一、概述
石灰爐燒制石灰時爐內各處的溫度可能不一樣,，生產工藝要求得出爐內四點的平均溫度,，了解各點的溫度值，對平均值及各測量點的溫度進行報警處理,；若某處的信號不正常（傳感器損壞或斷線）能及時報警并排除在數(shù)據(jù)處理之外,。本系統(tǒng)可完成以上功能，檢測處理石灰爐的溫度,，并以4-20mA形式變送遠傳溫度平均值或最高一點的溫度,。該產品的工作示意圖如下圖1所示，在該石灰爐內有四個點分別放四個熱電偶,，這四個熱電偶就是該系統(tǒng)的四路輸入信號來源,。利用該系統(tǒng)測出如圖1所示：
二、系統(tǒng)硬件設計
1,、系統(tǒng)結構框圖及人機界面
系統(tǒng)的結構框圖見圖二,。系統(tǒng)硬件部分主要由前端輸入電路,A/D及D/A電路,人機界面電路,CPU及外圍電路組成。系統(tǒng)達到的主要功能是充許四路信號輸入,，用戶可以通過參數(shù)設定選擇輸入熱電偶類型,，平時顯示溫度平均值，若操作者需要可以按動面板上的按鍵查看任一路信號的溫度,。四路信號是獨立的,，有一路短路或斷線故障,，不影響其它幾路信號的工作。儀表具有超限報警功能及熱電偶斷線提示功能,。溫度平均值或溫度最高的一路信號的變送為4-20mA電流信號輸出,。系統(tǒng)具有掉電保護功能，當?shù)綦姇r,，設定數(shù)據(jù)可以保存,。
系統(tǒng)設計有良好的人機界面，操作顯示面扳見圖3,，在控制顯示面板上有兩排數(shù)碼管和四個按鍵,，進行系統(tǒng)工作的顯示和參數(shù)的修改。系統(tǒng)工作方式分為兩個狀態(tài)分別為編程和運行,。利用一號鍵K1（狀態(tài)切換鍵）可以在兩種狀態(tài)間切換,。在編程狀態(tài)時，上一排數(shù)碼管顯示參數(shù)代號,，下排數(shù)碼管分別顯示對應參數(shù),。在這種狀態(tài)下，利用二號鍵K2（移位鍵）可以順序變換不同的參數(shù)代號及參數(shù),。利用三號鍵K3（加鍵）和四號鍵K4（減鍵）可以對參數(shù)進行修改,。
在運行狀態(tài)時，上一排數(shù)碼管顯示各個信號回路順序號（1～～5）,，下排數(shù)碼管分別顯示對應溫度,。其中1～4路分別顯示四路回路號及其溫度，5路顯示四路中溫度平均值,。這五路自動循環(huán)顯示,，利用四號鍵K4（定位鍵）可以使顯示內容停在當前回路上。在編程或運行狀態(tài)下,，無論何時按下K1，都可使狀態(tài)變換到另一種狀態(tài)的初始階段,。
電路設計中沒有擴展總線及程序存儲器及I/O口,CPU的四個并行口全作為普通I/O口使用,CPU及外圍電路都是標準用法,在此重點介紹有設計特色的A/D及D/A電路和人機界面電路及電源電路,。
2、數(shù)據(jù)采集電路與放大電路
數(shù)據(jù)采集部分電路如圖4所示,，限流電阻R1和穩(wěn)壓管TL431產生2.5V標準電壓,。系統(tǒng)共有7路模擬輸入信號,4路熱電偶信號輸入（EXT1————EXT4），１路冷端補償信號,一路基準信號,一路地信號（EXT5）,。2.5V電壓加在10K電阻和外接二極管串聯(lián)支路上,，構成熱電偶的冷端補償電路，它是利用二極管正向工作的電壓-溫度特性測量冷端溫度,，基準信號利用2.5V電壓和分壓電阻產生,。因此采用了8選1多路模擬開關CD4051,由單片機的P2.0,、P2.1、P2.2三個引腳高低電平控制模擬通道的選擇,。由于輸入熱電偶分度號由用戶設定,，不同分度號信號大小不一,故設計了由OP07和4051（U2）組成的程控放大器，輸入信號經放大后進入A/D,經采集處理后得出各路信號值,。程控放大是利用單片機對4051的控制,，選擇不同的通道，同時也就選擇了不同的放大倍數(shù),。