基于熱電偶爐溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 基于熱電偶爐溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展 單片機(jī)在測(cè)試領(lǐng)域的作用越來越大 本 文設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)采用AD C812單片機(jī)作為控制中心 利用K型熱電 偶將溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 通過AD C812中的模 數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成AD轉(zhuǎn)換 同時(shí)用移位寄存器74LS164進(jìn)行串行輸入 并行輸出實(shí)現(xiàn)溫度的顯示 并且 系統(tǒng)可以對(duì)高溫進(jìn)行報(bào)警 其硬件結(jié)構(gòu)簡單 精度高 適合于各種溫度測(cè) 量系統(tǒng) 檢測(cè)結(jié)果表明 系統(tǒng)最小區(qū)分溫度為1 關(guān)鍵詞 K 型熱電偶 AD590 AD C812 溫度檢測(cè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 Design of the Temperature Measure System Based on Thermocouple ABSTRACT A temperature detection system based on AD C812 is designed in the alarm system as the wide applications of MCU in testing fields That conversion from Temperature to electric signals is realized by K type thermocouple and A D is completed by AD C812 and temperature display implemented by shift register 74LS164 It ll alarm when it is high temperature The structure of the hardware is very simple high precision and suitable for all kinds of temperature measure system The result of the test shows that the minimum distinguished temperature of the system is 1 KEY WORDS K type thermocouple AD590 AD C812 temperature measure 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 I 目 錄 第第 1 1 章章 設(shè)計(jì)背景及研設(shè)計(jì)背景及研究究意義意義 1 1 1 設(shè)計(jì)課題的提出 1 1 2 溫度測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)背景 1 1 3 開發(fā)溫度測(cè)量系統(tǒng)的目的及意義 2 1 4 形成溫度測(cè)量系統(tǒng)的主要內(nèi)容 2 第第 2 2 章章 系統(tǒng)方系統(tǒng)方案案的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 4 第第 3 3 章章 硬件的硬件的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 5 3 1 信號(hào)的采集電路 5 3 1 1 熱電偶的選擇 5 3 1 2 熱電偶的標(biāo)度變換 6 3 1 3 熱電偶的補(bǔ)償方法 6 3 1 4 單片機(jī) AD C812 14 3 1 5 調(diào)理電路 18 3 2 復(fù)位電路 19 3 3 串行通信電路 20 3 3 1 串行通信 20 3 3 2 RS 232C 標(biāo)準(zhǔn) 20 3 3 3 MAX232 芯片介紹 20 3 3 4 串行接口電路 21 3 4 顯示電路 22 3 5 報(bào)警電路 23 第第 4 4 章章 軟軟件件的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 24 4 1 軟件實(shí)現(xiàn)方法 24 4 2 總體程序流程圖 25 4 3 子程序清單 27 4 3 1 溫度采集子程序 27 4 3 2 報(bào)警電路子程序 29 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 II 4 3 3 LED 顯示程序 30 第第 5 5 章章 設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)感想感想 35 致謝致謝 36 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 37 附錄附錄 38 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 第 1 章 設(shè)計(jì)背景及研究意義 1 1 設(shè)計(jì)課題的提出 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中 電流 電壓 溫度 壓力 流量 流速和開 關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù) 例如 在冶金工業(yè) 化工生產(chǎn) 電力工程 造紙行業(yè) 機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中 人們都需要對(duì)各類加熱爐 熱處理爐 反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制 采用 AD C812 單片 機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制 不僅具有控制方便 組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn) 而且可以大幅度提高被控溫度的精度技術(shù)指標(biāo) 從而能夠大大提高產(chǎn)品的 質(zhì)量 因此 單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問 題 本課題是利用該單片機(jī)設(shè)計(jì)出一種基于 K 型熱電偶的爐溫測(cè)量系統(tǒng) 1 2 溫度測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)背景 溫度測(cè)量是一門應(yīng)用極廣的技術(shù) 無論在現(xiàn)代工業(yè)賴以生存和發(fā)展的 能源動(dòng)力工程中 還是在諸如大規(guī)模集成電路 生物技術(shù) 航天科技等新 興技術(shù)領(lǐng)域中 或者在與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的冶金 材料 食品等行 業(yè)中 都發(fā)揮著巨大的作用 它不僅為節(jié)約能源 提高設(shè)備熱效率和發(fā)掘 新材料等眾多領(lǐng)域帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益 而且對(duì)進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境 促進(jìn)和 保持一個(gè)國家和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 對(duì)各種工業(yè)產(chǎn)品及電力能源的需求量越來越大 從傳統(tǒng)的能源消費(fèi)情況來看 中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國 我國大部分的電站鍋爐 工業(yè)爐窯與工業(yè)鍋爐是以煤炭作為主要能源的 每年我國僅發(fā)電與其它工業(yè)耗煤就占了煤炭總消費(fèi)量的 2 3 左右 年耗標(biāo) 準(zhǔn)煤 4 億噸以上 