嵌入式系统 &’()*’+ ,-.’*/ 0 122+/ 《电气自动化》 !""# 年第 $% 卷 第 $ 期 基于 !"#$%&’ 的温度测控系统设计! "()*(+,-.+( /(,0.+()(1- ,12 341-+45 %60-() 7,0(2 41 !"#$%&’ 武汉工程大学电气信息学院 !武汉 "#$$%" & 杨 帆 王 烨 李国平 赵党军 ! !"#$% &%’()*+’,- ./ 0%1’%))*’%12 !"#$% 3"4)’ "#$$%#& ’()*+ , -+*. /+* 0+*. -1 2) 3456)*. 7(+5 8+*.94* 湖北国土资源职业学院 !荆州 "#"$$$ & 张敬泉 7(+*. :)*;4+* ! 3"4)’ 5$%1 $%6 7)+."*8)+ 9.8$,’.%$:2 ;’%1<#." 3"4)’ "#"$$$& ’()*+ , 摘 要：设计了一种基于单片机和虚拟仪器的温度控制系统，主要实现对给定点的温度控制。系统由两大部分构成，温度采集控制部分和 温度显示部分。温度采集控制部分的核心是单片机 <=>?@AB，分为四个模块进行设计：测温电路、模数转换电路、输出控制电路、 串口通讯电路。温度显示部分用虚拟仪器实现，不仅显示温度的历史波形，还显示实时温度值，方便对被测信号分析、处理。经测 试该测温系统性能稳定，在 "AC 的精度可达 D EC 。 关键词：温度测控系统 单片机 虚拟仪器 ’()*+,-*：=()F G1F).* )*HI5G4J1F + H1K61I+H4I1 K1+F4I1K1*H +*G J5*HI5L FMFH1K N+F1G 5* 2+NOPQ0 +*G F)*.L1 J()6 K)JI5J5K64H1I& J5*HI5LL)*. H(1 5H(1I )F H(1 G)F6L+M R)S1GT65)*H H1K61I+H4I1U =(1I1 +I1 HV5 K+95I 6+IHF )* H(1 G1F).*& 5*1 )F H(1 H1K61I+H4I1 +J;4)F)H)5* +*G J5*HI5L& 5R H1K61I+H4I1U P* H(1 H1K61I+H4I1 +J;4)F)H)5* +*G J5*HI5L& H(1 J5I1 J()6 )F H(1 @’W <=>?@ABU 81F).* )F G)X)G1G )*H5 R54I K5G4L1FY H(1 J)IJ4)H 5R G1H1JH)*. H1K61I+H4I1& +*+L5.TG).)H+L J5*X1IF)5* J)IJ4)H& 54H64H J5*HI5L J)IJ4)H R5I H(1 J5*HI5L& F1I)+L J5KK4*)J+H)5* J)IJ4)HFU 01 4F1 X)IH4+L )*FHI4K1*H H5 G)F6L+M H(1 H1K61I+H4I1& *5H 5*LM F(5V H(1 ()FH5IM 5R H1K61I+H4I1 V+X1& +LF5 I1+LTH)K1 H1K61I+H4I1U PH )F J5*X1*)1*H H5 +*+LMZ1 +*G 6I5J1FF1F H(1 K1+F4I1G F).*+L )* H(1 V+X1R5IK G)F6L+MU =(1 H1K61I+H4I1 K1+F4I1K1*H +*G J5*HI5L FMFH1K N+F1G 5* 2+NOPQ0 +*G F)*.L1 J()6 K)JI5J5K64H1I (+F + FH+NL1 61IR5IK+*J1& +H "A G1.I11F ’1LF)4F H(1 +JJ4I+JM I1+J(+NL1 D EC U ./012+3)Y H1K61I+H4I1 K1+F4I1K1*H +*G J5*HI5L FMFH1K F)*.L1 J()6 K)JI5J5K64H1I [ 中图分类号 \ =]#^> [ 文献标识码 \ _ [ 文章编号 \ E$$$T#>>^ ! B$$? , $#T$$A#T$# X)IH4+L *FHI4K1*H 由于单片机具有集成度高、功能强、体积小、价格低、抗干扰能 力等优于一般 ’]‘ 的优点，因此，在要求较高控制精度和较低成 本的工业测控系统中，往往采用单片机作为数字控制系统取代模 拟控制系统 [ E \。