机电一体化毕业设计（论文）-单片机气体测漏仪的设计.doc

毕业设计说明书（ 2010 届 ）设计（论文）题目 单片机气体测漏仪的设计 办 学 点 （系） 连云港 （信息工程系） 专 业 机电一体化 班级 07机电（五） 学号 学生姓名指导教师 职称 助教 2011年11月1日 41目 录摘 要11 绪论11.1 国内外研究概况及发展趋势21.1.1 研究现状21.1.2 测漏检测的发展方向21.1.3 国内外研发的相关产品及应用21.2 常用气体测漏方法31.3论文主要内容与本文结构41.4本章小结52 系统总体设计62.1 系统整体功能介绍62.1.1 对直压法和差压法的分析62.1.2 本课题的主要工作72.1.3 系统功能块的划分72.2 关键技术选择82.2.1 检测控制模块82.2.2 人机界面的选择82.2.3 串口通讯模块的选择92.3 系统总体结构设计92.3.1 系统总体工作模型92.3.2 系统的总体框图10图2-4 系统总框图112.4 本章小结113 系统的硬件电路123.1 压力信号采集电路的设计123.1.1 压力变送器的选择123.1.2 a/d转换器ads1110133.1.3 ads1110与单片机的硬件连接153.2 温度信号采集电路的设计163.2.1 温度信号处理电路163.3 人机界面的设计193.3.1 键盘输入模块的设计193.4 通讯模块的设计243.4.1 串口通讯协议243.4.2 通讯模块与单片机的接口电路273.5电磁阀驱动模块的设计283.6 电源模块的设计283.7 本章小结294.1 系统主程序流程图及零点漂移的克服294.2 键盘及显示模块的实现314.2.1 键盘输入模块流程314.3 压力、温度信号采集流程334.4 算法的实现344.4.1 零点漂移的克服算法344.4.2 数字滤波算法344.4.3温度补偿算法364.5 通讯模块的软件流程364.5.1 自定义软件通讯协议364.5.2 校验原理分析37参 考 文 献39摘 要现代生产技术的不断进步，对检测手段提出了越来越高的要求。气密性检测作为检测方式的一种，在保证产品质量方面起着越来越重要的作用。特别是在汽车行业，能否保证汽缸的气密性，直接影响着汽车的性能。随着测漏技术的发展，气体测漏仪的研究使测漏技术得到了更广泛的应用。传统的测漏方法操作不灵活，容易产生误判，而且不利于数据的存储分析。直压式气体测漏由于具有原理简单、成本较低、方便实用、干净无污染等优点，在气密性检测领域受到广泛的青睐。本文设计了一种基于干式测漏法(直接压力测试法)结合单片机技术的气体测漏仪。利用高精度a/d对压力和温度信号进行检测，通过lcd即时显示采集的压差数据，并提供了通讯接口，便于数据储存和分析。克服了传统方法易受主观因素的影响等缺点，实现了气密性检测的自动化。论文首先阐述了课题的背景以及研究现状，对各种气密性检测方法进行了比较。给出了系统的总体工作模型和总体框图。并按模块化的设计思想分别对系统的硬件电路和软件程序进行了分析。硬件电路主要包括:压力信号采集电路、温度信号采集电路、键盘及显示电路、电磁阀驱动电路、电源电路和控制电路的设计和原理分析;软件设计主要包括:主程序的实现、键值的输出采集、液晶标准接口的读写、虚拟i2c总线的实现、零点漂移的克服以及自定义通讯协议的实现。同时，给出了各程序模块的设计思想和流程图。最后根据实验结果，对实验数据进行分析，得出了系统的精度。总结了本文的特点及不足，为快速性测量提供了现实依据。关键词：测漏仪，单片机检测，自动化，人机界面1 绪论 现代生产技术的不断进步，对检测手段也提出了越来越高的要求。气密性检测作为检测方式的一种，在保证产品质量方面起着越来越重要的作用。特别是在汽车行业，能否保证气缸的气密性，直接影响着汽车的性能。随着测漏技术的发展，气体测漏仪的研究使测漏技术得到了更广泛的应用，如何快速检测泄漏又称气密性试，长期以来一直是科研和实践领域的重要课题。 泄漏检测也称密封性检测，属性能指标范畴，主要用于测试被测件的气密性状态。国内外广为采用的方法为水没法，又称湿式检测法，就是将充入一定压力气体的工件浸没在水中然后由人工观察的方法，判断是否有气泡产生，并由气泡产的多少估计其泄漏程度。这种方法虽然不需要操作人员较高的技术，且不需要配备特殊设备，且还能准确找出泄漏位置，但是由于人的主观性因素的影响很容易产生误判，不能实现自动化效率很低，不能实现对泄漏的定量的判断浸水后需对工件做表面处理，防腐，烘干等处理，这样就加大了测量所需的费用很多对气密性有要求的产品，不能够采用气泡法进行测量，因此，迫切需要一种更好的方法来代替它，利用气体的性质来检测气密性的方法，就是现在常用的干式检漏法。