然而傳統(tǒng)的燃煤方式和煤炭加工過程比較落后 許多設(shè)備仍采用老式 的控制裝備 其控制精度低 可靠性差 對(duì)爐膛火焰的溫度分布等參數(shù)缺 乏精確的檢測(cè)和控制 這是造成燃燒不充分及燃料浪費(fèi)的重要原因之一 而燃燒產(chǎn)物 尤其是不良燃燒物的排放 將會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染 因此 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 鍋爐燃燒監(jiān)測(cè)與控制的研究和改進(jìn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 1 3 開發(fā)溫度測(cè)量系統(tǒng)的目的及意義 隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展 對(duì)電力的需求量越來越大 我國電站中采 用火力發(fā)電占有很大比例 在火力發(fā)電中鍋爐燃燒的基本要求是在爐膛內(nèi) 建立并保持穩(wěn)定 均勻的燃燒火焰 燃燒火焰是表征燃燒狀態(tài)穩(wěn)定與否最 直接的反映 燃燒不穩(wěn)定不僅會(huì)降低鍋爐熱效率 產(chǎn)生污染物 在極端的 情況下可能引起鍋爐爐膛滅火 如處理不當(dāng)就會(huì)引發(fā)爐膛爆炸 造成嚴(yán)重 的人身及設(shè)備事故 為了預(yù)防這些危害 就必須進(jìn)行切實(shí)有效的燃燒診斷 和火焰監(jiān)測(cè) 為了實(shí)現(xiàn)火焰燃燒控制系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行 需選取一些能夠 及時(shí)表征燃燒過程的熱物理參數(shù)來反映設(shè)備的運(yùn)行工況 采用火焰溫度場(chǎng) 作為控制參數(shù) 具有明顯的優(yōu)越性 因?yàn)槿剂狭康臄_動(dòng)首先會(huì)引起燃燒放 熱的變化 燃燒火焰溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化直接體現(xiàn)了燃燒過程的穩(wěn)定性 溫 度場(chǎng)分布與燃燒效率 氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳損失都有重 要關(guān)系 工業(yè)爐的結(jié)構(gòu) 加熱工藝 溫度控制等 都會(huì)直接影響加工后的 產(chǎn)品質(zhì)量 因此溫度是鍋爐生產(chǎn)蒸汽質(zhì)量的重要指標(biāo)之一 也是保證鍋爐 設(shè)備安全的重要參數(shù) 同時(shí) 溫度也是影響鍋爐傳熱過程和設(shè)備效率的主 要因素 因此溫度檢測(cè)對(duì)于保證鍋爐的安全 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 提高蒸汽產(chǎn)量和 質(zhì)量 減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 改善勞動(dòng)條件具有極其重要意義 在保證產(chǎn) 品質(zhì)量 提高生產(chǎn)效率 節(jié)約能源 安全生產(chǎn) 促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸多 方面起到了至關(guān)重要的作用 本論文以上述問題為出發(fā)點(diǎn) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量 顯示 報(bào)警 本設(shè)計(jì)方案具有較高的測(cè)量精度 更加適合對(duì)溫度精度要求較高的化工生 產(chǎn) 電力工程等行業(yè) 并希望通過本設(shè)計(jì)得到舉一反三和觸類旁通的效果 1 4 形成溫度測(cè)量系統(tǒng)的主要內(nèi)容 溫度測(cè)量首先是由溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)的 測(cè)溫儀器通常由溫度傳感器 和信號(hào)處理兩部分組成 溫度測(cè)量的過程就是通過溫度傳感器將被測(cè)對(duì)象 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 的溫度值轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的信號(hào) 傳遞給信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)處 理轉(zhuǎn)換成溫度值顯示出來的 溫度傳感器隨著溫度變化而引起變化的物理 參數(shù)有 膨脹 電阻 電容 熱電動(dòng)勢(shì) 磁性能 頻率 光學(xué)特性及熱噪 聲等等 最簡單的溫度測(cè)量系統(tǒng)是由溫度傳感器及和溫度顯示儀表組成的 而較完善的溫度測(cè)量系統(tǒng)是由溫度傳感器 溫度顯示儀表和溫度記錄儀表 組成 或者還將溫度信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)經(jīng)過微機(jī)控制處理 形成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測(cè)量與控制 如圖 1 1 所示 圖 1 1 溫度測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成 給定值 溫度被測(cè)對(duì) 象 溫度傳感器溫度顯示儀表 溫度轉(zhuǎn)換器微機(jī)控制器 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 調(diào) 理 電 路 LED 顯示 溫 度 傳 感 器 AD C812 轉(zhuǎn)換 報(bào) 警 第 2 章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為基于熱電偶的爐溫度測(cè)量系統(tǒng)的要求為 1 測(cè)量溫度范圍為 0 500 2 溫度顯示為 0 500 3 測(cè)得值大于設(shè)定的溫度報(bào)警 這個(gè)爐溫測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量過程是 單片機(jī)定時(shí)對(duì)爐溫進(jìn)行檢測(cè) 經(jīng) A D 轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的數(shù)字電壓量 顯示出當(dāng)前溫度值 并且與設(shè)定值相 比較 若超過該設(shè)定溫度值就報(bào)警 如圖 2 1 所示 圖 2 1 系統(tǒng)構(gòu)成圖 由該過程圖可以知道我們進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意 1 溫度測(cè)量范圍 0 500 這就涉及到測(cè)溫元件的選擇與調(diào)理電路 的設(shè)計(jì)等 2 測(cè)量精度 超調(diào)量等指標(biāo) 這涉及到 A D 轉(zhuǎn)換精度 控制規(guī)律選擇 等 溫度傳感器將外部溫度轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào) 接著調(diào)理電路中的信號(hào) 放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并自動(dòng)調(diào)整信號(hào)的增益大小 使得信號(hào) 在單片機(jī)中的 A D 轉(zhuǎn)換芯片的量程范圍內(nèi)放大 在單片機(jī)的控制下 A D 轉(zhuǎn)換芯片完成信號(hào)的 A D 轉(zhuǎn)換 然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與設(shè)定值數(shù)據(jù)比 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 較和 BCD 碼轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值 最后利用數(shù)碼管對(duì)當(dāng)前溫度顯示和報(bào)警 第 3 章 硬件的設(shè)計(jì) 3 1 信號(hào)的采集電路 3 1 1 熱電偶的選擇 兩種不同的導(dǎo)體 A 和 B 連接在一起 