熱電偶智能儀表設(shè)計說明書

1、熱電偶智能儀表設(shè)計說明書本設(shè)計根據(jù)任務(wù)要求，采用單片機AT89c51作為控制處理器；采用AD590集成溫度傳感器，采用k型熱電偶（鎳鉻-鎳硅熱電偶），熱電偶信號經(jīng)前端電路低通濾波、放大后，經(jīng)14位精度AD轉(zhuǎn)換器ICL7135轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；單片機AT89c51接受并處理熱電偶轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號后，通過LED顯示出檢測的熱電偶溫度信號；系統(tǒng)工作期間可以通過外接鍵盤設(shè)定熱電偶溫度信號顯示范圍及當(dāng)前所測熱電偶的路數(shù)；同時本設(shè)計具有報警功能，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定正常工作。1 最小系統(tǒng)電路采用AT89C51作為主控模塊，帶4K字節(jié)存儲器，晶振為12MHZ，其中單片機的P0口為輸出，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)時需要接上拉電阻。

2、XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器。RESET為復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖1。圖1 最小系統(tǒng)電路圖2 前向通道模塊本設(shè)計需要測量20路熱電偶信號，熱電偶采用k型（鎳鉻-鎳硅熱電偶），溫度測量范圍為01300，精度為1。由于熱電偶測量電路需要冷端補償。使用傳統(tǒng)的電路橋補償，電路復(fù)雜、體積龐大且造價高。本設(shè)計使用本設(shè)計使用AD590集成溫度傳感器，不僅電路簡單并且造價經(jīng)濟。如圖2所示。圖2 AD590電路圖熱電偶放大部分采用三運放差分放大器，如圖3中的三級運放差分放大器由II級

3、組成，第I級主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗，第II級采用差動電路用以提高共模抑制比，且它還具有低噪聲、低漂移的特點，由于ADC的輸入電壓范圍為0±1.9999V，根據(jù)表1-1，這里只需放大40倍。AD轉(zhuǎn)換器選擇14位半高精度的雙積分集成ADC芯片ICL7135。它的分辨率相當(dāng)于14位二進制數(shù)，轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB。ICL7135轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出是動態(tài)的，因此必須通過并行接口才能與單片機連接，故采用并行接口芯片8155與單片機連接。其中74LS157為4位2選1的數(shù)據(jù)多路開關(guān)，通過高位選通信號D5使其控制ICL7135的數(shù)據(jù)傳送。一片16選1芯片CD4067和一片8選1芯片C

4、D4051組合成多路模擬開關(guān)，滿足20路測溫要求。圖3 差分放大器電路圖系統(tǒng)連接圖如圖4所示。圖4 系統(tǒng)連接圖3 系統(tǒng)自檢開機后首先對單片機系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)不正常，就進行相應(yīng)的處理。開機自檢程序包括對RAM、ROM、I/O口狀態(tài)、前向通道、鍵盤、顯示等的檢測。1檢測RAM檢查RAM讀寫是否正常，實際操作是向RAM單元寫“00H”，讀出也應(yīng)為“00H”，再向其寫“FFH”，讀出也應(yīng)為“FFH”。如果RAM單元讀寫出錯，應(yīng)給出RAM出錯提示(聲光或其它形式)，等待處理。測試RAM的真正目的是保證硬件系統(tǒng)的可靠性。2檢查ROM單元的內(nèi)容對ROM單元的檢測主要是檢查ROM單元的內(nèi)

5、容的校驗和。所謂ROM的校驗和是將ROM的內(nèi)容逐一相加后得到一個數(shù)值，該值便稱校驗和。ROM單元存儲的是程序、常數(shù)和表格。一旦程序編寫完成，ROM中的內(nèi)容就確定了，其校驗和也就是唯一的。若ROM校驗和出錯，應(yīng)給出ROM出錯提示(聲光或其它形式)，等待處理。測試ROM的真正目的是保證程序完整性。嵌入式軟件和啟動代碼存放在ROM里，不能保證長期穩(wěn)定可靠，因為硬件注定是不可靠的3檢查I/O口狀態(tài)首先確定系統(tǒng)的I/O口在待機狀態(tài)應(yīng)處的狀態(tài)，然后檢測單片機的I/O口在待機狀態(tài)下的狀態(tài)是否正常(如是否有短路或開路現(xiàn)象等)。若不正常，應(yīng)給出出錯提示(聲光或其它形式)，等待處理。4其它接口電路檢測除了對上述單

