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32路溫度巡檢儀的設計與應用

作者: 發布日期:2021/5/18 15:36:26 瀏覽:

摘  要  
針對目前溫度檢測儀表的現狀及其存在的主要問題,設計了一種32路溫度巡檢儀 ,并分析了該裝置的設計方案及其特點。

在工業生產中,溫度的檢測和控制都直接和安全生產、產品質量、生產效率、節約能源等重大技術指標相聯系 ,溫度檢測類儀表作為溫度計量工具 ,也因此得到廣泛應用。目前多路溫度巡檢儀主要缺點是用模擬傳感器 ,接線復雜 ,傳送距離短且巡檢路數不易增加。針對這些問題 ,設計了一種 32路溫度巡檢儀,它可以巡回檢測多個測試點的溫度,不僅具有精度高、功耗低等優點,還可以及時報警、顯示、打印和采取保護措施 ,使用相當方便。

1系統的總體設計
系統實際上是一個專用的單片機,儀表內部除單片機以外的其它硬件部分均可看作是單片機的外設部分。在本系統中,CPU 在溫度采集和處理時,主要是對溫度值進行巡回檢測、數據記錄、數據計算、數據統計和整理、數據越限報警并對這些數據進行積累和實時分析。CPU 不直接參與控制,對生產過程不會直接產生影響。其總體設計思路如圖 1。

結構和強度等因素。在此 ,引入小變形的概念 ,在保證地面建筑物安全的條件下允許下沉盆地內出現小的變形 ,但其變形必須小于建筑允許的采動變形。
(2)采出厚度計算。當開采煤層全厚或多煤層預計的地表變形超過建筑物允許的地表變形,并且采取建筑物保護措施有困難、而減少開采厚度又可行時,就可使用限厚開采措施。厚煤層分層開采時,控制每一分層的開采厚度,并使各個分層的回采保持足夠的間隔時間,就可能安全采出建筑物壓煤。一次允許的采出厚度,可利用有關的地表變形預計公式來計算。溫度經過采樣、轉換后以數字形式進入 CPU ,在其內部對這些輸入數據進行必要的集中、加工和處理 ,在溫度參數的測量和記錄中則代替大量的常規顯示和記錄儀表 ,對整個環境溫度進行集中監視。另外 ,添加存儲器 ,預先存入各個測試點的溫度極限值和其它的相關數據 ,以便在處理過程中可以進行越限報警、調整參數和維修調試等。

2系統的硬件設計
2.1系統整體結構
系統采用了目前廣泛應用的AT89C51作為CPU,以發展前景廣闊的數字式溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測元件,并配以PCF8563實時時鐘電路、報警保護電路、打印機電路 ,采用了抗干擾技術 ,保證系統在技術上的先進性和工作時的可靠性。(如圖 2)

