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二、单片机多通道温度采集系统分析与设计 （一） 总体分析
由于AT89C51单片机的精度不是很高，它的测温范围在0~100℃之间，可以直接应用在对温度精度要求不高的各种现场。单片机多通道温度采集系统可采用集成温度传感器满足温度测量，再完成：温度信号—电流---电压的转换，最后通过放大电路最终交由模/数转换芯片转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阴极数码管。该测量仪可实现多点（8点）不同区域测量，单通道，循环测量。还具有超温报警和自动控制功能，当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备，同时还要考虑到系统会用于工业生产当中，可靠性，抗干扰能力要求较高，以保证系统平稳工作。
由以上大致分析，整个系统控制将由AT89C51单片机为核心构成。选用AD7451作为模/数转换芯片，各个检测信号、控制信号、显示信号可由单片机的I/O口进行，并由程序保证系统抗干扰的能力。
（二）AT89C51单片机的性能及应用
单片机是早期Single Chip Microcomputer的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器(Embedded Microcontrolle)。
大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。它不同于一般通用计算机系统结构，即程序和数据共用一个空间的冯•诺伊曼(Von Neumann)结构。
AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。该单片机采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。它有以下特性： （1）8位CPU，内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次；
（2）完全定态操作0Hz~24Hz，可输出时钟信号，并且有128B的片内数据存储器； （3）32根可编程I/O线； （4）2个16位定时/计数器；
（5）中断系统有6个中断源，可编为两个优先级；
（6）一个全双工可编程串行通道； 具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式。
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值得注意的是，P0、P1、P2、P3口作为普通I/O口使用时都是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。当内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中的0、1状态立即反映到引脚上。但在输入操作时，如果锁存器状态为0引脚被钳位0状态，导致无法读出引脚的高电平输入。因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置1（称之为置输入方式）。然后，再读引脚，例如：要将P1口的状态读入到累加器A中，应执行以下两条指令： MOV P1，#0FFH ；P1口置入方式 MOV A， P1 ；读P1口引脚状态到A
另外，其I/O口的端口自动识别功能，保证了P1口（低8位地址）P2口（高8位地址）的总线复用，P3口的功能复用，系统自动选择不需指令。
近年来，随着计算机技术的发展，单片机的功能越来越强大。由于单片机的寿命长、速度快、低功耗、低噪声、可靠性高的特点及16位、32位单片机的出现，在工业领域仍具有很大的发展潜力。 （三） 系统硬件设计框图
括对A/D7451的数据采集，检测单通道、循环检测工作方式、温度的显示
等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有通道选择键、温度设置键、自动方式键、A/D转换芯片。执行机构有4位数码管两个。
设计一个八路温度采集系统 , 系统基本原理框图如图 2所示 , 要求主控器能对 40 米以内的各路温度 ,通过传输线进行温度数据采集和显示。系统设计模块分为：现场温度信号发生器（温度范围为： 0 ～ 100 ℃）、八路数据采集器、主控器、显示器、键盘控制器、上位机通讯等几个重要模块。
现 场温度多路数据采 地址、数据 信 号发生集器 主控器 显示器 器 系统原理图2
（四） 系统功能描述
1.现场温度信号发生器：要 求现场采集温度范围为 0 ～ 100 ℃。可以选用不同的测温方法，要求温度检测电路能够测量环境比较复杂的场所。
2．多路温度数据采集器：要求主控器能对多路的温度数据进行采集，数据采集器第一
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路输入制作的 0V ～ 5V 直流电压 ,第 2 ～ 8 路分别输入来自直流源的 5V 、 4V 、 3V 、 2V 、 1V 、 0V 直流电压。将各路模拟信号通过 A/D 转换分别转换成二进制数字信号 , 各通道的采集用模拟开关和软件实现。对温度信号的分辨度要求达到≦ 0.5 ℃。 3．主控器通过多路模拟开关对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集（即 1 路、 2 路 ??8 路、 1 路 ?? ）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。采集温度信号主要通过多路模拟开关实现，采集哪一路的温度或是循环显示各路温度通过主控器实现。
