基于7107半雙積分式模/數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)記錄式溫度表設(shè)計(jì)

1、 一種新穎的記錄儀表

溫度計(jì)是常用的熱工儀表，常用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作為過(guò)程的溫度測(cè)量。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不僅需要了解當(dāng)前溫度讀數(shù)，而且還希望能了解過(guò)程中的溫度變化情況。最近，筆者設(shè)計(jì)的基于IC卡的記錄式溫度表，價(jià)格與數(shù)字式溫度表相近；但可以記錄、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并可通過(guò)IC卡與PC機(jī)接口，是一種新穎的記錄式儀表。

該溫度表將熱電阻傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，在面板上顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀表中的E2PROM中。在儀表的面板上有一個(gè)鑰匙小孔，當(dāng)用戶需要時(shí)，只要將IC卡插入，即可取出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。用戶將IC卡再插入接在普通PC機(jī)打印口上的IC卡讀寫(xiě)器，即可將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)。利用PC機(jī)的強(qiáng)大功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、顯示、存儲(chǔ)、打印。這種儀表不僅可以顯示讀數(shù)，而且還可以記錄溫度的實(shí)時(shí)變化。例如，可以顯示或打印一個(gè)過(guò)程的溫度曲線。這種溫度表用極低的代價(jià)，使數(shù)字溫度表升級(jí)成為電記錄儀表，實(shí)現(xiàn)了儀表的信息化。

與集散系統(tǒng)中的儀表相比，該溫度表不用連接導(dǎo)線，而且IC卡作為信息載體傳送數(shù)據(jù)。雖然在速度上比不上現(xiàn)場(chǎng)總線的快捷和方便，但同時(shí)也避免了拉長(zhǎng)線所帶來(lái)的干擾問(wèn)題，同時(shí)不受距離、儀表數(shù)量的限制。因此，適用于分散、固定在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種儀表。

2、硬件組成

本設(shè)計(jì)采用銅熱電阻作為溫度傳感器。傳感器作為電橋的一臂，用三線制接入電橋。電橋電壓經(jīng)運(yùn)算放大器7650放大后送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。在本設(shè)計(jì)中，采用7107作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，7107是三位半雙積分式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。當(dāng)前溫度值由數(shù)碼管直接顯示。單片機(jī)89C51將7107輸出的數(shù)字量取到計(jì)算機(jī)中。7107輸出的是七段字形代碼，位數(shù)較多。經(jīng)邏輯化簡(jiǎn)后，這三位半數(shù)字可簡(jiǎn)化為16位二進(jìn)制代碼。由軟件進(jìn)行反譯碼可以得到8421的BCD碼。選用7107作為A/D轉(zhuǎn)換器，是考慮到該芯片的性?xún)r(jià)比高。得到的溫度數(shù)字量存入儀表內(nèi)部的E2PROM 24C256中。

24C256是I2C總線的串行E2PROM?？纱娣?2KB數(shù)據(jù)，可重復(fù)擦寫(xiě)10萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存100年不丟失，寫(xiě)入時(shí)間為10ms，可采用頁(yè)寫(xiě)入方式，一次寫(xiě)入64字節(jié)。在I2C總線上最多可掛接4片24C256芯片，通過(guò)地址線A1、A0的硬接線進(jìn)行選片。

IC卡也是由一片24C256芯片組成，IC卡上的插座掛接在I2C總線上。儀表內(nèi)的24C256片地址是“00”，IC卡上的24C256的片地址是“01”。IC卡上有五個(gè)引腳：電源、地、SDA、SCL、RDY。RDY在卡上與地短接，用來(lái)給單片機(jī)作卡插入判別信號(hào)。圖1是該溫度表的硬件接線原理圖。

DS1302是一片串行時(shí)鐘日歷芯片，可進(jìn)行秒、分、時(shí)、日、月、星期、年的走時(shí)；在芯片內(nèi)部還有31字節(jié)的靜態(tài)RAM可資利用；在2.5V工作時(shí)，芯片電流小于300nA；外接備用電池，在外部停電的情況下可長(zhǎng)期正常走時(shí)可給系統(tǒng)提供記錄數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)時(shí)間。另外，DS1302內(nèi)部的RAM可以作NVRAM來(lái)使用，存儲(chǔ)儀表的工作參數(shù)。

在單片機(jī)的P3.4口線上，接有一只有源訊響器。該訊響器用作IC卡讀、寫(xiě)指示和超限報(bào)警。在IC卡進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)，訊響器發(fā)出均勻的“嘟嘟”聲。讀/寫(xiě)結(jié)束后音響停止。如讀/寫(xiě)錯(cuò)誤，則發(fā)出短促報(bào)警聲。在IC卡未插入的正常工作情況，如溫度超過(guò)設(shè)定值，則發(fā)出溫度超限報(bào)警。

3、存儲(chǔ)分配和軟件考慮

用于記錄式溫度表的IC卡有兩種：一種用于設(shè)定儀表的工作參數(shù)，稱(chēng)“參數(shù)卡”；另一種用于讀取儀表的工作參數(shù)和溫度數(shù)據(jù)，稱(chēng)“數(shù)據(jù)卡”。工作參數(shù)包括卡標(biāo)志字、表號(hào)、采樣時(shí)間、超限設(shè)定，時(shí)間/日期。標(biāo)志字用來(lái)區(qū)別參數(shù)卡和數(shù)據(jù)卡。采樣時(shí)間可以從1s到1小時(shí)任意設(shè)定。如按1s的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，則最多可存放10小時(shí)的數(shù)據(jù)。如按1次/小時(shí)的時(shí)間間隔采樣溫度，則1次可取出8年的溫度數(shù)據(jù)。

