基于单片机的多通道温度精确采集系统设计

2008年4月机械工程与自动化

MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATIONNo.2Apr.

文章编号:1672-13(2008)02-0017-02

基于单片机的多通道温度精确采集系统设计

曹俊琴1,冯家鹏2,张爱宝3,王春风2

团,山东　邹平　256200)

*

(1.太原科技大学,山西　太原　030024;2.内蒙古工业大学,内蒙古　呼和浩特　010051;3.山东齐星集

摘要:为了实现多通道温度数据的精确采集,设计开发了一种基于单片机的温度采集系统,通过多路选择开关切换通道,配以运算放大电路及精确的模/数(A/D)转换芯片,实现了温度信号的采集处理、存储和传输,并且可利用上位机专用软件进行温度曲线的显示和分析。关键词:单片机;运算放大器;A/D转换器;温度采集系统中图分类号:TP216　　　文献标识码:A

0　引言

随着我国工业化进程的逐步加快,仪器仪表及传感器应用越来越广泛。工业生产过程中常常需要对温度数据进行采集和处理,虽然测量外界温度的方法有很多,但是由于温度传感器及其后续的运算放大电路受到外界影响,在不同的条件下会引入不同的测量偏差;即便是在相对接近的条件下,传感器测温精度、数据处理的方式方法等诸多方面因素也会给测量结果带来偏差。鉴于此,本文作者设计开发了一种多通道温度测量系统,采用51单片机作为核心处理器件对外界温度进行测量,测量节点可视具体情况结合多路选择开关进行扩充。为了保证测量数据的准确性,除了在硬件选择方面提高要求之外,该系统还在核心处理软件中对采集数据进行修正。1　系统的组成及性能参数1.1　系统硬件框图

整个系统包括温度传感器、多路选择开关、放大电路、A/D转换器件、MCU、电源电压监测电路、存储器件、电源模块及数据上传通迅部分。温度采集系统原理图见图1。1.2　主要性能参数

测温范围(℃):　　-55～150;分辨率(℃):0.04;测量精度(℃):±0.5;

记录时间(min):

15;

采样间隔(s):

电源供应:0.5;

可充电电池。

图1　温度采集系统原理框图

2　硬件系统组成

2.1　A/D转换器MAX191

随着数字信号处理技术的发展,高速、高精度A/D转换器的使用越来越广泛。在该系统设计中采用MAX191A/D转换芯片。MAX191是MAXIM公司的一种CMOS型模/数转换器(ADC),MAX191的主要应用领域包括高精度过程控制、数据采集卡、自动测量系统以及通信等。

MAX191主要性能参数如下:󰀁12位分辨率,1/2LSB(LeastSignificantBit,即最小可分辨信号)线性度;󰀂差分输入; 内置采样/保持器(T/H)、4.096V电压基准源和时钟电路;!A/D转换时间为7.5󰀁s,采样保持时间为2󰀁s,采样速度达100kS/s;∀

*内蒙古自治区自然科学基金资助项目(200508010812)

收稿日期:2007-10-29;修回日期:2007-12-29作者简介:曹俊琴(1978-),女,山西太原人,硕士。・18・

　机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　2008年第2期　

可采用单电源+5V或双电源±5V供电;#功耗低,转换期间耗电3mA,节电模式下仅为20󰀁A。

MAX191可以串行或8位并行接口方式与微处理器连接,输出方式通过第22脚PAR设置。当PAR为1时,为并行输出模式;为0时,为串行输出模式。图2是MAX191与ATC51单片机以并行输出模式接口的一种硬件连接图。MAX191的8位数据总线D0～D7(其中D0～D3与D8～D11分时复用)分别与ATC51的P1.0～P1.7相连,单片机从P1口读取转换结果。本电路中,采用外部时钟模式,MAX191的1MHz时钟由外部的8MHz晶振分频得到,使用者也可通过在CLK和DGND脚之间并联一个120pF电容来设置选用内部时钟。当在VREF和AGND之间并联一个47󰀁F和一个0.1󰀁F电容时,就可获得4.096V的内部电压基准。图2中REFADJ接高电平,采用的是5V的外部电压基准。MAX191第8脚BIP用于设置输入方式,BIP=0,表示单极性模拟输入方式;在图2中,BIP=1,选择双极性模拟输入方式。综上可得出A/D转换的电压范围为-2.5V～+2.5V。图2中,信号采用单端输入方式,AIN-接模拟地AGND。另外,为了防止从AIN+输入的信号损害ADC,应在信号输入端加双向电压限幅电路以保护MAX191。

误差,为了提高系统的测量精度,对电路进行调整,即把AD590放于冰水混合物中,调整电位器RP,使UO=273.2mV;或者在室温(25℃)下调整电位器RP,使得UO=273.2+25=298.2mV。当然,调整需要视具体测温区间段而灵活变换,以获得最佳的精度。

