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據處理之外。本系統可完成以上功能，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zui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的四路輸入信號來源。利用該系統測出如圖1所示：　　
　　系統硬件設計
　　
　　1、系統結構框圖及人機界面　　
　　系統的結構框圖見圖二。系統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。系統達到的主要功能是充許四路信號輸入，用戶可以通過參數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zui高的一路信號的變送為4-20mA電流信號輸出。系統具有掉電保護功能，當掉電時，設定數據可以保存。
　　
　　系統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碼管和四個按鍵，進行系統工作的顯示和參數的修改。系統工作方式分為兩個狀態分別為編程和運行。利用一號鍵K1（狀態切換鍵）可以在兩種狀態間切換。在編程狀態時，上一排數碼管顯示參數代號，下排數碼管分別顯示對應參數。在這種狀態下，利用二號鍵K2（移位鍵）可以順序變換不同的參數代號及參數。利用三號鍵K3（加鍵）和四號鍵K4（減鍵）可以對參數進行修改。
　　
　　在運行狀態時，上一排數碼管顯示各個信號回路順序號（1～～5），下排數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。在編程或運行狀態下，無論何時按下K1，都可使狀態變換到另一種狀態的初始階段。
　　
　　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、數據采集電路與放大電路
　　
　　數據采集部分電路如圖4所示，限流電阻R1和穩壓管TL431產生2.5V標準電壓。系統共有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。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，分別為放大倍數1=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（47+2.4+3.9+1.6）≈1.3倍、放大倍數2=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（2.4+3.9+1.6）≈10倍、放大倍數3=（20+47+2.4+3.9+1.6）/（3.9+1.6）≈14倍、放大倍數4=（20+47+2.4+3.9+1.6）/1.6≈46倍。1.3倍的放大倍數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，作為系統的四路m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，使這些放大后的信號zui大值接近A/D的zui大充許值；以充分利用A/D資源,保證測量精度。設放大倍數為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，放大倍數應選擇46，K、E、標準熱電偶放大倍數應選擇14。冷補二極管信號為0.65V左右，采用1.3倍放大倍數,現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、放大倍數及A/D各環節的誤差，在用一般器件的情況下可保證系統的測量精度。
　　
　　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通過分段非線性數據處理,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：
　　
　　*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直接固化于程序中。當把冷補二極管1N4148接入輸入端后，據上面所述，可以根據該系數及冷端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輸入當前環境溫度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采樣值的大小）得到一個溫度值差Y。然后Y加上設置環境溫度初值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采用動態掃描BCD碼輸出方式，即萬、千、百、十、個各字位BCD碼輪流出現在B8，B4，B2，B1端上出現，并在D5-D1各端同步出現字位選通脈沖。采集到的微弱信號經程控放大后，經過AD轉換變成數字信號。使用了74LS157四2選1選擇器，使"萬"位數據輸出和其它的三標志信號（超量程、欠量程、極性輸出）與BCD碼數據輸出的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。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"位數據只能輸出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）三位構成四位數據輸出，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"萬"、"千"、"百"、"十"、"個"上的數據輸出。
　　
　　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，單片可完成動態顯示掃描及按鍵查詢，節約了單片機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口數據線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。本系統用了兩排4位數碼管，數碼管用的是動態顯示的。根據zlg7289的要求，數碼管選用共陰極的，Zlg7289的18腳～25腳接數碼管的位驅動端，10腳～17腳接數碼管的段驅動端，通過數據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引腳電平發生變化通知CPU通過數據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*，繼電器就發出報警，同時在控制面板的上排數碼管的zui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*，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。單片機根據設定參數選擇把溫度平均值或溫度zui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；zui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5Vzui大電流0.4安培，-5vzui大電流0.02安培。
　　
　　軟件設計及調試
　　
　　軟件設計主要有主程序，ICL713/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，一個是運行狀態。
　　
　　單片機首*行初始化，程序的初始狀態設置為運行狀態,除剛通電進入運行狀態外，以后程序須判斷狀態標志位，根據判斷結果程序進入編程或運行狀態。在運行狀態下無法對各參數進行編輯，只能從24C02讀出各種運行工作參數，巡回測量輸入信號，zui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。在該狀態下可通過←鍵選擇顯示測量、報警、故障信息等各種運行參數。在編輯參數的狀態下系統不進行測量，剛進入編程狀態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,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鍵均自動轉入運行狀態。
　　
　　單片機在運行狀態時，上面四位數碼管顯示回路號（zui合二位顯示報警及故障信息），下面四位數碼管分別顯示對應數據，可通過K4鍵來切換顯示不同的回路及其參數。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zui大的一路及四路平均值可以通過參數的設定選擇以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，zui后進行各種數據處理得出溫度值,求出zui大值及平均值，并進行報警及信號故障判別處理。