由于泄漏造成被测件内气体质量减少，这样必然引起被测件内气体的一些参数发生变化。可以对这些参数进行定性和定量的分析，从而判断出泄漏量。其中最为常用的两种方法就是直接压力法和差压法，它们都是以压缩空气来代替真实介质，对被测工件充气加压或抽真空介质为空气，然后对其压力或差压与比较容器之间进行取样分析，从而判断工件是否泄漏，这种方法清洁、无污染，而且简单易行，给实际生产生活带来了极大的方便，得到了一定的推广。1.1 国内外研究概况及发展趋势1.1.1 研究现状 日前测漏仪的种类很多，而且应用也越来越广泛，在我们生产生活中的许多领域都有应用。测漏技术的发展对我们产品质量的提高有着很大的促进作用，同时提高了工作效率，节省了大量的人力物力，在泄漏测量自动化方面实现了质的飞跃。当前国外一些厂家在技术上较为成熟一些，例如，日本、法国、美国等在技术上具有较大的优势。而且他们的产品的性能也好一些，精度也要高一些。国内目前也有一些生产测漏仪的厂家，虽然在测漏仪方面，技术比较成熟，而且推出了许多新产品，但是很多技术主要来自国外，比如天津的福田公司、浙江的三花集团。它们的测量效率较低，很难应用在生产线上，如何实现测量的快速性问题，是当前气体测漏仪所要解决的首要问题。1.1.2 测漏检测的发展方向 目前气压法测漏仪，技术上还存在着许多问题，仍需要不断发展和完善。从检测性质的本身来看，发展方向主要在于如何缩短测量时间，提高测量精度，降低产品价格，再就是如何确定泄漏的位置。目前还没有一种好的方法来确定泄漏的位置，一般还是采用测量精度较高的气泡法，还可以判断出泄漏的位置。还有一些厂家用特殊气体来检测泄漏位置，但是特殊气体泄漏会造成环境污染。这种采用特殊气体进行泄漏检测的方法虽然有较高的可靠性，但是需要采用价格昂贵的检测仪器。气压法检测由于采用空气作为检测介质，因此不会产生污染，而且检测方便、不需特殊仪器。考虑提高测量精度的时候，主要分析如何克服外界环境的干扰主要是温度，如何使被测件内部的气流快速趋于稳定。从控制方法上来看，控制手段越来越多，如单片机控制、控制、计算机控制等等，测漏仪的操作界面也越来越人性化，而且操作越来越方便。如法国公司的产品，带有显示屏，可以显示容器内的压力变化，同时可以给出测量的泄漏量。1.1.3 国内外研发的相关产品及应用 随着测漏技术的发展，气体测漏仪的应用领域也越来越广。从以前的汽车制造业己经发展到了现在的一般日用品行业、家用电器、食品包装、医疗器械等。现在生产气体测漏仪的厂家很多，产品也能满足不同测试条件的要求。（1）法国ateq公司 法国ateq为世界制造气密性测试仪器的先驱，涉及汽车、医药、家电、压铸、包装、阀门、煤气、电子、建筑、航空等领域。它生产的测漏仪能找到零件上导致泄漏的孔的位置，泄漏量使用范围自10n9毫升至升10000升/小时;还提供了多种检测模式供操作者选择，使操作界面尽量适和操作者的使用。（2）美国uson的公司 美国uson也生产很多种类型的测漏仪，它的4000系列提供了多种检测模式，同时考虑到了测漏性能、泄漏量、以及针对实际中不同被测物的容积及泄漏大小提供了相应的产品而且其操作界面非常友好、对操作者要求不高，其4000系列还具有较快的测试速度和较高的灵敏度。（3）日本cosmos的公司 日本cosmos的公司空气测漏仪是对气密部品成品进行加压或抽真空后，通过测出被测件与标准件之间的微小差压来判断是否有泄漏的自动测试器。它由耐高压的差压传感器，高性能的气动阀等构成真空回路，功能齐全，性能可靠，能适应各种不同条件下的测试。（4）浙江三花通产实业有限公司 浙江三花通产实业有限公司该公司专业从事泄漏检测仪及其它专用设备的设计制造和销售。它研制、生产及销售alt系列泄漏检测仪、检测专机及自动化泄漏检测线。（5）福田天津仪器仪表公司 福田天津仪器仪表研究所承接国内外客户有关空气压测试、控制等方面的各种开发项目，但自己开发的项目较少，主要引进fukuda公司的技术。1.2 常用气体测漏方法 随着测漏技术的发展，测漏仪的种类也越来越多。但在测漏仪的原理方面，主要应分为湿式和干式其中湿式检测法主要是指气泡法，干式检测法主要包括下面提到流量测试法、直接压力测试法、差压测试法、氦气测量方法等。下面对这几种检测原理分别作简单介绍。(1)气泡法(the leak detecting method by air bubble) 传统的测漏方法主要是气泡法。