4．将主控器所采集的 8 路温度信号利用串口通讯传到上位机中，并在上位机上编写一个介面，用以显示各路信号地址和相应的数据。 三、总体方案
在选择系统方案中，主要以选择测温电路的方案为主要，测温电路的方案选择可以直接的影响到测得温度值的准确性和要求达到的精度问题，测温电路要求能把环境温度通过传感器把温度信号转换为我们所需要的电压信号或电流信号，把得到相应的电信号送入模数转换器，通过模数转换器的转换，在通过主控器的控制和程序的处理最后得到准确的环境温度值，实现温度的检测。所以在测温电路中我们进行了认真的比较和最后方案的确定。 （一）方案的比较和论证选择
在测温系统中我们常常用到集成型温度传感器，集成型温度传感器可以达到较高的精度，但其价格的昂贵让许多的人望而生畏，并且由于采用的单总线传输方式进行对远距离的多点温度进行检测，所以在程序的控制上比较复杂。因为题目的要求测温精度在 ≦ 0.5 ℃，所以不必选用精度较高、价格昂贵的集成型温度传感器，选用一般的温度传感器便可以达到题目要求。
在多点测温系统中，传统的方法是用温度敏感元件通过电路的调整可以把温度信号转换为一模拟电压信号，在将模拟电压信号远距离传输进行采集并通过 A/D 转换得到相应的数字信号，通过程序进行处理得到实时的温度值。为了获得较高的测温精度，在测温系统中就必须采取措施解决远距离的温度信号的传输，而保证高强度的抗干扰能力，从而得到准确的精确高的环境温度值。
热敏电阻是一种较传统的检测温度信号的敏感元件。测温范围为 -40 ℃ ~200 ℃，能够满足大多数场合测温的要求，而且价格低廉。选具有负温度系数的特性的热敏电阻，热敏电阻的阻值随环境温度的改变而比较线性地变化。远距离的传输中可以把温度信号转换为频率信号进行传输，增加了系统的抗干扰能力，使测得的温度更加的精确。在传感器部
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分可以用频率发生器，热敏电阻的阻值变换导致频率发生器的输出频率相应地性线变化，再通过远距离传输线输入频率电压变换器进行转化，得到相应的线性模拟电压信号，通过多路模拟开关可以很方便地控制进行多点的温度测量，然后通过 A/D 转换和处理可得到较高精度的温度值。
根据上述的方案比较和实际情况分析和题目所需的要求，用热敏电阻做温度传感器采集温度的技术含量高，并且既简单可靠又精确，在制作成本上也更低。
通过多路模拟开关可以方便的实现对多路的温度信号进行采集。因此，综上所述我们采用的是第二种方案。 （二）系统硬件设计
系统的硬件设计是整个系统的核心，是完成整个系统功能和稳定性的核心部分。在整个硬件系统的设计中，我们设计了一个以单片机为核心的最小系统。该系统有：单片机、显示器、键盘、串口通讯、多路模拟开关、A/D 转换器等以及整个系统中所要需要的电源组成的一个系统，此外还有测温电路的硬件电路。其整个系统硬件设计的原理框图如图3 。 显示器 F/V现 A/D数 场温度多路模据采集CPU主上机位 信号发拟 器 控器 生器 开关 控制键盘
硬件设计框图3
（三） F/V 现场温度信号发生器的设计
本系统设计的现场温度信号发生器电路由两部分组成：频率信号发生器和频率电压变换电路。
1. 频率信号发生器
频率信号发生器我们利用芯片 NE555 产生方波信号，热敏电阻的阻值发生变换导致输出频率随之而变化，输出频率范围为 200HZ — 2KHZ 。通过标定使得在温度为 0 ℃时对应输出频率为 200HZ ， 100 ℃时对应的输出频率为 2KHZ 。 通过传输线把性线的频率信号传输到主控系统的 F/V 频率电压变换器中进行转换，传输线上传输的的频率信号，所以系统的抗干扰能力很强，而且传输距离比较大。完全可以达到所需要求，调节滑动电
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阻可改变方波的输出频率。 2. F/V 频率电压变换电路的设计
频率电压变换电路的输入的频率信号由频率发生器产生的频率提供。通过 F/V 变换器后可以得到非常性线的模拟电压信号，便于 A/D 的转换。调节电位器 P3 ， P4 ，使得 200Hz 对应 0V 输出 ,2kHz 对应 5V 输出。 其电路图如图4所示。
F/V频率电压变换电路原理4
（四） 多路采集器的设计
对多路的温度信号进行检测，我们使用了多路模拟开关。把模拟开关的译码端接到单片机的 P1 口上，结合程序可以方便的控制，进行多路数据的采集。设计中多路模拟开关选用的 CD4051 模拟开关，它具有较强的抗干扰能力，能够保证各路数据不相互干扰，从而得到各路准确的温度值。在采集数据中为了保证采集的速度和精确度，我们采用的芯片是具有 12 位高精度，转换速度高的 AD5741模数转换器。 能够保证题目的要求，精确度达到 ≦ 0.5 ℃。设计原理图如图5 。
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