本文介绍了一种基于 <=>?@AB 的温度测控系统设 计方法。组建的实际系统经运行测试，性能良好。 8 系统的组成及工作原理 系统由温度采集控制和温度显示两大部分构成 [B a # \，用虚拟仪 器实现对被控温度的显示 [ " a A \。下位机的核心是 <=>?@AB单片机， W 器，关键在于计算可调电阻 7EE 。图中 ’ 点提供 BU AO 参考电压 源。假如设定温度范围为 $ e >$C ，放大后温度数据取值范围为 $ e BO；则单片机显示温度数据等于单片机采样结果乘上 >$ 后再 除去 B$"。差分电压信号 9=> 放大成为预采样为 $ e BO 的标准信 !基金项目：基于虚拟仪器的现代集成测控装置研制 ! B$$^$B%E , 号的增益为：? f B$$$ >$ f BA !"#$%&’$(" )*%+,(%’+- . /0 

《电气自动化》 !""# 年第 $% 卷 第 $ 期 嵌入式系统 &’()*’+ ,-.’*/ 0 122+/ 由 !"#$% 特 性 可 知 ! & ’() ’*! "! + ,， 这 样 可 求 出 ",, & 输出控制模块、串口通讯模块以及用 9:;8<=> 设计的波形显示模 块，下面介绍主控模块的设 $%-.) /// 欧姆。 !" ! 输出控制电路设计 输出控制电路主要目的是使温度控制在设定值，本次用风扇 和灯泡模拟整个控制过程，灯泡用于加热，使小环境内的温度升 高，风扇用于散热使小环境内的温度降低。 本设计使用三极管作驱动灯泡和风扇的放大电路。由于风扇的 驱动电流为 %) ,-!，而灯泡的驱动电流为 %) -#!，而单片机引脚的输 出电流约 ,% 0 $%1!2 而且 .(3-$ 芯片 4, 口的引脚串联了 $%5 的电 阻，所以根据不同的情况，每个驱动电路都必须接上拉电阻，这样单 片机才能驱动风扇和灯泡。其输出控制电路如图 ’ 所示。 计。系统软件设计框图如图 - 所示。 #" $ 系统主控程序设 计 设 计 选 用 的 是 !B.(3-$ 单片机，采用 ? 语 言进行编程，其中 CD1E 中保 存的是采集到的实际温度， 给定值为’-6 。系统初始化阶 段，将单片机的定时器 B, 设置 为工作方式 $，用于产生串行 通信 所需 的波 特率 ,$%%; F G， 串行口设置为方式 ,。 首先将采集到的温度信息 保存到全局变量 CD1E，然后与 给定值 ’- 度进行比较，在此基 础上，启动 F 暂停 4,) % 或 4,) , 口的风扇和灯泡 。进而对温度 进行实时控制。主程序框图如 图 # 所示。 " 结果及分析 将单片机测温系统通过串 口与 4? 通讯，用 9:;8<=>.) % 设计的波形显器显示温度。可 以直观的看到温度控制的变化 设当前的给定值为 ’-6 ，当温度小于 ’-6 时，4,) % 输出低电 平“ ”，三极管 7, 截止，4,) , 输出高电平“ ”，三极管 7$ 导通，灯 , % 泡两端的电压为 -8，小灯泡发光，即加热；反之控制过程与上述过 程相反。由此可将温度控制在 ’-6 。 ! 系统软件设计 系统软件设计包括两部分，一部分是单片机程序设计，用于实 现实时温度信号调理、检测、报警等控制功能；另一部分是基于 9:;8<=> 的虚拟仪器软件设计，用于再现历史温度曲线、实时温 度以及单片机与 4? 机的 ?@A 通讯程序。系统的软件主要由以下 几个模块组成，即系统的主控模块、数据采集模块、数据处理模块、 !" # $%&’()*’+% ,-(./+(*.0 