气泡法是指将被测件密封后放入水中，然后观察气泡的产生情况来判断泄漏量的大小的方法。为了能够使测量更加明显，一般也会向被测件内充入一定压力的气体。如图1-1所示:压力表空气源水槽被测物件图1-1 气泡检测法(2)流量测试法(the leak detecting method by air flow meter)当气源对被测件充气完毕后，如果被测件有泄漏，整个密封系统就会有气体的流动，泄漏量与流量相同，用微小流量测试仪就可以测出泄漏量。如图1-2所示:被测件空气源微小流量泄露图1-2 流量测试法(3)直接压力测试法(the leak detecting method by air pressure decay)加正压或负压后关闭阀门，由压力表或压力传感器、压力开关等测出因被测物泄漏引起的压力下降值。而且由压力的下降值就可以计算泄漏量的大小。这种方法简单可靠，使用方便、价格便宜。如图1-3所示：压力表被测件空气源图1-3 压力检测法(4)差压测试法(the leak detecting method by air pressure difference)对被测件和标准件同时充入压缩气体，由高精度的差压传感器测出被测件与标准件之间的压力差。在一般情况下首选直接压力法，在精度要求较高的场合才选用差压法。(5)氦气测量方法(the leak detecting method by helium mass measurement)将混有氦元素的压缩气体充入被测件，且将被测件放入密封容器，通过氦元素检测装置测量密封容器里氦元素的含量来分析被测件泄漏量的大小。这种方法精度比较高，一般用在高精度场合。上述检测方法的测试性能对比见表1-1:表1-1各种检测方法的性能对比序号测试方法自动化检测能力可靠性寿命适用性经济性气泡检测法不好好不好好特好不太好流量检测法好不好好好好好直压式检测法好不太好好特好不太好好差压式检测法好好好特好特好好氦元素检测法好特好好不太好不太好不好1.3论文主要内容与本文结构本课题“基于单片机的气体测漏仪的研究”是对传统气体测漏方法的一种改进和新的尝试，其特色主要在以下几点:一是加入了单片机作为控制核心。其丰富的外设如键盘输入和液晶显示输出简化了操作人员的操作，便于观察结果，不易产生误判。二是提出了一种二次采集的控制方法，有效地克服了许多模拟仪器无法克服的零点漂移的问题，提高了系统的测试精度。三是将直接压力测试法与差压测试法集中到一种控制器中供用户自由选择，方便了不同用户的不同需求。本文分为六部分:第一章绪论，首先阐述了提出本课题的背景，然后介绍了气体测漏技术的国内外研究现状，最后介绍了本课题的主要特色;第二章在介绍了系统所要实现的功能和各个功能块的划分，以及关键技术的选者等。提出了本课题的总体设计构想，最后给出了整个系统的整体工作模型和框图;第三章详细介绍了系统硬件电路的设计，分模块的介绍了硬件电路的功能、工作原理、器件的选取等。给出了详细的电路图解，并对其中的相关技术给出了详细的介绍;第四章详细的介绍了系统软件的实现，采用模块化的设计思想将系统的软件进行功能块的划分，详细的介绍了各个功能块的具体实现，并给出了软件流程图;第五章介绍了试验结果分析，提出了系统的创新点以及发展方向。最后是本文的结论，对全文进行了总结。1.4本章小结本章概述了气体测漏技术的国内外研究现状和目前的发展方向。传统的气泡法仍是目前气密性检测的主要手段，检测方式复杂、容易产生误判、无法实现检测自动化。常用的气体测漏方法还有流量法、直接压力法、差压法、和氦元素法。气体测漏仪是基于被测件内气体的泄漏必将导致压力的变化而提出的一种新型检测手段。具有方便、无污染等优点。最后提出了课题的主要研究内容文章结构。2 系统总体设计2.1 系统整体功能介绍2.1.1 对直压法和差压法的分析直接压力法和差压法为目前较为常用的两种方法，它们的测量原理相同，都是在气体泄漏会导致被测件内压力变化的条件下，基于被测件内压力变化原理进行测量。同时它们之间存在着较大差别，对于直接压力法，随着压力升高，分解能力降低。而且检出时间长，受温度影响和变形影响大，对于不同的测试压力要求，要采用适用压力范围不同的传感器。对于差压法，则不论检测压力多大，均能进行高精度泄漏测量检测。因分解能力高，即使测量时间短也可高效的检出，因此，通过足够长时间的加压稳定，对由气体温度和变形等引起的误差将减少。即使测试压力变化，但由于同时对工件和标准件充气，差压传感器仍能精确工作。 从以上比较不难看出，差压法的精度远高于直接压力法，但由于差压法结构复杂，而且还必须有一个全密封的标准件来配合使用，给测量带来了很大的不便。