4051外接的電阻是：R25=20K,，R26=47K，R27=2.4K,，R28=3.9K,，R29=1.9K，共有4個不同的放大倍數(shù),，分別為放大倍數(shù)1=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（47+2.4+3.9+1.6）≈1.3倍,、放大倍數(shù)2=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（2.4+3.9+1.6）≈10倍、放大倍數(shù)3=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（3.9+1.6）≈14倍,、放大倍數(shù)4=（20+47+2.4+3.9+1.6）/1.6≈46倍,。1.3倍的放大倍數(shù)主要用于冷端補償二極管信號的采集，電路中四個22M上拉電阻完成熱電偶斷線撿測功能,。
石灰爐內4點放四只熱電偶,，作為系統(tǒng)的四路mV信號輸入端。熱電偶信號被選通輸入后進入程控放大電路,，信號分度號不同則mV值的高低也不同,，通過軟件選擇不同的放大倍數(shù)，使這些放大后的信號最大值接近A/D的最大充許值,；以充分利用A/D資源,保證測量精度,。設放大倍數(shù)為A，則從程控放大出來的信號即為AX,。各種信號的放大倍數(shù)的確定和后面A/D器件的模擬輸入有關,，本電路的A/D選擇7135（五位半）,基準電壓為0.5V,7135的模擬輸入的范圍為0～1V電壓。例如B,、S標準熱電偶,，放大倍數(shù)應選擇46，K,、E,、標準熱電偶放大倍數(shù)應選擇14。冷補二極管信號為0.65V左右,，采用1.3倍放大倍數(shù),現(xiàn)以一路信號的轉換計算為例說明,，測量某路熱電偶輸入時依次采集外接熱電偶輸入毫伏值,、冷端補償二極管電壓降、基準電壓及模擬地,。從4051的X2端輸入V基是己知電壓,，并固化于程序中,D基、D零,、Dx分別是基準,、零點及輸入熱電偶信號的實時A/D采集值，通過下式可以完成零點滿度的自校正,計算出VX值,。由于V基,、Vx及地三個信號經過同樣的硬件輸入通道,硬件的離散性誤差及零點滿度漂移對三者的影響相同，通過下面公式可以校正零點,、放大倍數(shù)及A/D各環(huán)節(jié)的誤差,，在用一般器件的情況下可保證系統(tǒng)的測量精度。
D基-D零/Dx-D零=Vx/V基
由于熱電偶mV溫度間關系是非線性的,，我們采用了折線法進行非線性校正,，VX通過分段非線性數(shù)據(jù)處理,可以算出對應溫度CX,加上通過測量冷端補償二極管電壓得出的冷端補償溫度C0，就得到該路的實際測量溫度C,即C=CX+C0,。
同時由于熱電偶的原因,，在測量端的電壓值會被抵消了一部分。這種情況造成的誤差影響較大,。必須對它進行冷端補償,。因為二極管在溫度變化時，其正向導通電壓變化穩(wěn)定,，為-2mV/℃,，因此我們采用二極管測冷端濕度進行補償，具體做法如下：
第一步,，我們冷端補償輸入端輸入一標準電壓0.7V得到一個AD采樣值D0,，然后我們再輸入一標準電壓0.6V再得到一個AD采樣值D1。兩者相減得到一個值ΔD,，根據(jù)二極管的特性,，每1℃電壓變化2mV，我們輸入的第1個標準信號和第2個標準信號相差為100mV,，相當于二極管正向電壓變化100mV，對應冷端溫度變化50℃,，就可以求出冷端溫度每變化1℃時其對應AD值變化多少的系數(shù)K=ΔD/50,，由于冷端溫度變化范圍小（0-50℃）,相對精度要求不高,，因此設計產品批量生產時把該系數(shù)直接固化于程序中,。當把冷補二極管1N4148接入輸入端后,，據(jù)上面所述，可以根據(jù)該系數(shù)及冷端AD采集值變化量的大小推算出冷端溫度變化的大小,。