構(gòu)成一個(gè)閉合回路 當(dāng)一端溫度 為 T0 另一端溫度為 T 假設(shè) T T0 這時(shí)回路中就有電流或 EAB T T0 熱電勢(shì)產(chǎn)生 其大小可由測(cè)量電路測(cè)出 利用熱電效應(yīng)可以測(cè)量物體的溫 度 我們把閉合回路稱為熱電偶 A B 導(dǎo)體稱為熱電極 T 接觸點(diǎn)為熱 端 又稱工作端 T0接觸點(diǎn)為冷端 又稱參考端 測(cè)溫時(shí) 將熱端放置在 被測(cè)溫度為 T 的介質(zhì)中 而冷端接入電測(cè)儀表 可通過電測(cè)儀表測(cè)量熱電 偶回路中的熱電勢(shì) 熱電偶就是通過測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的 1 圖 3 1 熱電偶示意圖 在實(shí)際測(cè)溫時(shí) 被測(cè)對(duì)象是很復(fù)雜的 應(yīng)在熟悉被測(cè)對(duì)象 掌握各種 熱電偶特點(diǎn)的基礎(chǔ)上 根據(jù)使用環(huán)境 溫度的高低等因素正確地選擇熱電 偶 首先 根據(jù)使用溫度 t 當(dāng) t 1000 時(shí)多選用廉金屬熱電偶 如 K 型 熱電偶 它的特點(diǎn)是使用溫度范圍寬 高溫下性能比較穩(wěn)定 其次 是使 用環(huán)境 當(dāng) t 1300 時(shí) 多選用 N 或 K 型 它是廉金屬熱電偶中抗氧化 性最強(qiáng)的熱電偶 最后 就是根據(jù)參考端溫度來選擇 當(dāng) t 1000 時(shí) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 6 可選用鎳鈷 鎳鋁廉金屬熱電偶 參考端溫度在 0 300 范圍內(nèi)時(shí) 可忽 略其影響 根據(jù)課題要求及測(cè)量的環(huán)境參數(shù) 發(fā)現(xiàn) K 型熱電偶具有測(cè)溫范 圍寬 線性度好 熱電勢(shì)率比較高 靈敏度高 抗氧化能力較強(qiáng) 在還原 與氧化氣氛中輸出熱電動(dòng)勢(shì)均較穩(wěn)定這些優(yōu)點(diǎn) 因此它是一種最通用的適 于 1300 以下溫度測(cè)量的熱電偶 2 K 型熱電偶測(cè)溫的參考函數(shù)為 3 1 式中 E 為電動(dòng)勢(shì) 單位為 mV 為攝氏度 為有關(guān)系數(shù) 90 t 0 a 1 a i C 此函數(shù)覆蓋 0 1372 溫度范圍 3 而該系統(tǒng)要求的溫度范圍為 0 500 通過計(jì)算得出 0 時(shí) E0 0mV 500 時(shí) E500 22 33mV 因 此輸出電動(dòng)勢(shì)范圍為 0mV 22 33mV 得出了這個(gè)范圍 就可以設(shè)計(jì)出 相對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路來進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理 對(duì)于 K 型熱電偶 電壓變化率為 41 電壓可由線性公式 3 2 來近似熱電偶的特性 上式中 Vout為熱電偶輸出電壓 mV tR是測(cè)量 點(diǎn)溫度 tAMB是周圍溫度 4 3 1 2 熱電偶的標(biāo)度變換 采用 K 型鎳鉻鎳硅熱電偶 測(cè)量溫度范圍為 0 500 熱電偶輸出的 熱電勢(shì)為 0 22 33mV 經(jīng)放大變?yōu)?0 5V 的直流電壓 A D 轉(zhuǎn)換 從而得 到與被測(cè)溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 供計(jì)算機(jī)調(diào)用 因此必須通過一定的處理 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成具有不同量綱的物理量 基本原理為 5 3 3 式中 A0 一次測(cè)量的下限 Am 一次測(cè)量的上限 2 126 9686 90 1 900 0 t n i a i i ECta e 00 0 0 mx x m AANN AA NN 41 outRAMB VCtt 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 7 Ax 實(shí)際測(cè)量值 N0 下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 Nm 上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 Nx 實(shí)際測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 3 1 3 熱電偶的補(bǔ)償方法 熱電偶測(cè)溫時(shí) 熱電勢(shì)的大小與熱電極材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān) 只 有在熱電極材料一定 冷端溫度 T0保持不變的情況下 其熱電勢(shì) EAB T T0 才是其工作溫度 T 的單值函數(shù) 熱電偶分度表中的熱電勢(shì)是在冷 端溫度 T0 0 的條件下測(cè)得的 只有滿足 T0 0 的條件 才能直接應(yīng)用 分度表 但是在工程測(cè)量中 冷端溫度不是 0 或常隨環(huán)境溫度的變化而 變化 這樣將引入測(cè)量誤差 由熱電偶的作用原理可知 熱電偶的熱電 勢(shì)的大小 不僅與測(cè)量端的溫度有關(guān) 而且與參比端 冷端 的溫度有關(guān) 寫成關(guān)系式為 3 4 式中 E t 0 為熱電偶的測(cè)量端溫度為 t 參比端溫度為 0 時(shí)的熱電勢(shì) E t t0 為熱電偶的測(cè)量端溫度為 t 參比端溫度為 t0時(shí)的熱電勢(shì) 也就是 熱電偶兩端實(shí)際的熱電勢(shì)值 E t0 0 為熱電偶的參比端溫度為 t0時(shí)所應(yīng)加 的校正值 或冷端處理值 所以 必須采取一些措施來修正或補(bǔ)償 下面 介紹一下熱電偶的各種冷端補(bǔ)償方法 6 1 冷端冰點(diǎn)法 此方法是將熱電偶的冷端放置于冰水混合物的冰槽中 使冷端處于 0 狀態(tài) 如圖 3 2 所示 這樣 可使熱電偶輸出的熱電勢(shì)與熱電偶分度表 一致 該方法簡單易行 補(bǔ)償精度高 但冰水混合物不易保存 常用于實(shí) 驗(yàn)室高精度測(cè)量中 00 0 0E tE t tE t 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 圖 3 2 冷端冰點(diǎn)法 2 電橋補(bǔ)償法 采用不平衡電橋進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈ鐖D 3 3 所示 RG 采用溫度系 數(shù)大的銅電阻 其余電阻 R1 R2 R3 采用溫度系數(shù)小的錳銅電阻 電路 設(shè)計(jì)時(shí) 一般使電橋在 20 或 0 處于平衡狀態(tài) 此時(shí)電橋無電壓輸出 當(dāng)溫度變化時(shí) RG 阻值變化 電橋輸出補(bǔ)償電勢(shì) 此電勢(shì)與熱電偶的熱 電特性相似 即可對(duì)冷端進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償 圖 3 3 電橋補(bǔ)償法 3 半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)償法 半導(dǎo)體二極管或者三極管 PN 結(jié)的溫度特性廣泛應(yīng)用于冷端補(bǔ)償技術(shù) 中 PN 結(jié)在 100 100 范圍內(nèi) 其端電壓與溫度有理想的線性關(guān)系 溫度系數(shù)約 2 2mV 因此是理想的冷端補(bǔ)償器件 圖 3 4 是一種用二 極管作冷端補(bǔ)償?shù)碾娐?