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1、1 绪论1.1 课题背景随着计算机技术的开展，工业计算机控制系统的应用已非常普及。而智能仪表和现场总线等技术的引入那么代表着一个网络时代的到来，成为工业控制的主流。在以单片机为根底的数据采集和实时控制系统中，通过计算机中的RS-232接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传送，就可以利用计算机对生产现场进行监测和控制。但是由于计算机上的RS-232所传送的距离不超过30m，所以，在远距离的数据传送和控制时，可以用MAX485的接口转换芯片将RS-232转换成RS-485协议进行远距离传送。目前国际上已经出现多种现场总线通讯标准及相应的通讯接口软件，但其系统造价对国内大量中小企业来说仍显过高。而
2、RS-485总线技术以其构造简单、维护容易、造价低廉和硬件资源丰富等特点，仍在低本钱的中小型计算机控制系统中占据重要一席。故本设计选用基于RS-485的通讯接口标准，实现对远距离工业现场的温度信号的采集控制。1.2 课题的目的及意义温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，在冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反响炉，对工件的处理温度等均需要对温度严格控制。随着现代信息技术的飞速开展和传统工业的逐步实现，由微机构成的温度测控系统已在众多领域被采用。该课题就是解决对工业现场温度信号的采集控制和传输问题。伴随着计算机技术和网络技术的开展，工业参数的数字采集促进了
3、现场总线Fieldbus技术的开展，目前现场总线已经从当初的420mA电流信号加载数字信号，开展成为全数字通讯，解决了现场信号远距离高速传送问题，而且提高了抗干扰性能，增加了系统配置的灵活性，节省了硬件投资，是未来生产自动化和过程控制的开展方向。较有影响的总线有：CAN.LONWORKS.PROFIBUS.FF等。虽然这些总线无主从方式工作，速度较快、网络支持较完善，但系统造价高，应用受到限制。而RS-485总线主机调度网以其制造容易、造价低、软硬件丰富、配置灵活等特点，得到了广泛的应用。它不仅具有良好的抗噪声干扰性，较远的传输距离，而且它可以实现多点互联，还可以实现全双工通信，因此对远程温度
4、采集控制系统的研究具有现实的意义和实际的价值。1.3 主要研究内容本设计是针对MCS51型AT89C51系列单片机在采样、比拟和控制方面的应用。本课题研究的主要内容是：1温度检测过程 该环节使用铂电阻Pt100为测温元件，Pt100具有性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高等优点，可以实现较为准确的测温。2数据的采集和转换过程数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理，采用ADC0804实现由模拟量到数字量的转换。3温度控制过程采用中断的方式，当A/D转换结束，发出中断请求，单片机响应请求，驱动继电器动作，进行加热或冷却的处理。4显示过程 采用两位的LED数码管实现对现场温度的显示。5串行通
5、信过程 基于RS-485串口通信协议，实现远距离通信。2 温度采集控制系统硬件设计温度采集及串口通讯是一个综合性系统。在本设计中以AT89C51单片机为CPU控制单元的核心，同时还包括了数据采集、数据存储、数据通信、LED显示等多个功能单元。2.1 温度传感器选择传感器是测控系统前向通道的关键部件，它也称换能器和变换器，一般是指非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电量如压力、温度等转换成与之对应的电量或电参量如电流、电压、电阻等输出的一种装置。2.1.1 热电阻热电阻是利用导体的电阻率随温度变化这一物理现象来测量温度的。几乎所有的物质都具有这一特性，但作为测温用的热电阻应该具有以下特性
6、：电阻值与温度变化有良好的线性关系；电阻温度系数大，便于精确测量；电阻率高，热容量小，反响速度快；在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质；材料质量要纯，容易加工复制，价格廉价。根据以上特性，常用的材料是铂和铜。铂易于提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，因此用铂电阻作为实现温标的基准器。2.1.2 铂电阻Pt100电阻式温度传感器 (RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大局部电阻式温
7、度传感器是以金属做成的,其中以白金(Pt)做成的电阻式温度传感器,最为稳定，耐酸碱、不会变质、相当线性.,被工业界采用。 Pt100温度传感器是一种以白金(Pt)做成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数,温度范围内，Pt100的温度-电阻特性： Rt = R01+at+bt式中：a=3.96847 X 10-3 /； b=-5.847 X 10-7 /； Rt为在温度T下的电阻值；R0为在0时的电阻值。基于以上的分析，故该设计采用性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高的Pt100铂电阻，来实现对工业现场测点较为准确的测温。2.2 信号调理电路所谓信号调理就是将传感器或变速器所输出的电信号进行放大、隔
8、离、滤波等，以便数据采集模块实现对数据的采集。其中传感器是将被测量通常为非电量转换成电信号的信号转换元件，然而由于传感器的电气特性，其产生的电信号一般不可能直接接入至PC，必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠的采集。一般而言，信号调理是基于PC机的通用数据采集系统不可或缺的组成局部。2.2.1 隔离电路隔离是指使用光电耦合器或变压器等方法，在测试系统和被测试系统之间传递信号，以防止直接的电或物理连接。因为被测量常有瞬变或冲击现象，甚至足以损坏计算机和数据采集板，将传感器信号同计算机隔离起来，使系统平安得到了保证。另外，通过隔离可以确保ADC卡的读数不致受到“地电位或共态电压差异的影响。AD
