1 系統功能及特點
本系統用單片機對整個測量電路進行管理和控制,使得整個系統智能化、體積小、功耗低、使用電子元件較少,內部配線少,成本低,制造、安裝、調試及維修方便。該系統中單片機作為下位機,完成測溫任務,測量結果可在本地顯示,也可通過下位機與上位機(PC機)通訊,給出結果和提示信息。而上位機與下位機大多是通過PC機的RS-232串行接口實現通信。Visual Basic是可視化面向對象的采用事件驅動技術的結構化程序設計語言,本系統上位機是在Windows環境下利用Visual basic開發微機通信程序。
2 系統基本原理
系統結構如圖1所示，其中，計算機要求能夠運行Windows98或更高版本)操作系統和開發環境VB6.0，具有標準的RS232串口，主要功能為數據采集處理和系統控制，是人機交互的平臺。
現場溫度采集點共有4路,采用AD590采集溫度送到單片機的A/D轉換器轉入端,測量范圍最大值為50度,單片機定時采集溫度信號，并按串行通信協議打包構成數據幀。在微機中采用VB6.0編程，并選用MSCOMM控件進行串行口通訊。MSComm控件是Microsoft提供的擴展控件,用于支持VB程序對串口的訪問,同時支持查詢方法和事件驅動通訊的機制。事件驅動通訊是交互方式處理串口事務的一種非常有效的方法,特別適合Windows程序的編寫。因此用其實現微機串口的數據通訊相當簡單,以很少的程序代碼就可以輕松實現串口的訪問和數據通訊。
3 硬件設計
3.1 測量電路設計
AD590將溫度轉換成相應的電流后，需要有電流電壓轉換電路(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，與電壓之間的關系為：U=K(T-T0)V式中，K為比例系數，K=0.98V/度，T為環境溫度，單位為度，T0—測溫下限0度。當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,實現的辦法是:首先調整R2，使得I1=273.2uA，當溫度為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；當環境溫度為50度時，流過AD590的電流為323.2uA，此時,I3=I2-I1=50uA，調整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的輸出電壓。
3.2 模數轉換接口電路設計
本系統以89C51芯片作為主芯片,管理和控制整個系統。該芯片集成度高,兼容8051單
處機,不同的是片內有4KB的ROM,為PEROM(FLASH存儲器)。A/D轉換器的種類很多,目前
應用較廣泛的有:逐次逼近式A/D轉換雙積分式A/D轉換器、V/F變換式A/D轉換器。本系統所使用的單片機89C51是8位,因此采用8位A/D轉換器,其接口電路簡單。絕大部分集成A/D轉換器的數據輸出都具有TTL電平,數據輸出寄存器具有可控三態輸出功能,可直接掛在數據總線上,否則,就要加緩沖器接口,數據分兩次讀出,比較麻煩。根據系統所要求的測量分辨力,采用8位A/D轉換器時,其分辨力為50/250=0.2,已經高于規定值。溫度是一個緩慢變化的物理量,測量它時不需要高速A/D轉換器,通道上也不需要加采樣保持器。逐次逼近型A/D轉換器屬于中速A/D轉換器,常用于工業多通道單片機控制系統。基于以上原因,本系統采用
ADC0809作為模數轉換器。其結構框圖如圖3。該芯片是8位逐次比較式A/D轉換芯片,具有地址鎖存控制的8路模擬開關,最大非線性誤差小于+1LSB,應用單一+5V電源,其模擬量輸入電壓的范圍為0 +5V,對應的數字量輸出為00H FFH,可鎖存三態輸出,輸出與TTL兼容,功耗為15mW,轉換時間為100 S,無需調零或調整滿量程。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。
該系統中ADDC接地,AD-DA、ADDB分別接89C51的P3.3和P3.4,構成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轉換,一起接入P3.7;EOC是轉換結束信號,與P362相接,向單片機申請中斷；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,故通常由單片機的ALE經分頻后接向該引腳；DB0 DB7是數字量輸出,與PO相接，LSB表示最低位,MSB表示最高位。
3.3 串行接口電路設計
下位機(單片機)通過串行口(RXD和TXD)與上位機(PC機)進行異步通信,采用RS—232標準接口。RS—232規定了自己的電氣標準,而此標準并不能滿足TTL電平(MCS—51單片機串行口電平為TTL電平)傳送要求。因此當RS232電平與TTL電平接口時,必須進行電平轉換。目前RS232與TTL的電平轉換最常用的芯片是傳輸線驅動器MC1488和傳輸線接收器MC1489,其作用除了電平轉換外,還實現正負邏輯電平的轉換。
4 軟件設計
系統軟件主要是用VB6.0對RS232串口編程。實現硬件之間的通訊。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。通信控件把許多復雜的操作都留給了VB和Windows處理，編程人員編程時只需設置其中的一些屬性。
系統的關鍵代碼如下:
Coast CMDconfig = "%0101210600" ’設置端口命令字符，
0--100度，科學單位
Coast CMDdataInl = "#O1" ‘讀串口1數據命令字符
Coast CMDdataIn2 = "#02" ‘讀串口2數據命令字符
Coast CMDspanCalibration = "$010" ‘校準命令字符
Coast CMDoffsetCalibration = "$011" ‘偏移量校準命令字符
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‘發出讀數命令
TimeDelay 500‘延時500 ms
Picturel.CurrentX = 0‘繪制曲線坐標起點
Picturel. CurrentY = temperature
Timer1.Enabled = True‘開始計時
End Sub
Private Sub MSComml_OnComm( ) ‘事件響應子程序
Select Case MSComml.CommEvent‘判斷MSComml通訊事件
Case comEvReceive‘收到Rthreshold個字節產生的接收事件
MSComml.RThreshold = 0‘關閉OnComm事件接收
TimeDelay 20‘延時20ms
temperatureShow = Right(MSComml.Input.7) ‘讀取第一個數據字節(BCD碼高位字節)
temperature = VaI(temperature5how ) ‘數值組合，標定小數點
MSComml.Output = CStr(CMDdataIn)&vbCr‘發送讀命令
MSComml.InBufferCount = 0‘清空緩存
MSComml.RThreshold = 1‘關閉OnComm事件接收
Case comEventBreak‘收到Break
…
Case Else
End Select
End Sub
系統時鐘最小可以設為1ms，在使用中需要注意，由于串口速度有限，系統運行速度有限，ADAM4013模塊的采樣率也有限，所以設置串口采樣間隔一般不能小于50ms，否則會出現延時錯誤。其實對于溫度采集來說，20次/s的采樣率已經夠用，大的采樣率并無太大意義。
5 結束語
系統中沒有對溫度超過測溫范圍時情況的處理,可在系統改進中增加一個報警電路。將單片機的一個口與一個發光二極管相接,所測溫度超過規定溫度時,發光二極管點亮,提醒用戶。本系統由于進行了實時顯示和數據存儲的設計，便于直觀地觀察溫度變化和數據處理。本系統最大的特點就是容易實現，不需要數據采集卡，不需要硬件驅動程序，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開發。