6、片機內(nèi)部資源進行檢測外，對系統(tǒng)中的其它接口電路，比如前向通道轉(zhuǎn)換電路等，對與前向通道可以給單片機一個標(biāo)準(zhǔn)信號通過A/D轉(zhuǎn)換檢測，如圖5標(biāo)準(zhǔn)信號電路所示，產(chǎn)生2.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號；又如鍵盤、顯示電路，均應(yīng)通過軟件進行檢測，確定是否有故障。只有各項檢查均正常，程序方能繼續(xù)執(zhí)行，否則應(yīng)提示出錯。 圖5 標(biāo)準(zhǔn)信號電路4 報警電路模塊設(shè)計中的報警模塊，保證系統(tǒng)自檢電路或單片機出現(xiàn)問題時，能及時發(fā)現(xiàn)故障所在之處。當(dāng)系統(tǒng)自檢或運行過程中發(fā)生故障時，給出聲光報警信號。電路如圖6報警電路所示。其中三極管型號為9013，二極管型號為4051。 圖6 報警電路5 顯示模塊及人機接口本設(shè)計顯示模塊使用6個LED顯示，

7、其中2個LED作為顯示當(dāng)前熱電偶路數(shù)顯示，其余4個作為溫度顯示，溫度3為整數(shù)一位小數(shù)。顯示電路如圖7 顯示電路圖所示。圖7 顯示電路圖本設(shè)計采用矩陣式鍵盤，如圖8利用AT89C51串行接口和74HC164擴展矩陣式鍵盤，擴展電路可以大大減少鍵盤對I/O接口的占用量。圖8 鍵盤電路圖6 電源電路儀表需要電源為+5V、±12V電壓圖9 鍵盤電路圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計1、系統(tǒng)主程序及自檢程序主程序主要包括初始化模塊、自診斷程序模塊、鍵掃描與處理模塊、顯示模塊等幾部分組成。開機后首先對單片機系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)不正常，就進行相應(yīng)的處理。開機自檢程序包括對RAM、ROM、I/O口

8、狀態(tài)、前向通道、鍵盤、顯示等的檢測。系統(tǒng)上電復(fù)位后，單片機首先進入系統(tǒng)的初始化模塊，該模塊的主要任務(wù)是設(shè)置堆棧指針、初始化RAM工作區(qū)以及通道地址、設(shè)置中斷和開斷等。由于本系統(tǒng)通道比較多，而且采樣數(shù)據(jù)位12位，加上一些給定值，所占的內(nèi)存單位較多；因此，該系統(tǒng)將同時使用內(nèi)部RAM及外部RAM。主程序流程圖如圖10所示。開始初始化自檢正常故障處理刷新顯示鍵盤掃描溫度處理圖10 主程序流程圖然后程序進入自診斷模塊，在模塊中，先由程序自身設(shè)置一個測試數(shù)據(jù)，在多路開關(guān)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入CPU，CPU把得到的數(shù)據(jù)與原來設(shè)定的數(shù)據(jù)相比較，如兩者的差距在給定的范圍內(nèi)，表明自診斷正常，程序可以進行；否則出錯，表明儀表工作不正常，發(fā)出警告，等待及時處理，如診斷正常，程序進入顯示模塊，進行動態(tài)測量數(shù)據(jù)的刷新顯示。進入鍵掃面與處理模塊，等待接收按鍵并進行相應(yīng)處理，然后回到顯示模塊的入口，程序周而復(fù)始地循環(huán)進行下去。自檢程序流程如圖11.入口設(shè)置測試值與測試值符合故障處理選通測試通道輸入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊正常返回NNYNYN圖11 自檢程序流程2、鍵盤掃描程序及溫度報警程序在鍵盤掃描和處理程序中，程序首先判斷是否有鍵輸入，如果有鍵輸入，則操作鍵值。然后判斷被按下的鍵是數(shù)字鍵還是功能鍵。如果是數(shù)字鍵，則送入顯示緩沖區(qū)，供顯示；如果是功