摘要：为了处理现有温度监控需求的外表数量多，组网困难的问题，规划了一种智能多路温度巡检仪。运用STC15F2K60S2作为中心处理器，巡回检测16路温度传感器。外表具有多种类型输入功用，可与多种类型传感器、变送器合作运用。具有丈量显现、超限报警操控、数据收集记载及RS 485通讯功用，便利组成监控网络，大大削减了丈量外表的数量。计划选用多项立异技能，经实践测验具有测控准确安稳和抗搅扰才能强等长处。
0 导言
跟着核算机、微电子技能的迅猛发展，单片机因为其集成度高、功用强、体积小、抗搅扰才能等长处广泛运用于工业操控范畴。丈量仪器外表也在发生着天翻地覆的改动，现在智能仪器外表规划时无一不选用单片机。温度测控在工业生产范畴运用十分广泛，而传统的温度检测仪一般只能单点检测且只需显现功用。
在一些作业半径大，测点涣散的工业场合，就需求由一种多点巡回检测，会集办理的丈量外表，能够完结报警、远传、操控、数据记载等功用，主动运转无需人为干涉。针对这种需求，本文规划了一种智能多路温度巡检仪，选用Pt100铂电阻作为温度传感器巡回检测16路温度，可设报警限值，具有报警信号常开常闭接点输出，支撑RS 485通讯。外表前面板具有数码管、LED灯、按键人机接口，操作简略，便于保护。
1 整体计划规划
体系计划如图1所示。
以STC宏晶科技的STC15F2K60S2为主控芯片。该单片机具有以下特色：内部集成高精度RC时钟，且从5～35MHz可选;内部集成复位电路，8级复位门槛电压可选;内部集成E2PROM，用于保存用户设置参数及标校参数;可编程时钟输出，对体系时钟1～65 536级分频输出。其高速度、高集成度的特色十分合适本规划的需求。
在本体系中CPU主要是对温度值进行巡回检测、数据核算、数据显现、一起检测报警状况、键盘输入及通讯数据并做出相应的处理。外围有温度传感器信号处理电路、人机接口、通讯接口、报警输出及供电电源电路。其间温度传感器信号处理电路由转化电路、滤波电路、多路模仿开关电路、扩大电路、A/D转化电路组成，是影响整台仪器功用的要害。
2 Pt100丈量原理
Pt100铂电阻是一种电阻值随环境温度改动而改动的温度传感器，因其具有安稳性好、精度高、测温规模大等长处，而被广泛运用。
丈量外表衔接的温度传感器由铂电阻和衔接导线组成。在准确丈量时衔接导线的电阻对丈量成果的影响不容忽视。工业上Pt100一般都选用三线制接法，在铂电阻-端衔接-根引线，另一端衔接两根引线，且三线长度、线径、原料共同，这样就确保了三线的电阻持平为r。这种办法一般与补偿电路配套运用，以消除导线电阻引起丈量差错。本文所运用三线制电阻补偿法其等效原理图如图2所示。其间Rt为Pt100电阻，Rv为分压电阻，r为导线等效电阻，VR为Pt100基准电压一起也是A/D转化器的参阅电压。由欧姆定律可得根本关系式：
从式(2)能够看出：在已知RV和VR的情况下，只需测出V1和V2就可得出Pt100电阻Rt，而与导线电阻r没有关系，然后消除了导线电阻的影响。
3 硬件电路规划
3.1 电源电路
本文规划依据TOP414的开关电源，TOP414是集脉冲信号操控电路和功率开关器材MOSEFT于一体的电源操控芯片。具有高集成度、简略外围电路等特色，能组成高效率无工频变压器的阻隔式开关电源。由图3可知，输入电源经过TOP414开关和高频变压器变压，再经过整流、%&&&&&%滤波和电感平波，输出直流电。高频变压器二次侧有3个绕组，2路输出功率，另一路为反应回路供给电源。反应回路从输出端进行电压取样，经过光耦来操控脉冲操控开关的通断，调理输出功率。供电电源电路分别向体系电路供给5 V电源，向报警及通讯电路供给12 V电源，且两路输出电源彼此阻隔。因为体系对12 V电源精度要求不高，所以反应回路从5 V输出端取样，12 V电源经过线圈匝数比取得。
3.2 Pt100信号挑选及扩大电路