圖中 D 是用作補(bǔ)償器件的二極管 其正向壓降隨 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 9 溫度呈線性變化 補(bǔ)償電勢(shì)由 R 和 W 分壓得到 采用二極管作冷端補(bǔ)償 精度可達(dá) 0 3 0 8 采用將基極和集電極連接使用的三極管時(shí) 補(bǔ)償精 度可達(dá) 0 05 0 2 圖 3 4 半導(dǎo)體 PN 結(jié)補(bǔ)償法 4 集成溫度傳感器補(bǔ)償法 集成溫度傳感器不僅可用于溫度測(cè)量 而且也可用于熱電偶冷端補(bǔ)償 大多數(shù)集成溫度傳感器的輸出電信號(hào)隨溫度的變化具有良好的線性特性 可作為理想的冷端補(bǔ)償器件 利用集成溫度傳感器的補(bǔ)償電路較多 這里 僅舉兩例 圖 3 5 為集成溫度傳感器 AD590 用于熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)例 子 AD590 為電流輸出型器件 其輸出電流與絕對(duì)溫度成正比 工作溫 度范圍為 55 150 圖中 AD590 的輸出電流在 R1 上轉(zhuǎn)換為所需的 補(bǔ)償電勢(shì) 放大器負(fù)端提供的電壓 V 將補(bǔ)償電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度轉(zhuǎn)換成 攝氏溫度 圖 3 6 為另一種集成溫度傳感器 LM134 用于熱電偶冷端補(bǔ)償 的例子 LM134 為三端可調(diào)恒流源器件 其輸出電流與攝氏溫度成正比 圖中調(diào)節(jié) R1 可調(diào)節(jié) LM134 的輸出電流的大小 輸出電流在 R2 上轉(zhuǎn)換為 所需的補(bǔ)償電勢(shì) 圖 3 5 AD590 用于熱電偶冷端補(bǔ)償 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 10 圖 3 6 LM134 用于熱電偶冷端補(bǔ)償 5 數(shù)字化補(bǔ)償法 微機(jī)技術(shù)的運(yùn)用 使熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)臄?shù)字化成為可能 數(shù)字化補(bǔ)償 的方法如圖 3 7 所示 將測(cè)溫電路中的溫度傳感器與熱電偶冷端置于同一 溫度環(huán)境中 則可獲得與冷端溫度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào) 該信號(hào)通過電子開關(guān) 和 A D 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī) 可測(cè)得熱電偶冷端處的溫度 t0 然后再將熱電 偶輸出的熱電勢(shì)通過電子開關(guān)和 A D 送入單片機(jī) 測(cè)出一溫度值 t 該 溫度即熱電偶測(cè)量端和冷端的溫差 將 t0 和 t 相加即得到需要測(cè)量的真 實(shí)溫度 該方法的補(bǔ)償精度和補(bǔ)償范圍完全取決于測(cè)溫電路的性能 按現(xiàn) 有的技術(shù)水平很容易獲得很高的補(bǔ)償精度和很寬的補(bǔ)償范圍 而且測(cè)溫電 路的熱電特性無需和熱電偶的熱電特性一致 大大提高了冷端補(bǔ)償技術(shù)的 方便性和靈活性 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 11 圖 3 7 數(shù)字化補(bǔ)償 在上述各種補(bǔ)償方法中 方法 2 3 4 均屬于模擬補(bǔ)償法 其特點(diǎn)是 簡單易行 成本較低 但補(bǔ)償精度較低 0 5 1 補(bǔ)償范圍不大 0 50 一般能滿足工程測(cè)溫的要求 數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜 價(jià) 格較高 其補(bǔ)償精度高 0 02 補(bǔ)償范圍寬 可用于精確測(cè)溫的場(chǎng)合中 因此 由在這些修正方法中的比較 選擇了 AD590 對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ) 償 AD590 式電流輸出性集成溫度傳感器 國內(nèi)同類產(chǎn)品型號(hào)為 SG590 實(shí)際中通過對(duì)電流的測(cè)量即可得到相應(yīng)的溫度數(shù)值 AD590 后綴以 I J K L M 表示 實(shí)質(zhì)上指特性不同和測(cè)量溫度范圍不同 其外形 電路符號(hào)如圖 3 8 所示 圖 3 8 AD590 外形 電路符號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 12 AD590 主要技術(shù)參數(shù)為 工作電壓 4 30V 工作溫度 55 150 保存溫度 65 175 焊接溫度 10 秒 300 正向電壓 44V 反向電壓 20V 靈敏度 1 A K 輸出電阻 710M AD590 基本工作原理 在被測(cè)溫度一定時(shí) AD590 實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于恒流源 把它與直流電源相 連 并在輸出端串接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 10K 的電阻 結(jié)果此電阻上流過的電流與 被測(cè)熱力學(xué)溫度成正比 電阻兩端將會(huì)有 10mV K 的電壓信號(hào) 它的內(nèi)部 電路如圖 3 9 利用晶體管的阻抗變換特性使集電極獲取高阻抗電流輸出 并通過串接阻抗很大的負(fù)載把信號(hào)放大 使電路的總電流與溫度系數(shù)很 小的電阻中的電流成固定比例關(guān)系 T1 T2 T3 T4 的發(fā)射極連在一 起接到 R1上 T6 的發(fā)射極則接到 R2上 這使流過 T1 T4的 12 4 RR 總電流與流過 T6 的電流之比更好地符合 4 1 克服了因 T6集電極電位與 其它 NPN 管集電極電位不同而引起的誤差 在 T7的集電極回路中增加了 一個(gè)二極管接法的 PNP 管 T5 它的作用除了與 T6對(duì)稱以平衡 T7 和 T8的 集電極電壓 以減小 T7和 T8基區(qū)調(diào)制效應(yīng)引起的誤差之外 還對(duì)器件 提供了很好的保護(hù)作用 T12是一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 實(shí)際上是一個(gè)高值電 阻 它的作用是保證電路在接上電源時(shí)能可靠地啟動(dòng) 流過 T12的電流最 后也流過 T10 因此不會(huì)產(chǎn)生附加的誤差電流 電容 C 和電阻 R3 R4 是 為了防止寄生振蕩 T8 T11是產(chǎn)生基 射電壓正比于絕對(duì)溫度的晶體 管 R5 R6將電壓轉(zhuǎn)換電流 T10的集電極電流跟蹤 T9和 T11集電極電流 它提供所有的偏置及電路其余部分基底漏電流 從而迫使總電流正比于絕 對(duì)溫度 基本電路如圖 3 10 所示 7 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 13 圖 3 9 AD590 的內(nèi)部電路 圖 3 10 AD590 測(cè)量電路 AD590 集成溫度傳感器應(yīng)用相當(dāng)廣泛 在工程上主要應(yīng)用測(cè)量熱力學(xué) 溫度 攝氏溫度 兩點(diǎn)溫度差 多點(diǎn)最低溫度 多點(diǎn)平均溫度等 因此 不僅廣泛應(yīng)用在日常生活中 更重要大量應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及 自動(dòng)檢測(cè)過程控制系統(tǒng) 另外 由于 AD590 精度高 價(jià)格低 不需輔助 電源 線性好 常用于測(cè)溫和溫度檢測(cè)和控制領(lǐng)域以及測(cè)溫和熱電偶的冷 端補(bǔ)償 8 10K Vcc Vo AD590 ADC1 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 14 3 1 4 單片機(jī) AD C812 1 主要功能 9 模擬 I O 8 通道 高速 12 位 ADC 片內(nèi) 100 ppm C 的電壓參考源 速度高達(dá) 200 kSPS ADC 至 RAM 高速捕獲型 DMA 控制器 2 個(gè) 12 位電壓輸出 DAC 擁有片內(nèi)溫度傳感器 存儲(chǔ)器 8 K 字節(jié)片內(nèi)閃速 電擦除程序存儲(chǔ)器 640 字節(jié)片內(nèi)閃速 電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 256 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 16 M 字節(jié)的外部數(shù)據(jù)地址空間 64 K 字節(jié)的外部程序地址空間 基于 8051 的內(nèi)核 標(biāo)稱的 12 MHZ 工作頻率 