应用电路设计 !""#$%& ’$()*$+ ,%-$./ 《电气自动化》 0112 年第 34 卷 第 3 期 在双向协议的设计方案中，首先必须确定信息传输的设置方 式，主要包括对地址发送寄存器和数据发送寄存器中键入目标地址 及待发数据，通过对 ! " ! 矩阵键盘进行定义；当首次键入目的地址 值给地址发送寄存器，第二次键入待发数据的高 ! 位，第三次键入 待发数据的低 ! 位，这样两次键入的数据可组成一个待发的八位二 进制数，再通过可控分时 #$% 串行通信一次多数据的发送。 在项目设计中，仅采用一个八位二进制数来表示发送者及接 收者的身份识别码，但理论上地址位的长度是可以通过多个八位 二进制数无限扩充的，即理论上这样的通信方式可以通过地址寄 存器及分时多数据发送的设置挂接任意台从机。当然，数据信息也 同样可以按用户所需要的任意长的方式发送。 ! 双向通信的框架结构及具体实现 双向通信的框架结构主要包括发送端和接受端，发送端又包 括对数据的采集，数据的整合处理及一次 #$% 发送多个数据三个 过程。接收端包括数据的接收，接收后对长数据的拆分及对拆分 后的地址和数据的判断处理应用。 本文研究的关键在于解决一主机多从机结构中多台从机与主 机之间的控制关系，尽管主机的绝对控制地位不可变更，但可以通 过 #$% 双向数据线的变换有效解决 #&’ 方向调整和和数据冲突 等问题。在控制关系上，引入了接下拉电阻使能线 ()*，每一台单 片机 + 主机或从机 , 想要发送数据只需拉高本机的使能线 ()*，从 而抢占发送数据的权限，其它所有单片机都会侦测到使能线 ()* 电平的变化。一般可分为是主机拉高还是从机拉高，可去实现不 同的功能。 处理后改变使能线 ()* 为输出 + 在常态下使能线 ()* 都为输入， 仅当有发送要求后改为输出 , 并拉高 ()*，让每一台从机都侦测到 ()* 从而进入被动接收 + 常态下每一台从机的 #&’ 线都设置为输 入，#&% 线也为输入 , ，主机发出有用数据接收无用数据并抛弃，从 机都可接收到主机有用数据并进行身份识别和相应处理，这样就 实现了主机发出功能。 如果是从机要定向发送信息给主机或另一台从机，从机都是先 把数据发送给主机，在经过数据采集和处理后改变使能线 ()* 及 #&’ 线 + 常态下每一台从机的 #&’ 线都设置为输入 , 为输出并拉高 ()*，主机侦测到从机动作后进行接收与前面数据发送一样，只是将 无效数据去交换有用数据 + 这时只有发送数据的从机的 #&’ 线是输 出，其它从机的 #&’ 线及主机的 #&% 线都是输入，这样在主机交换 数据时就能保证待发从机的数据能有效地送给主机而不是像主机 主动发出那样接收的只是无效数据 , 。在主机接收到从机发送来的 数据后分析地址位，如果是发送给自己的就进行数据应用并结束接 收状态而进入常态；如果分析完地址位是要转发，此时主机只需重 复执行发送程序，就能将数据发出到指定从机，从而实现从机与从 机之间的通信，而主机仅仅起到数据监控的目的。 " 结论 基于 #$% 通信的结构模型，本文提出一个单片机网络化协议规 范，在构建模拟时序状态下实现数据的有效传送和发、收身份识别。 通过双向 #&’ 及 #&% 的数据互换，以及 #)- 的时序控制和下拉电 阻使能线 ()*，实现了 $%) 单片机系统间主从式可控定向数据传 送，从而为实现单片机网络化管理和数据交换奠定技术基础。 参 考 文 献 . / 0 李荣正1 $%) 单片机原理及应用 + 第2版 , . 