同时在价格上也比直接压力法高出了很多。因此在我们对测量精度要求不高时我们还是应该尽量选择直接压力法，但当我们对精度有较高要求时我们就应该考虑采用差压法。对于直接压力法和差压法，它们的测量过程基本相似。都是由充气、平衡、测量和放气四个过程组成。本文重点以直接压力为例来介绍气体测漏的具体实现过程。图给出了测量的四个阶段被测件内的压力变化。直接压力法检测如图所示。测量主要分为四个过程，即充气过程、平衡过程、测量过程和放气过程。当测量开始时，打开电磁阀、对被测件进行充气也就是充气过程，充气过程以设定的压力向被测工件充气，充气阶段结束后，关闭电磁阀，进入平衡阶段。为了在测量阶段获得可重现的测量条件，检测系统在充气后必须经过一段时间的稳定，以便消除被测腔内气流紊乱造成的误差，以及由检测气体所引起的温度变化。在被测工件中流通的气体为压缩气体，通过电磁阀时会膨胀，冷却，然后再次被压缩，升温。由于温度的变化，也会导致压力的变化在平衡阶段，电磁阀关闭，电磁阀打开。平衡阶段结束时，检测系统内的压力被保存，作为压力的参考值。系统进入测量阶段，如果有气体从被测工件中泄漏出去，必将引起压力下降。在测量阶段，系统通过一段时间的压力降就可以判断工件的泄漏程度，这个过程可以以数字的形式显示出来。当测量阶段结束后将被测件内的气体放掉，这阶段为放气阶段。当放气阶段结束后，就完成了一个检测过程。减压阀电磁阀1电磁阀2被测件压力传感器图2-1 直压式气体测漏原理图2.1.2 本课题的主要工作 本课题将单片机控制应用到传统的直接压力式气体测漏仪中，加入了液晶显示和键盘输入等模块，提高了检测过程的自动化水平，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，并且方便数据的存储和分析，本科题要实现的功能如下用一种简单高效的方法来检测被测工件的气体泄漏特性高精度压力检测，可以最小检测的压力变化，检测量程为0-20bar，压力差检测精度为0.1%将每次检测结果显示并保存，通过通讯接口送上位机以便日后统计，分析零点漂移的克服。2.1.3 系统功能块的划分 对以上功能进行分析，可以将系统分成以下三个功能块：（1）检测控制模块 该部分为整个系统的控制核心，其主要功能是通过单片机来控制各个阀门的开关进而完成直接压力测漏，同时利用传感器将系统各个阶段的压力信号和温度信号转变成电压信号，再由单片机通过a/d接口来进行检测，送单片机进一步判断其泄漏量，进而完成一次完整的检测。（2）人机界面选择模块 传统的检测手段都是由人来做判断，容易产生误判。该系统加入液晶显示和键盘输模块，使得输入和输出变得直观且操作简单。（3）串口及上位机通讯模块 由于每次测量系统都记录了大量的数据，如压力值，检测结果等，这些数据都需要通过通讯接口送入上位机保存以方便日后的分析处理，本模块通过单片机的标准接口将结果数据输出到上位机。2.2 关键技术选择 以上介绍了本课题所要实现的系统功能，并将其分成了三个功能模块，要更好的实现这三个功能模块的功能，需要对实现这些功能的技术进行必要的了解和谨慎的选择，以下是对这三个功能块的关键技术进行介绍和选择。2.2.1 检测控制模块 本系统主要采集气体压力，压力传感器主要针对气体介质，因此，为了提高系统的精度应尽量选取高精度的压力传感器。传感器的精度直接影响系统的总体精度，本系统选取的压力传感器为德国进口的高精度压力传感器，其普遍应用于工业的各个领域中，把气体，液体压力转换成正比高线性电信号输出。压力变送器可以用来测量静压和动压，可以测量任何可与不锈钢，或兼容的液体气体介质，按不同的要求可以选择不同的密封材料，压力量程为一精度满足全量程调节，是本系统的理想传感器。 在满足系统要求的前提下，元器件的选取应尽量满足高性价比、高可靠性且通用等原则。在嵌入式系统低端的单片机领域和当今的工业线程应用中，位机仍然是主流机型。本课题选用了在单片机中最早实现技术的公司的，其为、字节的，足以存储大量的汉字字符码。并具有全双工串行口线，可以方便的与外界进行通讯，满足本系统的各种性能指标要求。2.2.2 人机界面的选择 人机界面主要包括键盘与显示模块。 为便于操作人员对该仪器操作，系统设计了键盘输入模块。由于按键的数目较多，系统设计成行列式键盘，键值以扫描方式输入单片机，并采用可编程芯片来扩展系统的输入输出口线，这样有效解决了单片机输出口线的不足。由于所要显示的汉字较多，且为了便于操作人员观察，本系统采用大连东显公司生产的字符点阵型液晶来做系统的显示模块。