最大 16 MHz 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 高電流驅(qū)動(dòng)能力端口 端口 3 9 個(gè)中斷源 2 個(gè)優(yōu)先級(jí) 電源 運(yùn)行于指定的 3V 和 5V 電壓下 正常模式 空閑模式和掉電模式 片內(nèi)外圍設(shè)備 UART 和 SPI 串行 I O 雙線 400 KHz I2C 兼容 串行 I O 看門狗定時(shí)器 WDT AD C812 是一個(gè)完全集成的 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 在一個(gè)芯片內(nèi)結(jié)合 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 15 了高性能的自校準(zhǔn)多通道 12 位 ADC 雙 12 位 DAC 和可編程 8 位微控制 器 片內(nèi)的 8K 字節(jié)閃速 電擦除存儲(chǔ)器 640 字節(jié)片內(nèi)閃速 電擦除數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器和 256 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)靜態(tài)存儲(chǔ)器均由可編程 8051 兼容內(nèi)核控制 另外微控制器具有包括看門狗定時(shí)器 電源監(jiān)視器和 ADC DMA 功能 為 多處理器接口和 I O 擴(kuò)展提供了 32 條可編程的 I O 線 I2C 兼容的 SPI 和 標(biāo)準(zhǔn) UART 串行口 I O 等 其功能框圖如圖 3 11 所示 10 圖 3 11 AD C812 的功能框圖 2 AD C812 的資源占用問題 AD C812 具有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 即 定時(shí)器 0 定時(shí)器 1 和 定時(shí)器 2 每一個(gè)定時(shí)器 計(jì)數(shù)器包含 2 個(gè) 8 位寄存器 THX 和 TLX X 0 1 和 2 所有 3 個(gè)定時(shí)器 計(jì)數(shù)器均可配置作為定時(shí)器或計(jì) 數(shù)器 此功能和普通單片機(jī)相同 由于與其他單片機(jī)不同 AD C812 具備在線調(diào)試功能 因此 芯片處 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 16 于在線工作狀態(tài)下某些功能將會(huì)受到限制 這是因?yàn)樵诰€調(diào)試時(shí) 計(jì)算機(jī) 和芯片之間的通信占用一定的資源所導(dǎo)致 經(jīng)實(shí)踐證明 定時(shí)器 1 就是被 占用的資源之一 若用戶在線調(diào)試的程序中使用了定時(shí)器 1 則無論是設(shè) 斷點(diǎn)調(diào)試 還是單步或連續(xù)運(yùn)行 都會(huì)有程序無法執(zhí)行的情況發(fā)生 但若 將程序中的定時(shí)器 1 屏蔽掉 則程序能正常運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)用戶預(yù)定的功能 當(dāng)然 在線調(diào)試程序時(shí)可以使用定時(shí)器 0 和定時(shí)器 2 因它們未被占用 雖然在線調(diào)試時(shí) 定時(shí)器 1 無法使用 但并不意味著用戶不能在用戶 系統(tǒng)中利用該定時(shí)器 用戶可先將預(yù)定功能用定時(shí)器 0 實(shí)現(xiàn) 在調(diào)試通過 之后 再改用定時(shí)器 1 來實(shí)現(xiàn) 也可直接用定時(shí)器 1 實(shí)現(xiàn) 但只能盲調(diào) 因程序必須下載后脫機(jī)運(yùn)行 3 A D 轉(zhuǎn)換器的使用問題 AD C812 內(nèi)集成的 ADC 轉(zhuǎn)換模塊 包含了 8 通道 12 位 單電源 A D 轉(zhuǎn)換器 這些 A D 轉(zhuǎn)換器是由基于電容 DAC 的常規(guī)逐次逼近轉(zhuǎn)換器 組成的 接收的模擬輸入范圍為 0 至 VREF 2 5V 另外 此模塊還 為用戶提供片內(nèi)基準(zhǔn) 校準(zhǔn)特性 模塊內(nèi)的所有部件能方便地通過 3 個(gè)寄 存器 SFR 接口來設(shè)置 總之 AD C812 的 ADC 模塊具有與一般 ADC 芯 片相比擬的性能 并且操作簡單 可靠性高 采集速率可高達(dá) 200kHz A D 轉(zhuǎn)換器的 2 5V 基準(zhǔn)電壓既可由片內(nèi)提供 也可由外部基準(zhǔn)經(jīng) VREF 引腳驅(qū)動(dòng) 若使用內(nèi)部基準(zhǔn) 則在 VREF 和 CREF 引腳與 AGND 之 間都應(yīng)當(dāng)連接 100 F 電容以便去耦 這些去耦電容應(yīng)放在緊靠 VREF 和 CREF 引腳處 為了達(dá)到規(guī)定的性能 建議在使用外部基準(zhǔn)時(shí) 該基準(zhǔn)應(yīng) 當(dāng)在 2 5V 和模擬電源 AVDD 之間 由于片內(nèi)基準(zhǔn)高精度 低漂移且經(jīng)工 廠校準(zhǔn) 并且當(dāng) ADC 或 DAC 使能時(shí) 在 VREF 引腳會(huì)出現(xiàn)此基準(zhǔn)電壓 因此 在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí) 可將片內(nèi)基準(zhǔn)作為一個(gè) 2 5V 的參考電源來使 用 若要把片內(nèi)基準(zhǔn)用到微轉(zhuǎn)換器之內(nèi) 則應(yīng)在 VREF 引腳上加以緩沖并 應(yīng)在此引腳與 AGND 之間連接 100 F 電容 在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)特別注意 內(nèi)部 VREF 將保持掉電直到 ADC 或 DAC 外圍設(shè)備模塊之一被它們各自的 使能位上電為止 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 17 與其他 ADC 芯片相比 AD C812 的 ADC 模塊有一個(gè)缺點(diǎn) 就是 ADC 正常工作的模擬輸入范圍為 0 2 5V 而允許輸入的電壓范圍只能 為正電壓 0 5V 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明 若輸入的模擬電壓超過 2 5V 最大值 為 5V ADC 的采樣結(jié)果為最大值 0FFFH 雖然結(jié)果不對(duì) 但并沒有 影響 AD C812 正常工作 但是 一旦輸入負(fù)的模擬電壓 則會(huì)影響 AD C812 正常工作 表現(xiàn)為 ADC 的基準(zhǔn)電壓 VREF 2 5V 消失和采 樣結(jié)果不正確 且若長時(shí)間輸入負(fù)電壓 將有可能損壞芯片 因此 在實(shí) 際應(yīng)用中 若發(fā)現(xiàn)啟動(dòng) ADC 之后 VREF 端無電壓 則應(yīng)立即將芯片復(fù)位 并檢查模擬輸入信號(hào)的采集放大部分 在確保進(jìn)入 AD C812 的模擬信號(hào) 在 0 2 5V 范圍內(nèi)之后 才能再次啟動(dòng) ADC 實(shí)際應(yīng)用時(shí) 應(yīng)保證輸入 的模擬電壓為正電平 AD C812 由于自身帶有 12 位的 AD DA 轉(zhuǎn)換 這就大大簡化了測(cè)量系 統(tǒng) 所以直接需要對(duì)輸出模擬電壓進(jìn)行調(diào)理 3 1 5 調(diào)理電路 由于來自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓 包括干擾電壓 因此一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來抑制它 但是必須要求外接電阻 完全平衡對(duì)稱 運(yùn)算放大器具有理想特性 否則放大器將有共模誤差輸出 其大小既與外接電阻對(duì)稱精度有關(guān) 又與運(yùn)算放大器本身的共模抑制能力 有關(guān) 一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá) 80dB 