微机测试系统应用实例分享

水位和温度是工业控制中常见的两种被测物理量。本节介绍某型号工业洗衣机模糊控制系统中水位、温度的测量。该系统采用主从式双CPU控制，由从机完成水位、温度、混浊度、水量等数据采集任务，采集的数据以高速串行通信方式发送给主机。主机管理系统的人机接口控制系统的输入、输出。两个CPU进行合理的功能分配，使系统运行稳定、可靠，且具有良好的响应实时性。

控制系统硬件的结构原理图如图7-23所示。

图7-23 控制系统硬件的结构原理图

水位、温度测量环节的输入通道由传感器、A/D转换器（AD7705）组成，采用多路、分时采集单端输入结构。AD7705片内集成了信号调理、采样保持电路。

数据输出通过主机实现。系统主机将从机发来的水位、温度值送到液晶显示屏上显示，并根据系统运行状况通过8155芯片的I/O口控制的继电器决定相应电磁阀（如进水阀、排水阀、加热阀）的开关状态，从而实现系统的水位、温度自动控制。

一 、水位、温度传感器的选择

1.水位传感器的选择

测试系统通过测量水柱的压力间接测量水位。测量水位量程为0～100cm，分辨力要求达到1mm，故选用MOTOROLA公司生产的精度较高的MPX10型流体压力传感器。该型号传感器内部有一个电桥，能提供精确的、直接与流体压力成正比的线性电压输出，是标准的无补偿型压力传感器，测量方式有表压（GP）和差压（DP）两种。本测试系统选择差压测量方式。

该型号传感器的主要工作特性参数如下：

压力测量范围：　0～10kPa

满量程输出（VFSS）：　35mV

灵敏度：　3.5mV/kPa

线性度：　±1％VFSS

响应时间（10％～90％）：　1.0ms

2.温度传感器的选择

系统对温度测量的精度要求不高，测量量程为﹣10～100℃，分辨力要求达到1℃。采用Cu100型的铜电阻温度传感器，该型号传感器将温度变化量转换成电阻变化量输出，具有良好的稳定性，常作为工业测控元件。

该型号传感器的主要工作特性参数如下：

测温范围：　﹣50～150℃

温度系数a：　4.265×10﹣3/℃

零度电阻：　100Ω

该型号传感器的计算方法如下：

Rt＝R0（1＋α）t(www.xing528.com)

式中，Rt、R0分别为铜电阻在t℃和0℃时的电阻值。

温度和水位均为模拟量，需经A/D转换为数字量后输入单片机进行数据处理。

二 、AD7705的结构与原理

系统对水位测量的精度要求较高，量程较宽，普通的8位A/D转换器不能满足要求，故采用AD公司的双通道16位A/D转换器（AD7705）。AD7705器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路，∑-Δ调制器，可编程数字滤波器等部件，能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。AD7705还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压、低功耗等特点，非常适合应用在仪表测量、工业控制等领域。

1.主要特点

两个全差分输入通道的ADC；16位无丢失代码；0.003％非线性；可编程增益；三线串行接口；

3V或5V工作电压；3V电压时，最大功耗为1mW；等待模式下的电源电流为8μA。

2.使用说明

AD7705是完整的16位A/D转换器，外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容后，则可连续进行A/D转换。

AD7705包括两个全差分模拟输入通道，片内的增益可编程放大器PGA提供了1、2、4、8、16、32、64、128八种增益供选择，能将输入信号中的最大幅值先放大到接近A/D转换器的满标度电压，这样有利于提高转换精度。当电源电压为5V，基准电压为2.5V时，器件可直接接受从0～20mV至0～2.5V幅值范围的单极性信号和从0～±20mV至0～±2.5V范围的双极性信号。由于在器件的任何引脚上施加相对于GND为负电压的信号会损坏芯片，因此，这里的负极性电压是相对AIN（—）或COMMON引脚而言的，这两个引脚应偏置到恰当的正电位上。

输入的模拟信号被A/D转换器连续采样，采样频率fs由主时钟频率f CLK和选定的增益来决定。虽然AD7705的采样频率为f CLK/128与增益无关，但由于增益1、2、4、8是通过在每个调制周期中多重输入采样得到的，增益16、32、64、128则是通过多重采样并与基准电容、输入电容两者的比值相关，因此作为多重采样的结果，实际采样频率会随增益的不同而变化。

模拟信号由∑-Δ调制器变换为占空比被模拟电压调制（调宽）的数字脉冲串，随后由低通数字滤波器将其解释成16位的二进制数码并滤去噪声，完成A/D转换。AD7705采用（sinNx/sinx）3函数低通数字滤波器，N为采样序号，其幅频特性为：

三 、水位、温度的数据采集硬件结构

在图7-24所示的数据采集电路中，由从机AT89C51管理AD7705，对水位传感器信号和温度传感器信号进行模数转换。AD7705的接到低电平。的状态可通过访问AD7705片内通信寄存器的位，或监视线上的电平得到。根据的状态，AT89C51用查询的方法控制AD7705，读取转换数据。

图7-24 水位、温度的数据采集电路原理图

MPX10型压力传感器能输出差分电压，因此可直接接入AD7705的模拟输入通道。当在传感器上施加满标度的压力40kPa时，输出差分电压与激励电压的关系为3mV∶1V。如5V激励电压，则输出15mV的满标度差分电压。5V激励电压经分压后还为AD7705提供的基准电压，因此激励电压的变化不会产生系统误差。通过调节W1可调电阻产生1.92V的基准电压。当器件的可编程增益为128时，对应的满标度输出电压即为15mV。AD7705的另一个模拟输入通道用于采集温度数据，温度传感器的阻值变化通过电桥输出差分电压送入AD7705。

因为AT89C51串行口资源被混浊度传感器及主从机通信所占用，因此用I/O口线模拟串行口来对AD7705读取数据。AD7705的DIN接单片机的P1.1脚，DOUT引脚接单片机的P1.2脚，并且每个引脚接一个10kΩ的上拉电阻，接单片机的P1.3脚。单片机的P1.0与AD7705的SCLK相连，为数据传输提供时钟脉冲。无数据传送时，SCLK应闲置为高电平。在写操作模式下，AT89C51的数据输出为LSB在前，而AD7705希望MSB在前，所以数据写之前必须重新排列；同样在读操作时，AD7705输出的数据是MSB在前，AT89C51要求LS在前，所以在读操作之前，需要重新排列数据的顺序。

四、数据采集系统的软件设计

从机主要完成水位、温度、混浊度的数据采集以及电机转速脉冲计数等任务，没有控制任务要求。因此在软件设计时，将系统任务主要划分为水位数据采集、温度数据采集、混浊度数据采集、电机转速脉冲计数、数据处理。从机以串口中断的方式将采集的数据经过处理后发给主机，故数据的传送任务不在从机主程序调度范围内。从机主程序流程图如图7-25所示。

图7-25 从机的主程序流程图

软件设计采用多任务软件设计思想，数据采集和数据处理作为两个并行任务。但在微观时间上数据采集先于数据处理，显示的数据是处理之后的数据。水位、温度、混浊度、电机转动量脉冲测量由主机发来相应的任务激活标志，从机的任务调度程序根据激活标志及时间分片原理轮流调用相应的任务模块。