9、C卡每次采集输入信号时，都是以“地为基准的，如果两“地之间存在电位差，就可能导致“地环路的产生，从而造成所采集的信号再现不准确。如果这一电位差太大，那么可能危机到数据采集系统的平安，利用隔离技术就可以消除“地环路并保证准确的采集信号。2.2.2 放大电路最常用的信号调理形式是放大，即将输入微弱的电信号放大至与多功能ADC卡的量程相当的程度，以获得尽可能高的分辨率。信号调理电路首先应将输入的微弱电流信号通过一个精密电阻，使之转换为电压信号，在对该电压信号进行调理和数字化。另外，信号调理模块应尽可能靠近信号源、传感器或变送器，这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大，使信噪比得到改善。图2-1 信号
10、调理电路本设计的信号调理电路如图2-1所示，它采用Pt100铂电阻作为工业现场温度测试点的传感器，将温度的变化转换为自身电阻值的变化，但该信号很小，为毫伏级，这里采用了一个电压跟随器，它的作用就是对信号进行隔离，改变输入输出电阻值，使阻抗匹配。它有效的提高了输入电阻值，降低了对输入的微小信号量的要求；同时它使输出电阻值减小，提高了电路的带负载能力。输出的采样信号的电压值为毫伏级，而ADC0804的电压值为伏特级，为了在量化时能准确的将采样值量化，需要加放大电路，这里采用了两级运算放大电路，LM741为比例运放，靠调节滑动变阻器来改变运放的放大倍数，以确保输入信号经量化后得到准确的采样值，来进行
11、后续的处理工作。2.3 数据采集接口数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理。它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数A/D转换，将连续的模拟信号量化。无论A/D 转换器的速度多快，A/D转换总需要时间。由此产生两个问题，第一，在 A/D转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。为减小误差，需要保持信号不变。第二，A/D转换器输出的数字量只能说明采样时刻的信号值，通过采样使输入的连续信号变成离散信号。2.3.1数据的采样与保持 在A/D转换过程中应该保持输入信号不变。采样/保持器S/H可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定
12、的时间内保持不变。采样/保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样/保持器的输出必须跟踪模拟电压；在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销为止。 图2-2 是采样/保持器的电路原理图。图中A1为高输入阻抗的场效应管组成的放大器，A2为输出缓冲器，开关K是工作方式控制开关。当开关K闭合时，输入信号Vin经放大器A1向电容充电，在此时为采样工作方式；当开关K断开时为保持方式，由于运算放大器的输入阻抗很高，因此在理想情况下，电容器保持充电的最终值。图a图 (b) 图2-2 采样/保持器电路 2.3.2 A/D转换 所谓A/D转换器就是模
13、拟/数字转换器(Analog to Digital Converter 简称 ADC)，是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号的输入端可以是传感器Sensor或转换器(Transducer)的输出，而ADC输出的数字信号可以提供应微处理器，以便更广泛的应用。 该设计使用到ADC0804芯片，它是美国国家半导体器件公司生产的中速廉价8位CMOS逐次逼近型A/D转换器。它具有包括三态输出缓冲器的完整接口电路,可以直接与8位微处理器连接,在众多8 位并行输出ADC中输出特性具有相当的代表性。工作状态：当和同时变低时，那么转换器启动，当为0，表示转换结束。当要读数据时，和都变低，三态输出锁存器使能提供
14、8位数字输出。连续转换：当A/D以自激模式工作时，将输入接地，输入与输出相连，和节点在电源接通以后，有一瞬间被置成低电平以保证正常工作。ADC0804芯片的引脚结构如图2-3所示： 图2-3 ADC0804引脚结构ADC0804各管脚功能：1：芯片选择信号。2： 外部读取转换结果的控制脚输出信号。为HI时，DB0DB7处于高阻抗；为 LO时，数字数据才会输出。3：用来启动转换的控制输入,相当于ADC的转换开始(CS=0) 。当由HI变为LO时，转换器被去除；当回到HI时，转换正式开始。4) CLK IN,CLK R：时钟输入或接振荡元件(R,C)，频率约限制在100KHZ1460KHZ,如果使
15、用RC电路那么其振荡频率为1/(1.1RC)。5： 终断请求信号输出，低电平动作。6VIN(+) 、VIN(-)：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，VIN(-)接地；而差动输入时，直接参加VIN(+)、VIN(-)。7AGND,DGND：模拟信号及数字信号的接地。8) VREF：辅助参考电压。9) DB0DB7：8位的数字输出。10VCC：电源供电以及作为电路的参考电压。ADC0804采用+5V单电源供电，数字输入和输出满足MOS和TTL电平标准；转换时间100us，工作时钟可外接，也可由芯片本身产生。A/D的时钟可以从CLK IN输入，典型值为64KHZ，或者外接RC网络构成自己的时钟在CLK R和CLK IN之间接10K电阻，在CLK IN和地之间接150pF电容。功能说明： ADC0804将输入模拟值转换成数字值输出到P1，使相对应的LED亮。如输入 3V，ADC0804的输出应为96H=10010110B，此数字信号送入AT89C51的P0，再由P0存入AT89C51的累加器，然后累加器再送至P1，使相对应的L