而采用由幾個(gè)集成運(yùn)算放大 器組成的測(cè)量放大電路 共模抑制比可達(dá) 100 120dB 所以 對(duì)于測(cè)得的 值采用雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路調(diào)理 既可以能抑制共模電壓 又可 以將測(cè)得值放大 其電路如圖 3 12 所示 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 18 圖 3 12 調(diào)理電路 由上述分析可知 而此雙運(yùn)放高共模抑制 比放大電路需要將信 號(hào)放大 200 倍 即根據(jù)這個(gè) 可以選取 R1 1 M R2 5 K 3 2 復(fù)位電路 系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào) 直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后 撤銷復(fù)位信號(hào) 為 可靠起見 電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào) 以防電源開關(guān) 或電源插頭分 合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位 如圖 3 13 所示 RC 復(fù)位 電路 當(dāng)復(fù)位開關(guān)閉合時(shí) 能提供一個(gè)高電平給單片機(jī) RESET 使其復(fù)位 當(dāng)斷開復(fù)位開關(guān)時(shí) 撤銷復(fù)位信號(hào) 1 021 2 1 ii R UUU R 1 2 1200 R K R N1 N2 R1 R2 R1 R2 K二二二二 ADC0 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 19 圖 3 13 復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位電路有多種 上圖為基本復(fù)位電路 高電平手動(dòng)復(fù)位 C2 可避免高頻諧波對(duì)電路的干擾 該復(fù)位電路簡單易行 但缺點(diǎn)是在遇到較 強(qiáng)干擾或瞬間斷電時(shí) 復(fù)位端電平隨電容器充放電特性變化 往往電源電 壓低至 RAM 區(qū)數(shù)據(jù)不能保持時(shí) 復(fù)位端電容器上仍儲(chǔ)有相當(dāng)?shù)碾姾?致 電源電壓恢復(fù)時(shí)復(fù)位端不能產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)而出現(xiàn) 死機(jī) 或 程序跑飛 3 3 串行通信電路 3 3 1 串行通信 串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù) 據(jù)線上 以每次一個(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的 它的優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線進(jìn)行傳 送信息 因此其成本低 適用于遠(yuǎn)距離通信 它的缺點(diǎn)是傳送速度低 串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方式 同步通信適用于 傳送速度高的情況 其硬件復(fù)雜 而異步通信應(yīng)用于傳送速度在 50 到 19200 波特之間 是比較常用的傳送方式 在異步通信中 數(shù)據(jù)是一幀一 幀傳送的 每一串行幀的數(shù)據(jù)格式由一位起始位 5 8 位的數(shù)據(jù)位 一位 Vcc 10K 二二二二 F C2 104 C1 22 位位位位位位 RESET 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 20 奇偶校驗(yàn)位 可省略 和一位停止位四部分組成 在串行通信前 發(fā)送方 和接收方要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率 通信協(xié)議 幾乎所有的 AD C812 的應(yīng)用設(shè)計(jì)都要利用器件在線編程的特點(diǎn) 在 線編程須要利用 AD C812 的 UART 通用異步串行接口 如果從 PC 機(jī) 下載程序代碼到 AD C812 須要外接一個(gè) RS 232 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 11 3 3 2 RS 232C 標(biāo)準(zhǔn) RS 232C 是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA 正式公布的 在異步串行通信中 應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線 該標(biāo)準(zhǔn)適用于 DCE 和 DTE 間的串行二進(jìn)制通信 最高數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá) 19 2kbps 最長傳送電纜可達(dá) 15 米 RS 232C 標(biāo) 準(zhǔn)定義了 25 根引線 對(duì)于一般的雙向通信 只需使用串行輸入 RXD 串 行輸出 TXD 和地線 GND RS 232C 標(biāo)準(zhǔn)的電平采用負(fù)邏輯 規(guī)定 3V 15V 之間的任意電平為邏輯 0 電平 3V 15V 之間的任意電 平為邏輯 1 電平 與 TTL 和 CMOS 電平是不同的 在接口電路和計(jì)算 機(jī)接口芯片中大都為 TTL 或 CMOS 電平 所以在通信時(shí) 必須進(jìn)行電平 轉(zhuǎn)換 以便與 RS 232C 標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配 MAX232 芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換 這一工作 3 3 3 MAX232 芯片介紹 MAX232 芯片是 MAXIM 公司生產(chǎn)的低功耗 單電源雙 RS232 發(fā)送 接收器 適用于各種 EIA 232E 和 V 28 V 24 的通信接口 MAX232 芯 片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器 可以把輸入的 5V 電源變換成 RS 232C 輸出電平所需 10V 電壓 所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單 一的 5V 電源就可以 MAX232 外圍需要 4 個(gè)電解電容 C1 C2 C3 C4 是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換 所需電容 其取值均為 1 F 25V 宜選用鉭電容并且應(yīng)盡量靠近芯片 C5 為 0 1 F 的去耦電容 MAX232 的引腳 T1IN T2IN R1OUT R2OUT 為接 TTL CMOS 電 平的引腳 引腳 T1OUT T2OUT R1IN R2IN 為接 RS 232C 電平的引 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 21 腳 因此 TTL CMOS 電平的 T1IN T2IN 引腳應(yīng)接 MCS 51 的串行發(fā) 送引腳 TXD R1OUT R2OUT 應(yīng)接 MCS 51 的串行接收引腳 RXD 與之對(duì)應(yīng)的 RS 232C 電平的 T1OUT T2OUT 應(yīng)接 PC 機(jī)的接收端 RD R1IN R2IN 應(yīng)接 PC 機(jī)的發(fā)送端 TD 12 3 3 4 串行接口電路 采用 MAX232 接口的硬件接口電路如圖 3 14 所示 圖 3 14 串行通信接口 現(xiàn)選用其中一路發(fā)送 接收 R1 OUT 接 AD C812 的 RXD T1 IN 接 AD C812 的 TXD T1 OUT R1 IN 接 9 針串口連接器 用以實(shí)現(xiàn) RS232 通信的連接 因?yàn)?MAX232 具有驅(qū)動(dòng)能力 所以不需要外加驅(qū)動(dòng) 電路 3 4 顯示電路 顯示電路采用了 74LS164 這個(gè)串入并出的移位寄存器 圖 3 15 給出了 