该模块有内部的驱动芯片，提供了与单片机的标准连接电路，使得控制液晶的显示就如同控制外部存储器的读写一样简便。由于具有与、系列相适配的接口，并有专用的指令集，可以实现画面卷动、光标、闪烁、位操作等，足以满足本系统文本显示或图形显示的功能，此外，该液晶可管理的显示缓冲区，并可外接字符发生器，可同时显示行汉字字符，是该系统的理想显示模块。2.2.3 串口通讯模块的选择 因为需要同上位机进行通信，将侧漏仪采集的数据输出，所以本系统必须提供一个可以上位机进行实时通信的接口，由于系列单片机本身就提供了标准串行接口。所以只需外扩一个驱动芯片如max232就可以实现串行通讯的功能。但是为了保证数据的可靠传输必须选择一种可行的通讯协议。 支持串行通讯的工业协议主要是协议，协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络例如以太网和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。但是本文的通讯主要针对于单片机与上位机之间的通讯，并不是整个网络之间的通讯。若采用modbus标准协议必将引起资源的浪费，降低通讯效率。所以本系的通讯模块借鉴了modbus协议标准中的crc检验码的生成过程设计了一种自定义的通讯协议。自定义协议提高了系统的通信效率又能保证系统的正确传输。2.3 系统总体结构设计2.3.1 系统总体工作模型 传统的直压法测漏仪一般不检测温度信号，利用的是平衡阶段温度信号和压力信号基本平衡，这就大大地限制了系统的精度，本系统将温度信号也采集到了系统中，不但提高了系统的精度，同时也为实现快速测量提供了有效的依据。另外传统的直压法测漏仪将压力变送器选择在被测件与自检阀之间，控制器一般选择微机。这就大大限制了仪器的体积和灵活性。本系统采用单片机作为控制器，液晶显示，并将压力变送器的位置择在充气阀和自检阀之间，对外只提供了两个标准的接口。大大的减小了系统的体积，使仪器使用起来方便灵活。泄露模拟接口显 示单 片 机温度变送器压力变送器自检阀充气阀过滤器排气阀被测件气源减压阀图2-3 系统总体工作模式型示意图 图2-3所示为基于直接压力法的气体测漏系统的总体工作模型示意图。现将系统的总体工作情况描述如下：（1）首先打开气源，气体经过过滤器以后变成了纯净的气体，再经过减压阀以后就等到了一个相对稳定的压力输出。此压力输出根据不同的检测对象而不同。（2）单片机上电以后首先选择不同的测试程序进行测试，测试程序的选择主要依据减压阀输出压力的设定和不同被测件的参数不同。进入测试菜单以后，当接受到启动检测的信号时就打开充气阀和自检阀对工件进行充气，充气时间结束系统进入平衡等待时间，平衡阶段结束系统开始采集压力传感器和温度传感器的信号进行检测，系统进入检测阶段，检测阶段结束后系统将检测的结果显示到液晶上并保留结果数据，同时打开排气阀将检测气体排出。一次完整的检测过程就结束，系统准备下一次检测。系统的充气时间，平衡时间和测量时间均由测试程序设定。当检测了一定数量的工件后就可以选择将一段时间的检测结果输出送给上位机，系统提供了标准的通讯接口。2.3.2 系统的总体框图at89s52 单 片 机键盘输入压力表泄漏阀温度变送器通信模块充气阀自检阀被测工件a/d液晶显示模拟调压器压力变送器压缩气源a/d图2-4 系统总框图 图2-4给出的只是系统的一个工作模型，图描述的是系统的实际原理框图。对单片机而言，系统要求检测两路模拟量的输入，同时输出两路开关量，并提供了键盘输入接口，液晶显示输出接口和通信接口。2.4 本章小结 本章介绍了本系统的设计思想。对直压法和差压法进行分析差压法测量精度高但差压法测量结构复杂、差压传感器成本高直压法测量结构简单，但是测量过程容易受到外界的干扰而影响系统的精度。本文在直接压力法的基础上结合了单片机控制技术大连理仁大学硕士学位论文提出了系统的总体工作模型和总体框图，并根据原理框图分析了传感器、人机界面和串口通讯等关键技术的选取原则。3 系统的硬件电路3.1 压力信号采集电路的设计3.1.1 压力变送器的选择 压力信号的采集是整个系统的核心，压力变送器的精度是影响系统精度的主要因素所以应选择压力变送器的主要依据就是高精度。要求对系统的微小压力变化就能检测出来。压力变送器的精度直接影响系统的精度，要满足0.1%的压力差检测精度，压力传感器的精度必须更高。而且压力量程必须满足2/20ma的系统量程范围。 本系统采用的是德国原装高精度压力变送器dmp33li。