供的擴(kuò)展控件,用于支持VB程序?qū)Υ诘脑L問,同時支持查詢方法和事件驅(qū)動通訊的機(jī)制。事件驅(qū)動通訊是交互方式處理串口事務(wù)的一種非常有效的方法,特別適合Windows程序的編寫。因此用其實現(xiàn)微機(jī)串口的數(shù)據(jù)通訊相當(dāng)簡單,以很少的程序代碼就可以輕松實現(xiàn)串口的訪問和數(shù)據(jù)通訊。
3 硬件設(shè)計
3.1 測量電路設(shè)計
AD590將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流后，需要有電流電壓轉(zhuǎn)換電路(如圖2)，其中電容C起濾波作用。該電路中，考慮到測溫范圍是0度—50度，而ADC0809輸出電壓范圍為0-5V，故電阻R2取3.3千歐，R3取15千歐，其中R2是滑動變阻器，精度高于R3，電阻R4取100，R5取50千歐，R4是滑動變阻器，精度高于R5，電阻R6取33千歐。運放是溫度電壓變換電路，為了測試方便，設(shè)計時將0度時的輸出電壓定為0V，每升高一度輸出電壓上升100mV，與電壓之間的關(guān)系為：U=K(T-T0)V式中，K為比例系數(shù)，K=0.98V/度，T為環(huán)境溫度，單位為度，T0—測溫下限0度。當(dāng)T=+50度和T=0度時，變換電路輸出電壓上限為Umax=5V,電壓下限為Umin=0V,實現(xiàn)的辦法是:首先調(diào)整R2，使得I1=273.2uA，當(dāng)溫度為0度時，通過AD590的電流I2=273.2uA，此時I3=0uA，R4、R5上無壓降，即輸出電壓為0V；當(dāng)環(huán)境溫度為50度時，流過AD590的電流為323.2uA，此時,I3=I2-I1=50uA，調(diào)整R4，使R4+R5=98千歐，有(R4+R5)*I3=4.9V。同樣，可以計算出其余各溫度所對應(yīng)的輸出電壓。
 

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3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計
本系統(tǒng)以89C51芯片作為主芯片,管理和控制整個系統(tǒng)。該芯片集成度高,兼容8051單
處機(jī),不同的是片內(nèi)有4KB的ROM,為PEROM(FLASH存儲器)。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多,目前
 

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應(yīng)用較廣泛的有:逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)所使用的單片機(jī)89C51是8位,因此采用8位A/D轉(zhuǎn)換器,其接口電路簡單。絕大部分集成A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出都具有TTL電平,數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控三態(tài)輸出功能,可直接掛在數(shù)據(jù)總線上,否則,就要加緩沖器接口,數(shù)據(jù)分兩次讀出,比較麻煩。根據(jù)系統(tǒng)所要求的測量分辨力,采用8位A/D轉(zhuǎn)換器時,其分辨力為50/250=0.2,已經(jīng)高于規(guī)定值。溫度是一個緩慢變化的物理量,測量它時不需要高速A/D轉(zhuǎn)換器,通道上也不需要加采樣保持器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器,常用于工業(yè)多通道單片機(jī)控制系統(tǒng)?；谝陨显?本系統(tǒng)采用
ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3。該芯片是8位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片,具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān),最大非線性誤差小于+1LSB,應(yīng)用單一+5V電源,其模擬量輸入電壓的范圍為0 +5V,對應(yīng)的數(shù)字量輸出為00H FFH,可鎖存三態(tài)輸出,輸出與TTL兼容,功耗為15mW,轉(zhuǎn)換時間為100 S,無需調(diào)零或調(diào)整滿量程。有28個引腳,其中:IN0、IN1、IN2、…、IN7接8路模擬量輸入；AD-DA、ADDB、ADDC接地址線,用以選定8路輸入中的一路。
該系統(tǒng)中ADDC接地,AD-DA、ADDB分別接89C51的P3.3和P3.4,構(gòu)成4路輸入;ALE是地址鎖存允許,START是芯片的起動引腳,其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉(zhuǎn)換,一起接入P3.7;EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,與P362相接,向單片機(jī)申請中斷；OE是輸出允許端,直接接+5V；CLK是時鐘端,因芯片的時鐘頻率最高只工作于640KHZ,故通常由單片機(jī)的ALE經(jīng)分頻后接向該引腳；DB0 DB7是數(shù)字量輸出,與PO相接，LSB表示最低位,MSB表示最高位。
3.3 串行接口電路設(shè)計