在主程序中，單片機(jī)的工作是按時(shí)讀取A/D的輸出數(shù)字量，將數(shù)據(jù)存入24C256中；并將該數(shù)據(jù)與超限報(bào)警的設(shè)置值進(jìn)行比較，如超過(guò)了設(shè)定值，則啟動(dòng)訊響器進(jìn)行報(bào)警。

每存放一個(gè)數(shù)據(jù)，必須修改一次地址指針。該地址指針存放在DS1302的NVRAM中。在系統(tǒng)停電的情況下，地址指針保存在NVRAM中不致丟失，以便在系統(tǒng)恢復(fù)送電時(shí)，從該地址繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)。該指針在IC卡讀取數(shù)據(jù)時(shí)也作為工作參數(shù)一起取走，送入PC機(jī)。PC機(jī)根據(jù)該指針來(lái)確定IC卡上的有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。該指針不能存放在24C256中，因?yàn)镋2PROM的寫(xiě)操作次數(shù)是有限的。另外，在對(duì)7107讀數(shù)時(shí)，為防止7107數(shù)字量翻轉(zhuǎn)時(shí)可能出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，在程序中安排對(duì)A/D進(jìn)行兩次取數(shù)。只有在兩次取數(shù)的值相同時(shí)，才認(rèn)為是一次有效數(shù)據(jù)，否則應(yīng)重新取數(shù)。

在主程序中，單片機(jī)掃描RDY信號(hào)，判斷有無(wú)IC卡插入，如有卡插入，則根據(jù)卡上的標(biāo)志字確定是參數(shù)卡還是數(shù)據(jù)卡。不同的卡采用不同的讀/寫(xiě)流程。不論何種卡，在讀/寫(xiě)操作時(shí)都要啟動(dòng)定時(shí)器，使訊響器發(fā)出均勻的“嘟-嘟”讀/寫(xiě)訊號(hào)。

4、PC機(jī)的管理功能

IC卡取出后，數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)中。PC機(jī)的IC卡讀/寫(xiě)器接在PC機(jī)的并行打印口的25針插座上，數(shù)據(jù)從打印口進(jìn)入計(jì)算機(jī)。因一般的PC機(jī)打印口只有單向輸出數(shù)據(jù)的能力，為了與串行E2PROM實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送，在打印插頭上外接一塊三態(tài)門(mén)電路，其線路連接如圖2所示。PC機(jī)數(shù)據(jù)輸出通過(guò)三態(tài)門(mén)送到SDA上。當(dāng)PC機(jī)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，三態(tài)門(mén)關(guān)閉，SDA上的信號(hào)通過(guò)打印插頭的15腳進(jìn)入PC機(jī)。因讀/寫(xiě)電路和IC卡的電流很小，可以從打印口的空閑數(shù)據(jù)線上取得電源。只要在讀/寫(xiě)過(guò)程中，將這些線置成高電平即可。

PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的管理采用菜單方式進(jìn)行，其主菜單如下：

①讀入IC卡內(nèi)容并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分頁(yè)顯示、打印曲線、存檔；

②半溫度表的工作參數(shù)寫(xiě)入IC卡；

③查看記錄在磁盤(pán)上的各臺(tái)儀表的數(shù)據(jù)；

④退出。

該程序采用C語(yǔ)言編制，整個(gè)程序包括以下幾個(gè)主要的功能模塊：

讀卡程序模塊—將IC卡數(shù)據(jù)讀入PC機(jī)內(nèi)存區(qū)，如有錯(cuò)誤，給出顯示；

寫(xiě)卡程序模塊—將鍵盤(pán)輸入或磁盤(pán)上的儀表工作參數(shù)寫(xiě)入IC卡，如有錯(cuò)誤，給出顯示；

數(shù)據(jù)處理模塊—將被壓縮的二進(jìn)制數(shù)據(jù)解壓為按時(shí)間排列的數(shù)據(jù)表；

顯示數(shù)據(jù)模塊—顯示運(yùn)行記錄表；

顯示曲線模塊—顯示溫度-時(shí)間曲線，并可根據(jù)需要進(jìn)行X軸放大，Y軸放大。

溫度表的工作參數(shù)和溫度數(shù)據(jù)，均可在PC機(jī)屏幕上顯示，也可用打印機(jī)打印出來(lái)。圖3是溫度表所記錄的某過(guò)程的溫度曲線。

結(jié)語(yǔ)

基于IC卡的記錄式溫度表是一種具有存儲(chǔ)功能的儀表。它在儀表與PC機(jī)之間引入了一個(gè)簡(jiǎn)單方便的接口，從而可以利用PC機(jī)的強(qiáng)大功能，使儀表成為一個(gè)數(shù)據(jù)采集的黑盒子。只黑盒子里的數(shù)據(jù)，可以方便地從鑰匙孔里取出，從而使溫度的實(shí)時(shí)記錄成為可能。這種記錄式儀表，不僅適用于溫度表，也適用于其它儀表。對(duì)于分散在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種分立式儀表，這是實(shí)現(xiàn)儀表信息化的切實(shí)可行的辦法。

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