其压力精度满足0.05%foc满量程调节，对外提供标准g1/2或g1/4压力接口，压力量程为2/20ma，输出信号为标准两线制。供电电源为vdc1236v，典型应用领域为气体控制系统，过程控制系统。满足了系统的量程范围与精度要求。3.1.2 a/d转换器ads1110（1）a/d转换器ads1110总体介绍 a/d转换器ads1110是精密的连续自校准a/d转换器，带有差分输入和高达16位的分辨率，可每秒采样8、12或128次以进行转换。片内可编程的增益放大器pga。提供高达8倍的增益，允许对更小的信号进行测量，并且具有高分辨率。在单周期转换方式中，在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。表3-1 最小码和最大码采样速率（sps）位数最小值最大值816-32768327671615 -16864163833214-81928191使用需要熟悉输出码的计算方式。输出码是一个标量值除电路削波以外，它与两个模拟输入端的压差成比例。输出码限定在一定数目范围内，该范围取决于代表输出码所需要的位数，而的代表输出码所需要的位数又取决于数据速率，如表所示。 (3-1)对最小码的最小输出码、可编程增益放大器的增益设置、v+与v-的正负输入电压以及vdd而言，输出码由以下表达式计算出。本课题选用采样速率8，输出码位数为16位。（2）a/d转换器ads1110使用 i2c接口通过一个内部集成电路i2c接口通信。接口是一个线漏极开路输出接口，支持多个器件和主机共用一条总线到。总线上的通信通常发生在两个器件之间，其中一个作为主机，另一个从机。主机和从机都能读和写，但从机只能依主机的方向工作。一些器件既可作为主机又可作为从机，但只能作为从机。 一条i2c总线由两条线路组成:sda数据线和scl时钟线。sda传送数据，scl 是时钟。所有数据以8位为一组，通过总线传送。为了在总线上传送位数据，须在为scl低电平时，驱动线至该位的电平为低则表明该位为“0”，为高则表明该位为“1”。一旦线稳定下来，线被高，然后变低。线上的脉冲以时钟将位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。 i2c总线是双向的，线可用来发送和接收数据。当主机从从机中读取数据时，从机驱动数据线当主机向从机发送数据时，主机驱动数据线主机总是驱动时钟线。绝不会驱动，因为它不能用作主机，在中只是一个输入端。多数时候总线是空闲的，不发生通信，而且两条线均为高电平。在产生通信时，总线被激活，只有主机才能开始一次通信。为了开始通信，主机在总线上形成一个开始条件，通常只有在时钟线为低电平时，数据线才允许改变状态。如果在钟线为高电平时，数据线改变了状态，则形成一个开始条件，或相反地形成一个停止条件。始条件是当时钟线为高电平时，数据线从高到低的跳变停止条件则是当时钟线为高电平时，数据线从低到高的跳变。在主机发送开始条件以后，它还会发送一个字节，表明它想与哪一个从机通信，该字节称作地址字节。i2c总线上的每个器件都有一个独特的7位地址以做出响应。主机以地址字节发送一个地址，并且还发出一位以表明是对从机读出还是写入。对于在i2c总线上发送的每个字节，无论是地址还是数据，均以一个应答位作为响应。在主机发送完一个字节即8位数据到从机后，它停止驱动sda线，并等待从机对该字节的应答。从机将sda线拉低以对该字节进行应答，然后主机发送一个时钟脉冲以对该应答位定时。类似地当主机完成对一个字节的读取时，则将sda线拉低以对从机做出应答，然后发送一个时钟脉冲对该位定时。在一个应答周期期间，不作应答，只是保持sda线为高电平。如果器件不在总线上，并且如果主机试图对其寻址，它不会接收到应答信号，因为该地址处没有器件将sda线拉低。在主机完成与从机的通信后，它会发出一个停止条件。在发出停止条件后，总线再次空闲。主机也可发出另一个开始条件，在总线处于激活状态时，若发出一个开始条件则要求一个重复的开始条件。ads1110的i2c地址ads1110的i2c地址是1001aaa，其中aaa是出厂时的默认设置。ads1110有8种不同的类型，每种类型都有一个不同的i2c地址。例如，ads1110a0的地址为1001000，而ads1110a3的地址则为1001011.对ads1110的读操作用户可从ads1110中读出输出寄存器和配置寄存器的内容，为做到这一点，要对ads1110寻址，并从器件中读出三个字节。