巡检仪信号转化电路由图4中的17个信号检测电路组成(因为版面所限，图中仅绘出第1个、第2个和第17个)，完结将16路Pt100温度传感器输出的电阻信号转化为电压信号。其间第1路没有外接Pt100传感器，设置它的意图是为体系供给零电压和参阅电压，用于补偿运算扩大器扩大倍数的差错，余下16个电路的原理彻底共同。
每路发生2个电压信号分别由2个16×1多路切换器CD4067完结分时选通，2个CD4067的公共端和零电压、参阅电压再由模仿开关CD4051选通。8位数据锁存器74LS273用于I/O口的扩展，操控多路开关的地址码。
电压信号扩大选用低零漂移的运算扩大器OP07，为了习惯不同的输入信号，OP07和模仿开关CD4051构成一个可编程增益扩大器。增益操控由CD4051模仿开关和电阻构成，经过对CD4051地址码的操控完结对输入信号不同的扩大倍数。为了有用地按捺共模搅扰运放选用双电源供电，-5 V发生电路参见图5。
3.3 A/D数据转化电路
TLC7135是盛行的双积分A/D转化器，其具有4位半的精度(相当于14位A/D)、主动校零、主动极性输出、单基准电压、动态字位扫描BCD码输出、抗搅扰力强，安稳性好等特色。美中不足的是其转化精度依赖于积分时刻，因而转化速度较低。虽然现在干流的是逐次迫临型A/D转化器，但高精度(>12位)的逐次迫临型A/D价格很高。TLC7135凭仗其价格低精度高的优势，如今仍为广阔规划者所喜爱。TCL7135运用材料较多，其作业原理在此就不做过多叙述。
TLC7135相同选用双电源供电，为最大极限运用单片机内部资源，硬件上运用STC15F2K60S2可编程的时钟输出去推进二极管来发生负电压。省去了价格较高的专用IC。作业原理如图5所示，单片机8 MHz体系时钟经64分频在P3.4脚输出125 kHz时钟信号，经C22反相推进二极管D6，D7发生负电压。因为二极管压降的原因，实践得到的负压约为-4.3 V。因为本体系中的信号都是单级电压对负电压值要求并不十分严厉，此负压计划发生的负压是彻底能够担任的。
单片机和TLC7135的接口有并行和串行两种办法。本规划单片机对TLC7135选用串行数据收集，该办法结构简略、占用单片机I/O资源少。STC15F2K60S2的P3.2(INT0)引脚接TLC7135的BUSY引脚，用来接纳A/D转化状况输出。单片机的P3.0引脚接TLC7135的RUN/HOLD引脚，用来发动A/D转化。单片机的P3.1脚接TLC7135的POLARITTY引脚，用来判别输入电压极性。TLC7135的时钟相同运用STC15F2K60S2的可编程时钟输出功用取得，8 MHz体系时钟经32分频在P3.5脚输出250 kHz的脉冲信号，接至%&&&&&%L7135的时钟输入管脚。
由图6可知，TLC7135的A/D转化周期为40 002个时钟周期。串行接法是经过计脉冲数的办法来取得丈量成果的，经过设置单片机守时计数器时钟与TLC7135时钟频率相同，设置INT0外部中止为边缘触发，进入被测信号积分阶段时，TLC7135的BUSY引脚变为高电平，触发单片机中止，守时计数器当即发动计数，在A/D转化的基准电压反积分阶段结束时，TLC7135的BUSY端变为低电平，守时计数器中止计数，读出守时计数器的计数成果，即为被测电压积分阶段和基准电压反积分阶段所需的时钟脉冲数的总和。因为被测电压积分阶段的时刻是固定的，为10 000个时钟脉冲，用守时计数器的计数成果减去输入积分阶段的计数值10 000，即得到基准电压反积分阶段的计数值N。反积分阶段的计数脉冲数与输入电压成线性关系，满量程时对应的有用计数脉冲为20 000，能够得以下公式：
N=VIN/VMAX×20 000 (3)
式中：VMAX为TLC7135的满量程电压，因为TLC7135满量程为2倍参阅电压即VMAX=2VREF，基准电压反积分阶段的脉冲数和输入电压满意关系式：