3 0 1 北京：北京航空航天大学 出版社，4**51 /* . 4 0 李荣正1 $%) 单片机实验教程 . 3 0 1 北京：北京航空航天大学出版社， 4**51 / . 2 0 李学海1 $%) 单片机实用教程 6 提高篇 . 3 0 1 北京：北京航空航天大学 出版社，4**41 7 . ! 0 刘和平1 单片机原理及应用 . 3 0 1 重庆：重庆大学出版社，4**41 / 如果是主机要定向发送信息给从机，主机在经过数据采集及 . 作者简介 0 王诚杰，工程师，计算机控制技术。 !上接第 "# 页 $过程如图 8 所示。 初始实验室环境温度为249 ，等待片刻，灯泡“亮”给 :&;7* 加热，到 : 点时系统检测的温度值已接近!;9 ，设计要求是一旦 超过!;度时灯泡就熄灭，风扇启动。< 段为系统的调节阶段，这个 过程约为/*秒，此时灯泡和风扇交替启停，所以系统检测到的温度 值振动的比较厉害。) 点之后系统将温度值稳定在!;9 ，即系统达 到稳定的过程需要5;秒，控制过程如图8 = /。 又人为的将环境温度提高到 5*9 ，这时启动系统得到的温度 控制的显示曲线如图 8 = 4 所示。这个过程中，只有风扇启动，给 :&;7* 降温。可以看出这时系统达到稳定的时间较短只要 4* 秒。 # 结语 实验证明，无论当环境温度高于还是低于 !;9 ，系统都可以 将温度最终控制在 !;9 ，其中降温的过程较快。控制效果较好。该 系统通用性较强 1 特别适用于实验教学，让学生亲临整个控制过 程，明白如何组建一个实际的控制系统，明确控制算法的作用，为 仪器规模，具有良好的灵活性、扩展性与友好的显示界面。 参 考 文 献 . / 0 张毅刚1 新编 3)# = ;> 单片机应用设计 + 第4版 , . 3 0 1 哈尔滨工业大学 出版社，4**2 . 4 0 杨帆，赵世平，黎会鹏1 基于单片机和虚拟仪器的温度测控系统设计 . ? 0 1 武汉化工学院学报，4**;，48 + ; , ：5; @ 58 . 2 0 ABC DBCEF GHIJKCE LKF MHKJNCE LK 1 &NOKEC P &NQN>IJRNCS ’T : (NRISN UNRJNVBSHVN 3ICKSIV #DOSNR ’T WNX YOKCE ZKVSHB> %COSVHRNCSO1 . ? 0 1 B[QBC\NO KC \IRJHSNV，KCTIVRBSKIC，BC[ ODOSNRO O\KNC\NO BC[ NCEKCNNVKCE1 4**5 ：!!7 @ !;4 . ! 0 &N]VB MKC^OICF )>BH[N 3BVO_B>>F #_BR (IXKCOICF “ &NOKEC P [NQN>IJ6 RNCS IT B HONV KCSNVTB\N SI VNRISN>D \ICSVI> B VB[KI SN>NO\IJN HOKCE QKVSHB> KC6 ” OSVHRNCSOF . ; 0 U #HC[K\，# 3BV\IF ? #BRKSKNV NS B>1 ‘>N\SVICK\ UICEHN BC[ ‘>N\SVICK\ KC $VI\1 %‘‘‘ #IHS_NBOS\IC 4**4F JJ1 487 @ 4a4 bION &BSB AHOKIC KC )>BOOKTK\BSKIC cKS_ bNHVB> bNScIV^O BC[ AH]]D LIEK\ O . ? 0 1 %‘‘‘ UVBCOB\SKICO IC #DOSNRO 3BC BC[ )DXNVCSNSK\OF 今后的实际工作奠定基础。与同类系统相比，极大地缩减了测试 /777F 42 + 2 , d /!8! @ /!87 !"#$%&’$(" )*%+,(%’+- . /0