前面的两个字节是输出寄存器的内容，第三个字节是配置寄存器的内容，并不总是需要从ads1110中读取三个字节，如果只需要 输出寄存器的内容则只需读两个字节。从ads1110中读取多于三个字节的值是无效的，从第四个字节开始的所有字节将为ffh。 对ads1110的写操作用户可写新的内容至配置寄存器，但不能更改输出寄存器的内容。为了做到这一点，要对ads1110寻址以进行写操作，并对ads1110写入一个字节。这个字节被写入配置寄存器中，对ads1110写入多个字节到ads1110无效，ads1110将忽略第一个字节以后的任何输入字节，并且它只对第一个字节做出应答。3.1.3 ads1110与单片机的硬件连接图3-1 与单片机连接电路图 图3-1与单片机连接电路图所示为与单片机连接电路。因为本身没有集成接口电路，因此需要用其接口来模拟实现接口电路，这里选用和两个引脚来模拟总线的两个引脚：p1.0作为数据脚，它的作用是由主机和从机来驱动它以传送数据。p1.1作为时钟引脚，由主机来驱动它，以产生传送数据所需要的时钟信号，时钟信号通过对单片机编程产生。 数据线和时钟线都需要上拉电阻，因为总线驱动器是漏极开路驱动器，这些电阻的大小取决于总线的工作速度和总线电容阻值。较高的电阻功耗较低，但会延长总线的转换时间，限制总线速度阻值较低的电阻，允许总线高速运转，但功耗较高。长总线的电容高，需要较小的上拉电阻来补偿，电阻不应太小，如果电阻太小，总线驱动器可能不能将总线拉低。上拉电阻的典型值一般为1k10k ，本课题采用10k上拉电阻。 3.2 温度信号采集电路的设计3.2.1 温度信号处理电路 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温“范围的温度测量中。图温度信号处理电路用铂电阻组成的电桥电路被广泛的应用在各种测温电路中，但在这种检测电路中，平衡电桥中以及铂电阻的阻值和温度之间的非线性特性给最后的温度测量来了一定的误差，所以往往难以达到较高的指标要求。必须使用硬件补偿或软件查表等方法来对系统的非线性进行补偿。软件查表补偿方法可以简化系统硬件电路的复杂度，方便器件的选取等优点。但是查表法来实现非线性补偿大大的增加了系统软件设计的复杂度，同时对系统精度的提高帮助有限。本系统采用非平衡电桥结合模拟校正电路来实现对温度信号的处理，硬件电路简单可靠，同时又大大地提高了铂电阻测温的精度，并且考虑到转换器存在一定的死区，用一个加法器将系统的输出信号提高一个固定的电平。温度采集电路如图所示测温电路采用典型的铂电阻电桥电路，线制连接。线制可以把导线电阻对测量结果的影响降到最低，连接如图3-2所示：图3-2 温度采集电路测温电路采用典型的铂电阻电桥电路，3线制连接。3线制可以把导线电阻对测量结果的影响降到最低，连接如图3-2所示。铂电阻的温度特性如下:当温度为-780时: (3-2)当温度为0600时: (3-3)本系统主要应用温度在0至100度的范围内测温度，所以只考虑铂电阻在0至600度范围内的温度特性。设电桥两端的输出电压分别为v+和v-，导线电阻为r，则: (3-4) (3-5)当r116=r117=10kr100=100时，放大器的输入电压为: (3-6)由公式(3-6)可以知道系统3线制连接可以基本消除导线电阻对测温电路的影响。将式(3-4)代入式(3-6)得，其中: (3-7) (3-8) 二次项对整个系统的影响很小，但是为了降低其影响，放大电路加入了一个正反馈r119，其值为150k。正反馈电阻的加入起到了线性化的作用，降低了二次项对整个系统的影响温度在0至100度之间，放大器的输出k与温度的关系可以基本认定为线性的。调整电位器rp103就可以调节整个放大器的放大倍数，本系统设定放大倍数为50。放大器输出在经过一个加法器电路输出: (3-9) vref2的值可以通过调整电位器rp104来进行调整，其目的是消除a/d在零点采样不精确所带来的误差。通过加法器电路以后，即使温度为0也能保证a/d的输入电压为一较高的固定值。温度处理信号调试时，首先用100的电阻替换rt，通过调节rp104使温度信号的输出值为400mv，然后用138.5 (100时铂电阻的阻值)的电阻替换rt，通过调节电位器rp103使温度信号的输出值为1700mv。温度信号的输出值400mv到1700mv可以近似线形的代表0到100度的温度值。此测温电路共需要两组精密电源为其供电，tl431就是能同时提供两组稳定电压输出的稳压管，12v电源流经限流电阻r126后在tl431的1脚产生7.5v的稳压输出，再流经限流电阻r114和r115后在2脚产生一个2.5v的稳压输出。