下位機(jī)(單片機(jī))通過串行口(RXD和TXD)與上位機(jī)(PC機(jī))進(jìn)行異步通信,采用RS—232標(biāo)準(zhǔn)接口。RS—232規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn),而此標(biāo)準(zhǔn)并不能滿足TTL電平(MCS—51單片機(jī)串行口電平為TTL電平)傳送要求。因此當(dāng)RS232電平與TTL電平接口時,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。目前RS232與TTL的電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片是傳輸線驅(qū)動器MC1488和傳輸線接收器MC1489,其作用除了電平轉(zhuǎn)換外,還實現(xiàn)正負(fù)邏輯電平的轉(zhuǎn)換。
4 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要是用VB6.0對RS232串口編程。實現(xiàn)硬件之間的通訊。MSComm是Microsoft公司提供的主要用于串行通信編程的ActiveX控件。ActiveX控件包括一系列的屬性、方法和事件，應(yīng)用程序通過ActiveX控件提供的接口來訪問控件的功能。通信控件把許多復(fù)雜的操作都留給了VB和Windows處理，編程人員編程時只需設(shè)置其中的一些屬性。
    系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼如下:
Coast CMDconfig = "%0101210600" ’設(shè)置端口命令字符，
0--100度，科學(xué)單位
Coast CMDdataInl = "#O1" ‘讀串口1數(shù)據(jù)命令字符
Coast CMDdataIn2 = "#02" ‘讀串口2數(shù)據(jù)命令字符
Coast CMDspanCalibration = "$010" ‘校準(zhǔn)命令字符
Coast CMDoffsetCalibration = "$011" ‘偏移量校準(zhǔn)命令字符
Coast CMDconfigStatus = "$012"‘讀端口信息命令字符
Coast CMDmoduleName = "$OlM"‘讀模塊名命令字符
Private Sub CmdStart_onClick( )‘開始命令子程序
    MSComml.CommPor = COMnum‘設(shè)置申口號
    If MSComml.PortOpen = False Then‘打開串口
        MSComml.PorOpen = True
    End If
    If COMnum = 1 Then
          CMDdataln = CMIMataInl
      Else
          CMDdataln = CMDdataIn2
      End If
    MSComml.Outpu t= CStr(CMDdataIn)&vbCr‘發(fā)出讀數(shù)命令
      TimeDelay 500‘延時500 ms
      Picturel.CurrentX = 0‘繪制曲線坐標(biāo)起點
      Picturel. CurrentY = temperature
    Timer1.Enabled = True‘開始計時
End Sub
Private Sub MSComml_OnComm( ) ‘事件響應(yīng)子程序
  Select Case MSComml.CommEvent‘判斷MSComml通訊事件
      Case comEvReceive‘收到Rthreshold個字節(jié)產(chǎn)生的接收事件
        MSComml.RThreshold = 0‘關(guān)閉OnComm事件接收
        TimeDelay 20‘延時20ms
    temperatureShow = Right(MSComml.Input.7) ‘讀取第一個數(shù)據(jù)字節(jié)(BCD碼高位字節(jié))
        temperature = VaI(temperature5how ) ‘?dāng)?shù)值組合，標(biāo)定小數(shù)點
        MSComml.Output = CStr(CMDdataIn)&vbCr‘發(fā)送讀命令
        MSComml.InBufferCount = 0‘清空緩存
        MSComml.RThreshold = 1‘關(guān)閉OnComm事件接收
      Case comEventBreak‘收到Break
…
      Case Else
  End Select
End Sub
    系統(tǒng)時鐘最小可以設(shè)為1ms，在使用中需要注意，由于串口速度有限，系統(tǒng)運行速度有限，ADAM4013模塊的采樣率也有限，所以設(shè)置串口采樣間隔一般不能小于50ms，否則會出現(xiàn)延時錯誤。其實對于溫度采集來說，20次/s的采樣率已經(jīng)夠用，大的采樣率并無太大意義。
5 結(jié)束語
系統(tǒng)中沒有對溫度超過測溫范圍時情況的處理,可在系統(tǒng)改進(jìn)中增加一個報警電路。將單片機(jī)的一個口與一個發(fā)光二極管相接,所測溫度超過規(guī)定溫度時,發(fā)光二極管點亮,提醒用戶。本系統(tǒng)由于進(jìn)行了實時顯示和數(shù)據(jù)存儲的設(shè)計，便于直觀地觀察溫度變化和數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)最大的特點就是容易實現(xiàn)，不需要數(shù)據(jù)采集卡，不需要硬件驅(qū)動程序，硬件連接方便，軟件編制也比較容易掌握，特別適合短期的測溫系統(tǒng)開發(fā)。