图3　AD590的基本接法

2.3　系统的功能流程

图4为系统的功能流程图,系统开机后首先进行初始化处理,进而判断MCU的约定管脚电平情况,以确定进行数据采集还是上传。如判断为采集,则进行相应的程控顺序执行数据的采集、运算放大、A/D转换及存储任务。如判断为上传,则响应传输子程序,判断上位机(PC机)发来的握手信号,符合约定则进行数据的上行传送。

图2　MAX191外围电路图

2.2　AD590T/I变换器

AD590是常用的T/I(温度/电流)变换器,是一个二端器件,成本低。它是以电流为输出来指示温度,使用时不需要考虑传输线上的电压信号损失和噪声干扰,具有很高的测量精度,广泛应用于远距离测温、远距离控温和多点测温等控制系统中。图3为AD590的基本接法。

图3中,当温度发生变化时,引起电流I的变化,通过R1和RP的分压得到输出电压UO,其灵敏度为10mV/K,其中RP的作用是校准输出电压UO的精度。当电阻R1和RP的电阻之和为1k󰀂时,输出电压UO随温度变化为1mV/K。由于AD590的增益有偏差,电阻也存在图4　系统的功能流程图

3　结束语

为了提高系统总体的测量精度,系统采集数据以跳跃式的顺序循环进行,即首先对1、3、5通道进行采集,然后对2、4、6通道进行采集,如此反复进行,以减小采样时间上的轮回误差。另外,MCU主程序中也采取了精确的软件滤波算法,配合系统开发有专用的上位PC机软件,可以进行数据的分析、存储和打印等功能操作。该测温系统设计简单,经济实用,已经在某些工业生产中实际应用,并取得了良好的经济效益。

(参考文献和英文摘要转第21页)

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次保存到产品数据库时只需将零件数量累加。

图2　数据提取与入库过程图

PDM数据库对应的数据表中之后,用户可以根据零件代号快速检索到零件图号、图纸文件的存取路径等信息,也可以通过零件材料、零件名称等预先定义好的字段模糊检索,再也不需要从大量的电子图纸中手动查找所需要的信息。当然,实施PDM系统的意义还远不止于此,文档管理也仅仅是PDM系统五大基本功能之一。但是,不论PDM系统的功能如何强大,产品数据始终是实施PDM系统的基石,如果PDM数据库中没有数据存在,PDM的实施也就无从谈起。

参考文献:

[1]　陈小玲.浅议PDM的应用[J].沿海科技与企业,2005,66

(6):172-173.

[2]　童秉枢,李建明.产品数据管理(PDM)技术[M].北京:清

华大学出版社,2000.

[3]　王福军,张志明,张师伟.AutoCAD2000环境下C/Visual

C++应用程序开发教程[M].北京:北京希望电子出版社,2000.

[4]　朱学军.用ARX开发AutoCAD时的ADO技术研究[J].

重庆高等工业专科学校学报,2004,2(1):33-35.

[2]

图3　属性块遍历对话框

6　结束语

标题栏、明细表信息以产品数据的形式存储到

ResearchandRealizationofExtractingDrawingInformation

andImportingThemintoPDMDatabase

FANGuang-jun,CAIChun-jie

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Abstract:DrawinginformationisthebasisofPDMsystemimplementation.Itisanimportanttechnologytoextractaccurateinfor-mationoftitleblocksanditemsindrawingandtoimportthemintoPDMdatabaseautomatically.ThispaperputforwardamethodemployingObjectARXtechnologytoimplementtheextractionoftitleblocksanditems'informationinDWGfile,andsavethesein-formationsintoPDMdatabasewithADOtechnology.Keywords:productdatamanagement;ObjectARX;ADO

(上接第18页)

参考文献:

[1]　陈忠平,曹巧媛,曹琳琳,等.单片机原理及接口[M].北

京:清华大学出版社,2007.

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界,2003(3):35-37.

[4]　刘小康,彭东林,张兴红.12位A/D转换器MAX191及其

应用[J].电子设计应用,2002(11):90-91.

[5]　张西.基于MCS-51单片机的测温系统[J].测控技术与

设备,2002(6):31-33.

DesignofthePreciseMulti-channelTemperature

CollectionSystemBasedonMCU

CAOJun-qin1,FENGJia-peng2,ZHANGAi-bao3,WANGChun-feng2

(1.TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China;2.InnerMongoliaUniversityofTechnology,Huhhot010051,China;3.ShandongQixingGroup,Zhouping256200,China)

Abstract:Inordertorealizeaccuratedatacollectionofmulti-channeltemperature,thispaperhasdesignedanddevelopedatempera-turedatacollectionsystembasedonMCU.Throughmulti-channelselectionswitch,matchingwithoperationalamplifiercircuitand

preciseanalog-to-digitalconverterchip,itcanrealizethecollection,processing,memoryandtransmissionofthetemperaturesig-nals,andmayalsoutilizethespecialsoftwareofthehostcomputertocarrythroughthedisplayandanalysisofthetemperaturecurve.

Keywords:MCU;operationalamplifier;analog-to-digitalconverter;temperaturecollectionsystem