N=VIN/VREF×10 000 (4)
经过简略改换可得输入电压的核算公式：
VIN=N/10 000×VREF (5)
式(5)中VREF是运用TL431发生的2.5 V基准电压，单片机计数得到N后，就可核算出输入电压。
3.4 人机接口电路
在外表的前面板上规划有数码管，LED灯，按键，用于数据显现、状况指示及参数设置。为了尽量削减单片机I/O资源开支，选用了动态改写显现办法。单片机操控点亮一个数码管，然后关掉，再点亮第二个，4个数码管循环往复地轮番点亮，一个轮番周期每个数码管的点亮时刻是极为时刻短的，因为人的视觉逗留及发光管的余辉效应，虽然实践上各个数码管并非一起点亮，但只需改写的速度足够快，给人的视觉便是一组安稳的显现数据，不会有闪耀感。
如图7所示，4位数码管各有8个显现段，每位数码管相同的段连在一起，由P0端口一致进行段驱动，而各个数码管的共阳极则由另一个I/O进行驱动。P2.4用于驱动LED灯公共端，P2.5用于分时检测按键输入。驱动程序的规划思路是，P2.0-3端口操控三极管Q1，Q2，Q3，Q4轮番翻开。例如P2.0输出低电平，三极管Q1导通，数码管DS1点亮，P0端口操控显现相应的数字，LED1状况如需点亮，P2.4输出低电平，不然输出高电平。一起检测P2.5端口输入，如为高电平阐明按键S1被按下。为了严厉地确保轮番周期和显现时刻，能够在单片机守时器中止服务程序中进行动态显现和检测。
3.5 报警输出及通讯电路规划
为了防止外联设备的浪涌冲击和噪声搅扰，报警输出和通讯电路与体系电路彻底阻隔，接地以及电路之间没有任何物理上的传导衔接。继电器K1、K2用于某路温度超越设定的报警值时，输出机械接点信号，如能够衔接声、光报警装置。RS 485通讯接口能够将本外表归入到总线拓扑的RS 485网络中，以进步丈量网络的会集监控才能。为了进步RS 485通讯速度本规划选用了接纳和发送主动转化的零延时电路。如图8所示，若发送为低电平，DE/RE为高电平，发送答应，此刻因为D管脚接地，MAX1487芯片的输出端A、B发生表明低电平的差分信号。若发送高电平，DE/RE为低电平，MAX1487芯片的A、B端处于高阻态。此刻靠电阻R32和R35的下拉和上拉效果，使总线上发生表明高电平的差分信号。由以上剖析看出，在半双工传送数据的办法下，程序不用操控DE/RE，硬件完结接纳和发送的转化。
4 软件规划
外表整机软件主要由3部分组成，数据收集与温度核算程序、人机服务程序、通讯程序。为了确保各子程序和谐运转，需求经过中止机制完结。数据收集与温度核算程序在主循环里运转，人机服务在守时中止里完结，通讯使命在串行通讯中止服务程序中完结。
数据收集与温度核算程序要对16路温度进行循环收集，经过单片机P0端口对多路开关的地址引脚操控而完结通道挑选。总共用了17路数据通道，榜首路为零电压、参阅电压，2～17路为16路温度电压信号。每次收集数据都要经过通道挑选，A/D转化处理，温度核算等操作。
人机服务程序是完结仪器的显现及人工操作，因为数码管和LED指示灯选用动态改写显现，为了确保动态改写周期，人机服务程序安排在守时器中止里运转。
RS 485通讯拜访办法为主从办法，本外表处于从机位置。外表收到主机发来的数据帧后，依据MODBUS RTU通讯协议将主机要求的信息发送到RS 485网络中，主机能够读取16路温度、报警设定数据，以及从头设置相关参数。
5 结语
本文依据STC15F2K60S2完结了多路温度传感器丈量，体系规划紧凑、成本低、功用强大，且适用规模十分广泛。每个通道经过参数设置及改换电路稍加更改即可承受不同的输入类型，如热电偶、热电阻、线性电压、线性电流、线性电阻，可与各种传感器、变送器合作运用，完结对温度，压力、液位等物理量丈量，为工业体系集成供给了一个很好的硬件渠道。