2.2溫度巡檢儀的硬件構成
DS18B20 在本系統中主要完成檢測溫度、向單片機輸出數字式溫度值等任務 ,具有測量精度高、轉換速率快、可以方便的設置溫度報警值等優點 ,并且由于它是一種單總線方式下的元器件 , 因而具有良好的抗干擾性。特別是選用DS18B20 作為溫度檢測元件后 ,電路中不必使用 AΠD 轉換器 ,無論從硬件還是軟件方面都大大簡化了設計任務。
單片機按單總線協議規定的時序和信號波形對 DS18B20進行初始化、識別器件和進行數據交換。其順序為 :復件=ROM功能命令ϖ存儲器功能命令ϖ執行Π數據。其命令由復位、多個讀時隙或Π和寫時隙等基本時序單元組成。
PCF8563是PHILIPS 公司推出的一款工業級的具有極低功耗的 CMOS 多功能實時時鐘Π日歷芯片。在系統中它主要是為電路提供一個實時時鐘和定時以便單片機控制打印機工作。PCF8563 采用兩線制I2C總線通訊方式 ,不但是外圍電路極其簡潔 ,而且也增加了芯片的可靠性 ,其性價比高。
AT89C51內部沒有I2C總線接口,所以本系統采用虛擬I2C總線方式。PCF8563帶有虛擬I2C總線方式下的子程序,編程十分方便。單片機按其唯一的器件地址OA2H 在總線上對它進行時鐘的讀取和寫入。
為保證掉電后時鐘的正常運行,PCF8563 需要后備電源,在電源電壓正常的情況下,由正電源對芯片供電且應對電池進行涓流充電;在電源電壓出現故障的情況下,切換到由電池對時鐘芯片供電。
X5045 是 Xicor 公司的產品 ,它把三種常用的功能 :看門
狗定時器、電壓監控和 EEPROM組合在單個封裝之內。
本系統中X5045由三根線分別與AT89C51的三根IΠO口線相連。芯片選擇線CS有效時,X5045和AT59C51之間才能在串行時鐘信號SCK的節拍下通過數據線進行數據傳輸。至于數據是從數據輸入線SI輸入還是從數據輸出線SO輸出 ,就需要根據操作時序上具體提供的讀命令READ或寫命令WRITE來決定。
鍵盤采用獨立式按鍵結構,由功能鍵,回連鍵,增量鍵,減量鍵組成。操作主要在現場修改、查詢各路溫度報警值時使用 ,另外在需要 CPU 認定溫度傳感器位置序號時使用。這樣 ,系統采用少量按鍵來設置現場參數 ,具有較強的對話性和可操作性。而且僅占用單片機的 4 條 IΠO 口線 ,采用軟件去抖動措施 ,使得硬件電路極為簡單。
4位LED數碼管用來顯示路數與溫度,其驅動電路采用普通IΠO口模擬串行口加雙向移位寄存器74LS164構成一個或多個并行輸入Π輸出口的電路結構。考慮到全雙工串行通信口要為以后擴展的與其它單片機、PC 機串行通信技術預留出來 ,所以 ,選用其它的 IΠO 口線 ,模擬串行口的時鐘輸出和數據輸入、輸出的工作方式。
由于74LS164 在輸出低電平時,允許通過的電流達8mA,故不必添加驅動電路 ,亮度也較理想。這種電路屬于靜態顯示,與動態掃描相比較 ,無須 CPU不停地掃描,頻繁的為顯示服務 ,節省了CPU的時間,軟件設計也較簡單。
本系統采用帶有漢字庫的微型打印機 ,可根據需要打印溫度值 ,并用打印機實時跟蹤故障的位置與時間 ,使系統具有較好的可維護性。具體要求是立刻打印出現故障的路數與對應的溫度值及記錄故障產生的時間 ,能在任意時刻打印所有溫度值 ,也可通過鍵盤定時從而能夠自動隔時打印。
在本系統中 ,報警電路能在溫度異常時送出指示信號和跟蹤定位。當單片機檢測到故障時 ,將對應的 IΠO 口置 O ,使發光二極管發光 ,達到指示故障的目的 ;另外 ,將三極管對應的 IΠO 口置 O ,T1 截止 ,T2 導通 ,有電流流過繼電器 ,繼電器動作 ,達到跟蹤定位的目的。考慮到繼電器單憑單片機本身的 IΠO 口線的輸出電流不能產生動作 ,所以在它們之間增加了兩個反向驅動器 ———三極管 T1 和 T2 。
本系統采用了由交流電經變壓、整流、濾波、穩壓而形成的直流電源。其中電源變壓器主要為打印機工作時的 5V 直流電源以及多路溫度檢測儀提供 5V 直流電源 ,因此總電流大約 450mA ,考慮裕量設計 ,選擇變比為 220VΠ9V ,功率為 12~15W的變壓器。穩壓部分選用了 W78 ××系列的三端固定式集成穩壓器雙繞組扼流圈的濾波線路 ,它對高頻干擾信號阻抗很大 ,使整個電子系統與供電網間得到一定程度的高頻隔離 ,對于外界空間電磁場的干擾 ,也起一定的抑制作用。
3  系統的軟件設計
軟件包括系統的主程序、初始化子程序、溫度采集子程序、數值濾波子程序、對 X5045 讀寫子程序、對 PCF8563 讀寫子程序、顯示子程序、打印子程序、鍵盤子程序和報警子程序等。
4  巡檢儀的特點
(1) 采用高性能的單片機為核心,擴展的外圍芯片全部采用串行接口芯片,使整個系統體積小,功耗低; (2) 現場安裝配線簡單,調試簡捷方便; (3) 系統具有較強的對話性和可操作性; (4) 具有較好的可維護性和較強的抗干擾性能。

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