多路温度采集及监控系统的设计与实现

1 引言

温度是生产过程和科学试验中普遍且重要的物理参数。在工业生产中，为了高效生产，必须对生产过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效控制。其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的主要条件。

2 系统概述

整个温度控制系统主要由计算机控制系统(上位机)、单片机测控系统(下位机)、温度传感器组、功率加热系统等部分组成。系统采用了模块化的设计思想，组建方式灵活，并可利用多块单片机测控系统组合的方法增加测量点，具有良好的扩展性。系统结构框图如图1所示。

温度测量采用高精度的温度传感器PT100获得物体当前温度，经过低功耗、低输入失调电压、线性好的OP07A进行信号放大，送至8051F350内部高速率24位A／D转换器，根据系统设定的目标温度(由上位机发送)和控制范围，通过6路PWM控制加热器的工作状况，使物体达到目标温度并且保持恒温状态。同时可以利用单片机内部的Flash存储器把各通道设定的温度、系统参数存储起来。当系统断电或复位后，可以继续运行，增强了系统的抗干扰性能。

3 系统硬件设计

3.1 主控电路

温度采集监控系统的主控电路采用高性能、功能强大的8051F350。 8051F350是由Cygnal公司推出的完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有CIP-51微控制器内核，与MCS51指令集完全兼容；机器周期由标准的12个系统时钟降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值速度可达25 MI／s；内部集成了构成单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能元件(包括PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus／I2C、UART、SPI、定时器、可编程计数器／定时器阵列、内部振荡器、看门狗定时器以及电源监视器等)。

3.2 温度采集测量电路

温度采集测量部分采用高精度、重复性好、应用广泛的PT100作为采样电阻；信号放大部分采用低功耗、低输入失调电压、线性好的OP07A；A／D模块采用8051F350内部的高速率24位A／D转换器。温度采集测量电路如图2所示，图中PT100是高精度温度传感器，Z1是3.6 V稳压管，起保护作用。

3.3 串行通信电路

串行通信采用压差传输的CAN总线，它具有传输距离远、抑止共模干扰能力强等优点，通信速率可达1 Mb／s。CAN总线通信接口集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。在整个温度测控系统中，采用CAN总线作为数据通信线路，测温模块安装在距离测量点较近地范围内，这样，来自传感器的接线就比较短，从而减少了干扰。

3.4 功率控制模块

P10～P15输出6路PWM波，通过光电隔离和RC滤波电路控制可控硅模块的输入控制电压，改变可控硅模块的导通角，从而改变输出功率。功率控制模块电路如图3所示，其中P10，P10分别是一路PMW，通过改变它们的高低电平比例来改变控制电压K0和K1，从而控制加热器的功率。

4 系统软件设计

整个系统的软件设计包括两部分：计算机软件(上位机)和单片机软件。其中，计算机软件主要完成设定温度、监控系统当前温度和标定系统。单片机软件完成A／D采集、串口通信和功率模块控制。

上位机软件采用LabWindows／CVI编写，它将功能强大、使用灵活的C语言平台和用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，为建立测试系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。可以脱离Labwindows／CVI开发环境运行，用户最终看见的是和实际仪器面板相类似的操作面板。板卡与PC机通过RS-232串口线连接。

下位机程序框图如图4所示。系统上电后，下位机程序可使单片机不停地采集温度，当上位机向下位机发出命令置位采集标志位时，下位机采集的温度送到上位机的面板并显示，再将所采集的温度数据同预先所设定的温度值相比较，当采集的温度小于设定温度时，根据采集的温度值跟设定温度差值的大小，单片机的P10～P15引脚输 出6路PWM，通过光电隔离TLP521-2和RC滤波电路控制可控硅模块的输入控制电压，改变可控硅模块的导通角，从而改变输出功率。随着采集到的温度值越来越接近设定温度值，单片机输出的PWM值越来越大，导通角越来越小，输出的功率也相应变小，直到采集的温度等于设定温度时，导通角完全关断。同时下位机也可随时响应串口中断，便于用户通过上位机设置或修改设定温度和控制范围。

5 结束语

本系统设计采用高精度温度传感器和低输入失调电压、线性好的运算放大器组成信号调理电路，同时采用24位的A／D采集模块，可使系统测量精度达0.02℃，控制精度达0.5℃，满足用户对温度控制的要求。采用功能强大的8051F350单片机作为控制核心，减少了系统对外围器件的需求，简化了电路设计，提高了可靠性，同时也降低了成本。