第二步：我們在儀表設置狀態(tài)輸入當前環(huán)境溫度Ta,，并及時測得二極管1N4148所在端電壓經放大AD轉換后的值Da,并將Ta、Da其存儲到EEPROM里面,，以后儀表處于工作狀態(tài)時我們實時地測出二極管AD轉換后的值Db,，再把兩者相減得ΔDab=Da-Db，ΔDab除以K（代表每一個1℃的AD采樣值的大?。┑玫揭粋€溫度值差Y,。然后Y加上設置環(huán)境溫度初值Ta得到實際冷端溫度C0=Y+Ta。這種冷端補償有一定誤差,當環(huán)境溫度變化時,所測的實際冷端溫度C0將會跟隨變化,，在一定時期內環(huán)境溫度的變化不大,因此它引起的誤差和熱電偶相比十分的小,可以忽略,。但當環(huán)境變化較大時,比如從冬天到夏天的變化,其變化為幾十℃,如果冷補誤差大于1度,我們可以重新輸入基準Ta校正。
3,、A/D電路
A/D電路主要由74LS157,、ICL7135芯片組成，7135采用0.5V基準信號,模擬電壓輸入范圍為0-1V,。ICL7135采用動態(tài)掃描BCD碼輸出方式,，即萬、千,、百,、十、個各字位BCD碼輪流出現(xiàn)在B8,，B4,，B2，B1端上出現(xiàn),，并在D5-D1各端同步出現(xiàn)字位選通脈沖,。采集到的微弱信號經程控放大后，經過AD轉換變成數(shù)字信號,。使用了74LS157四2選1選擇器,，使"萬"位數(shù)據(jù)輸出和其它的三標志信號（超量程、欠量程,、極性輸出）與BCD碼數(shù)據(jù)輸出的B8,、B4、B2,、B1共用C52的P0.0-P0.3四條I/O口線,，分時傳送是通過D5控制74LS157的選擇端SEL實現(xiàn)。SEL輸入低電平時選擇1A-4A輸出，輸入高電平時選擇1B-3B輸出,。因為"萬"位數(shù)據(jù)只能輸出0或1,，是個半位。所以,，正好和OR（過量程）,、UR（欠量程）和POL（正負極性）三位構成四位數(shù)據(jù)輸出，供單片機讀取,。與C52的硬件接口方式是查詢方式,，軟件上利用對D5、D4,、D3,、D2、D1查詢來實現(xiàn)"萬",、"千",、"百"、"十",、"個"上的數(shù)據(jù)輸出,。
4、控制面板電路
該部分電路包括兩部分：按鍵控制電路和顯示電路,。具體電路見圖5,。電路采用ZLG7289作為核心芯片,通過三個引腳與單片機連接，單片可完成動態(tài)顯示掃描及按鍵查詢,，節(jié)約了單片機I/O口硬件資源及時間資源,。實際電路中Zlg7289的選片/CS接地時鐘線CLK接P2.7口數(shù)據(jù)線DIO接P2.6口鍵信號線KEY接P2.5口。
zlg7289具有SPI串行接口功能的可同時驅動8位共陰極數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅動芯片,，無須外圍元件可直接驅動八位LED數(shù)碼管并可同時連接多達64鍵盤的鍵盤矩陣,，單片即可完成LED顯示及按鍵的擴展。zlg7289內部含有譯碼器,，可直接接受BCD碼或16進制碼,，并同時具有2種譯碼方式，此外,，還具有多種控制指令,，如消隱、閃爍,、左移,、右移、段尋址等,。本系統(tǒng)用了兩排4位數(shù)碼管,，數(shù)碼管用的是動態(tài)顯示的,。根據(jù)zlg7289的要求,，數(shù)碼管選用共陰極的,，Zlg7289的18腳～25腳接數(shù)碼管的位驅動端，10腳～17腳接數(shù)碼管的段驅動端,，通過數(shù)據(jù)線和時鐘線可以把要顯示內容送入7289,。本電路只設計了四個按鍵，當有鍵按下時,，KEY引腳電平發(fā)生變化通知CPU通過數(shù)據(jù)線和時鐘線讀取鍵值,。