串行口擴(kuò)展的 4 位共陽 LED 顯示接口電路 配接了 4 片串入并出移位寄 存器 74LS164 其中 74LS164 的引腳 Q0 Q7 為 8 位并行輸出端 分別接 在 LED 顯示器的 hgfedcba 各段對(duì)應(yīng)的引腳上 引腳 A B 為串行輸入端 引腳 CLK 為時(shí)鐘脈沖輸入端 在 CLK 脈沖的上升沿作用下實(shí)現(xiàn)移位 在 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 VCC 39 GND 38 T1OUT 37 R1IN 36 T2OUT 7 R2IN 8 R1OUT 35 T1IN 34 T2IN 33 R2OUT 32 MAX232 DVDD 1 6 2 7 3 8 4 5 1 F 1 1 1 0 1 F F F F RXD TXD 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 22 CLK 0 清除端 1MR 時(shí) 74LS164 保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài) 0MR 時(shí) 74LS164 輸出清零 把單片機(jī)的 P3 5 口作為虛擬數(shù)據(jù) DATA 輸出端口 P3 6 口作為虛擬移位時(shí)鐘 CLOCK 脈沖輸出端口 74LS164 為 TTL 單 向 8 位移位寄存器 可實(shí)現(xiàn)串行輸入 并行輸出 圖 3 15 顯示電路圖 其工作過程如下 串行數(shù)據(jù)由 P3 5 同步發(fā)送 移位時(shí)鐘由 P3 6 送出 在移位時(shí)鐘的作用下 串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入 74LS164 中 4 片 74LS164 分別連接到 4 位 LED 顯示器的段選端作靜態(tài)顯示 但是由于 74LS164 無并行輸出控制端 所以在串行輸入過程中 它的 輸出端狀態(tài)會(huì)不斷變化 會(huì)造成不應(yīng)顯示的字段仍有較暗的亮度 影響了 顯示的效果 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS6 LE D 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS5 LE D 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS4 LE D 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS3 LE D Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 200 RES2 200 RES2 200 RES2 200 RES2 P3 5 RXD GND P3 6 TXD VCC 1 2 3 4 5 CON5 二二二二 二二 二二 二二 二二 二二 二二 二二 二二 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 23 3 5 報(bào)警電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中 一般的工作狀態(tài)可以通過指示燈或數(shù)碼顯示來 指示 供操作人員參考 了解系統(tǒng)的工作狀況 但是對(duì)于某些緊急狀態(tài) 比如系統(tǒng)檢測(cè)到的錯(cuò)誤狀態(tài)等 為了使操作人員不至于忽視 及時(shí)采取措 施 往往還需要有某種更能引人注意 提起警覺的報(bào)警信號(hào) 這種報(bào)警信 號(hào)通常有三種類型 一是閃光報(bào)警 因?yàn)殚W動(dòng)的指示燈更能提醒人們注意 二是鳴音報(bào)警 發(fā)出特定的音響 作用于人的聽覺器官 易于引起和加強(qiáng) 警覺 三是語音報(bào)警 不僅能起到報(bào)警作用 還能直接給出警報(bào)種類的信 息 其中 前兩種報(bào)警裝置因硬件結(jié)構(gòu)簡單 軟件編程方便 常常在單片 機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用 而語音報(bào)警雖然警報(bào)信息較直接 但硬件成本高 結(jié) 構(gòu)較復(fù)雜 軟件量也增加 在本系統(tǒng)中使用了閃光報(bào)警 報(bào)警電路的作用 主要是在溫度超過設(shè)定的溫度值或低于下限溫度時(shí) 報(bào)警子程序就會(huì)控制 報(bào)警信號(hào)的輸出 溫度低于或高于設(shè)定的溫度值范圍時(shí) 單片機(jī) P3 4 會(huì) 發(fā)出低電平信號(hào) 此時(shí)報(bào)警電路才可以導(dǎo)通 并且發(fā)光二極管就可以導(dǎo)通 并發(fā)光報(bào)警 報(bào)警電路如圖 3 16 所示 圖 3 16 報(bào)警電路 Vcc 二二二二二 R 位位位位 P3 4 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 24 第 4 章 軟件的設(shè)計(jì) 4 1 軟件實(shí)現(xiàn)方法 軟件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)語言部分 單片機(jī)語言程序部分采用模塊化程 序設(shè)計(jì)方法 采用 C 語言編寫 利用 Keil Vision3 軟件編寫調(diào)試 主要 包括 初始化程序 主控程序 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換程序 顯示程序 報(bào)警功 能塊等 整個(gè)單片機(jī)部分的軟件運(yùn)行由主控程序操作完成 是整個(gè)系統(tǒng)的 總調(diào)度 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和各個(gè)子程序的調(diào)用 系統(tǒng)通電后 先對(duì)單 片機(jī)及外圍芯片的內(nèi)部資源進(jìn)行初始化設(shè)置和自檢工作 在正常情況下 不 正常 則顯示出錯(cuò)信息 提示操作人員輸入命令 根據(jù)操作員的命令調(diào)用 相應(yīng)的子程序模塊 數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換工作 負(fù) 責(zé)通知單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 對(duì)各路溫度值進(jìn)行檢測(cè) 并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 顯示 存儲(chǔ)等工作 為了消除外接模擬通道中的隨機(jī)干擾 在數(shù)據(jù)處理中 采用了算術(shù)平均值濾波法 顯示程序完成了測(cè)量結(jié)果由 LED 顯示出來 而報(bào)警程序完成了通過測(cè)得數(shù)據(jù)與系統(tǒng)最初設(shè)定值的比較來控制報(bào)警電路 的導(dǎo)通使發(fā)光二極管發(fā)光達(dá)到報(bào)警的作用 系統(tǒng)設(shè)定比較的溫度值為 400 當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí) 溫度檢測(cè)系統(tǒng) 不斷定時(shí)地去檢測(cè)兩個(gè)通道的溫度 可以得到兩個(gè)電壓值 一個(gè)為熱電偶 測(cè)得的電壓值 另一個(gè)是由集成溫度傳感器 AD590 測(cè)得的當(dāng)前室溫的電 壓值 通過單片機(jī)內(nèi)部自帶的 AD 轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并 且由分辨率得出十進(jìn)制的溫度值 由于 K 型熱電偶測(cè)得的電壓值經(jīng)過了一 個(gè)雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路的放大作用 因此需要將熱電偶測(cè)得的溫 度值還原成真正的溫度值 然后計(jì)算出補(bǔ)償后的溫度值并且由 4 位 LED 數(shù)碼管顯示出來 同時(shí)將最終的溫度值與設(shè)定值 400 相比較 當(dāng)測(cè)得的 溫度值高于 400 設(shè)定值時(shí) 單片機(jī)的 P3 4 口置 0 