5、報警電路及信號輸出電路
報警有兩種：上限報警和下限報警,，兩個報警繼電器分別通過PNP驅動三極管接在單片機的P0.5和P0.7,，低電平有效。軟件設計當四路信號及平均值超過各自所定的上限時,，繼電器就發(fā)出報警,，同時在控制面板的上排數(shù)碼管的最后一位顯示H字樣；同樣,，當四路信號及平均值低于設定的下限時,，繼電器也報警，并在同一個位置顯示L字樣,。
模擬輸出部分的電路圖如圖6所示,。單片機根據(jù)設定參數(shù)選擇把溫度平均值或溫度最高那一測量點信號送到十位D/A芯片7520，配合LM741放大器得到電壓輸出,；最后經再經過一個LM741構成的V/I轉換電路,，得到模擬電流4-20mA及1-5V電壓形式輸出。
6,、開關電源電路
本變送器采用DDZ-Ⅲ型的電動單元組合儀表24V直流電源,，這種供電方式的優(yōu)點是各單元省掉了電源電壓器，沒有工頻電源進入單元儀表,，既解決了儀表發(fā)熱問題,，也為儀表的防爆提供了有利條件。由于內部需要±5V,，所以該系統(tǒng)采用了DC/DC開關電源,，生成5V和-5V電壓。電源部分電路如圖7,。
電源電路采用的MC34063是一種集成了DC-DC變換主要功能電路的芯片,，它能被設計完成升（降）壓和極性變換的功能，而且所需外接元件少,。外輸入24V電壓,，經過MC34063電壓可以轉換為+5V，而后，該電壓又經過ICL7660變成-5V電壓,。24V電壓可以同時供內部4-20mA輸出電路使用,。電路工作時5V最大電流0.4安培，-5v最大電流0.02安培,。
三.軟件設計及調試
軟件設計主要有主程序,，ICL7135A/D轉換程序，BCD碼轉換程序,，運算比較程序,，讀寫24C02子程序，查表程序,，功能鍵子程序等功能模塊,。主程序流程圖如圖8所示。
主程序主要包括兩大分支,，一個是編程狀態(tài),，一個是運行狀態(tài)。
單片機首先進行初始化,，程序的初始狀態(tài)設置為運行狀態(tài),除剛通電進入運行狀態(tài)外,，以后程序須判斷狀態(tài)標志位，根據(jù)判斷結果程序進入編程或運行狀態(tài),。在運行狀態(tài)下無法對各參數(shù)進行編輯,，只能從24C02讀出各種運行工作參數(shù)，巡回測量輸入信號,，最后通過零點滿度自校正處理,冷端補償計算,查表處理得出各測量點溫度值,。在該狀態(tài)下可通過←鍵選擇顯示測量、報警,、故障信息等各種運行參數(shù),。在編輯參數(shù)的狀態(tài)下系統(tǒng)不進行測量，剛進入編程狀態(tài)時要求輸入編程充許密碼,在輸入密碼正確的前提下,可以通過←鍵選擇各設定各參數(shù),并可通過↑↓按鍵修改,存入24C02中,停止按鍵操作5分鐘后不管是否按狀態(tài)鍵均自動轉入運行狀態(tài),。
單片機在運行狀態(tài)時,，上面四位數(shù)碼管顯示回路號（最合二位顯示報警及故障信息），下面四位數(shù)碼管分別顯示對應數(shù)據(jù),，可通過K4鍵來切換顯示不同的回路及其參數(shù),。其中回路號1-4表示不同的四路信號，平均值在第五路顯示,。比較后其中最大的一路及四路平均值可以通過參數(shù)的設定選擇以4-20mA形式變送輸出,。軟件確定4051與AT89C52相連四路信號選擇電平，選擇的模入信號經程控4051和運放放大后,，進入ICL7135進行A/D轉換,，由電壓信號轉化為BCD碼（由萬位到個位,，五位地址輸出）。利用轉換子程序把BCD碼轉換為十六進制數(shù),，最后進行各種數(shù)據(jù)處理得出溫度值,求出最大值及平均值,，并進行報警及信號故障判別處理。