導(dǎo)通報(bào)警電路 同時(shí)發(fā) 光二極管道通發(fā)光 這樣不斷重復(fù)上述過程 使系統(tǒng)具有測(cè)量爐溫并且對(duì) 高溫報(bào)警的功能 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 25 4 2 總體程序流程圖 溫度測(cè)量程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下 1 爐溫采集 2 數(shù)據(jù)處理 3 溫 度顯示 4 高溫報(bào)警 主程序包括單片機(jī) AD C812 本身的初始化等等 具體來說 本程序 包括了顯示緩沖區(qū)清零 設(shè)定溫度初值 溫度采樣 溫度顯示和報(bào)警 主 程序的框圖如圖 4 1 所示 在主程序中首先設(shè)定溫度比較的參數(shù)初值 然后單片機(jī)開始采樣兩個(gè) 通道的溫度值 再通過循環(huán)顯示出當(dāng)前的溫度 軟件設(shè)定定時(shí)器 T0 為 5 秒定時(shí) 以用來采集經(jīng)過 A D 轉(zhuǎn)換的溫度信號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 26 圖 4 1 主程序框圖 Y N 開始 系統(tǒng)初始化 設(shè)定參數(shù)初值 溫度采樣 報(bào)警 大于設(shè)定初值 溫度顯示 計(jì)算溫度 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 27 主程序 void main char adc while 1 a adc 0 采集 0 通道熱電偶數(shù)據(jù) b adc 1 采集 1 通道 AD590 數(shù)據(jù) a a 5 4096 b b 5 4096 u a 200 T u 41 b 10 273 AD 采樣值轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度 if T A else LED 1 若不高于 A 則不報(bào)警 display T 顯示當(dāng)前溫度 4 3 子程序清單 4 3 1 溫度采集子程序 為提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性 需要對(duì)連續(xù)采樣的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波 處理 數(shù)字濾波的算法很多 這里連續(xù)取 N 個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算 N 值較大時(shí) 信號(hào)平滑度較高 但靈敏度較低 N 值較小時(shí) 信號(hào)平滑度 較低 但靈敏度較高 它的優(yōu)點(diǎn)是適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行 濾波 這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值 信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波 動(dòng) 但是對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用 溫度采集是從單片機(jī) AD C812 的兩個(gè)并行 P1 口輸入 后轉(zhuǎn)存于外部存 儲(chǔ)區(qū)中 溫度檢測(cè)子程序流程圖如圖 4 2 所示 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 28 圖 4 2 溫度檢測(cè)子程序流程圖 N Y 開始 初始化 采樣程序 送通道號(hào)值 啟動(dòng) A D 讀 A D 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換完畢 返回 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 29 溫度采集子程序 int adc char temp 通道選擇 int da sum int temp1 float q da 0 sum 0 temp1 0 for temp1 0 temp1 10 temp1 10 次采集和濾波 ADCCON2 temp 選擇通道 temp ADCCON1 0 x7c SCONV 1 單次 AD 轉(zhuǎn)換使能 1 有效 轉(zhuǎn)換完后由硬件清零 while ADCCON3 檢測(cè)轉(zhuǎn)化是否完畢 da ADCDATAH 保留 ADCDATAH 低八位 da da 256 ADCDATAL 合并成 ADCDATA 的掃描碼 sum sum da q sum 10 return q 采樣 10 次 取平均值 4 3 2 報(bào)警電路子程序 子程序框圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 30 圖 4 3 報(bào)警電路子程序框圖 報(bào)警子程序 void alarm 報(bào)警程序 LED 0 使報(bào)警電路導(dǎo)通 報(bào)警燈亮 4 3 3 LED 顯示程序 本系統(tǒng)使用的 LED 為共陽極接法 因此 Vcc 端接 5V 電壓 其它引 腳端接到鎖存器 74LS164 的輸出 當(dāng)各段輸入端為邏輯 1 時(shí) 對(duì)應(yīng)的 LED 不亮 各段輸入端為邏輯 0 時(shí) 對(duì)應(yīng)的 LED 才發(fā)亮 使用時(shí)要根據(jù) LED 正常發(fā)光需要的電流參數(shù)估算限流電阻取值 電阻取值越小 電流大 LED 會(huì)更亮 但要注意長時(shí)間過熱使用燒壞 LED 開始 置 P3 4 低電平 啟動(dòng)報(bào)警 返回 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 31 LED 多數(shù)情況用于顯示十進(jìn)制數(shù)字 要將 0 9 的數(shù)字用 7 段顯示 必須將數(shù)字轉(zhuǎn)換為 LED 對(duì)應(yīng)七段碼的信息 然后根據(jù) LED 是共陰極還是 共陽極接法確定 LED 各輸入端應(yīng)接邏輯 1 還是邏輯 0 如果是共陽 接法 要顯示 0 時(shí) a b c d e 和 f 段就要輸入邏輯 0 共陰極接 法則恰巧相反 也就是說 對(duì)于共陰極和共陽極兩種不同的接法 顯示同 一個(gè)字符時(shí) 對(duì)應(yīng)的顯示段碼是不同的 互為反碼 表 1 列出了這兩種接 法下的字形段碼關(guān)系表 從表中可以看出 對(duì)于同一個(gè)顯示字符 共陰極 和共陽極的七段碼互為反碼 13 表 1 7 段 LED 顯示器字符段碼表 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 32 LED 顯示程序框圖 圖 4 4 LED 顯示程序框圖 開始 數(shù)碼管初始化 百位送 LED 顯示 十位送 LED 顯示 個(gè)位送 LED 顯示 小數(shù)點(diǎn)送 LED 顯示 小數(shù)點(diǎn)后一位送 LED 顯示 延 時(shí) 返回 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 33 LED 顯示程序 char code table 0 xco 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 0 x7f 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小數(shù)點(diǎn) sbit DATA P3 5 定義串行數(shù)據(jù)輸出端 sbit CLK P3 6 定義時(shí)鐘端 unsigned char dsp unsigned int i unsigned char j j table i return j void SendData unsigned char SendDat 傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) 段碼值 送去顯示 unsigned char k for k 0 k 1 發(fā)送數(shù)據(jù)右移 1 位 先發(fā)低位 后發(fā)高位 void display unsigned int i LED 顯示子程序 int a b