为了提高系统的负载能力，将这两组电源的输出分别接到lm324组成的射随电路，在lm324的1脚输出一个稳定的7.5v稳定电压，在8脚输出一个2.5v的稳定电压。3.2.2 温度处理信号与单片机的连接电路由于ads1110支持i2c总线协议，可以同时连接个从设备。所以温度信号经过处理后直接送入ads1110中, ads1110的输出信号连入系统的虚拟i2c总线上p1.0和p1.1。温度信号采集电路与单片机的接口与压力信号的接口基本相同，如图所示:+5vvin+gndsclvin-sdavddvtagnd+5vr110kr20.1up1.0ads1110图3-3 温度信号与单片机的连接电路3.3 人机界面的设计 人机界面主要是键盘输入模块和液晶显示模块，是嵌入式设计的常用外设模块。3.3.1 键盘输入模块的设计 由于需要的按键数目较多，系统设计成行列式键盘，键值以扫描的形式输入单片机四。扫描式键盘需占用单片机较多的输入输出口线，使用可编程芯片来扩展。用外8155h扩展的键盘结构如图所示:8155图3-4 键盘电路 键盘电路，图中的行线和列线均通过电阻接，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开，行线pc0-pc2呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，该键所对应的行线与列线短路。例如，6号键按闭合时，行线pc0和列线pa6短路，此时pa6的电平由pc0的电平所决定，如果把行线规定为微机的输出口，列线接到微机的输入口，则在微机的控制下，使行线线pc0为低电平(0)，其余两根行线pci、pc2都为高电平。然后微机通过输入口读列线的状态，如果pa0pa7都为高电平，则pc0这一行上没有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电平的列线和pc0相交的键处于闭合状态;如果pc0这一行上没有键闭合，接着使线pc1为低电平，其余行线为高电平。用同样的方法检查pc1这一行上有无键闭合，以此类推，然后使行线pc2为低电平，其余的行线为高电平，检查pc2这一行上是否有键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。cpu对键盘的扫描可以采取程序控制的随机方式，cpu在空闲时扫描键盘，也可以采取定时控制方式，每隔一定的时间，cpu对键盘扫描一次，cpu可以随时响应键盘输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向cpu请求中断，cpu响应键盘输入中断请求，对键盘扫描，以识别那一个键处以闭合状态，并对键输入信息做出相应处理。cpu对键盘上闭合键键号的确定，可以根据行线和列线的状态计算求得，也可以根据行线和列线状态查表求得。当键盘有按键闭合时，闭合和断开的过程中会有抖动现象的产生。抖动时间长短和开关的机械特性有关，一般为510ms，中间状态为稳定地闭合期，其时间由按键动作所确定，一般为十分之几秒到几秒，为了保证cpu对键盘的闭合做一次处理并且仅一次处理，在软件中必须设置去抖动，在键的稳定闭合或断开时读键盘的状态，并判断出键由闭合到释放时，再作键输入处理.3.3.2 液晶接口电路的设计 液晶模块与单片机的接口电路如图所示:at89s52图3-5 液晶模块与单片机的接口电路 单片机利用数据与控制信号直接采用存储器访问形式来控制液晶模块。单片机数据口p0口直接与液晶显示模块的数据口连接，单片机的rd，wr作为液晶显示模块的读，写控制信号，液晶显示模块rst，挂在正负5上。ce、c/d信号分别接到单片机p2.6、p2.1上。液晶模块就相当于单片的外部存储器一样，单片机可以方便的控制数据与指令的输入输出。液晶的指令代码入口地址为#8201h，此时ce为低电平选通，c/d为高电平，为控制命令字的读写地址。数据入口地址为8000h，此时ce为低电平选通，c/d也为低电平，为数据的读写地址。单片机p2口的最高位p2.7与81c55的使能端连接，高电平为不使能。所以对液晶的读写数据与指令代码的操作必须先封锁81c55。液晶接口的1，2脚为背光电压的输入端。本系统采用现有的液晶背光芯片elp-60，该芯片可以驱动液晶屏，足以满足本系统的需要。图液晶与单片机的接口电路，本系统采用内核的系列单片机是一种低电压，高性能位单片机，片内含的可反复擦写的只读程序存储器和的随机存取数据存储器，器件采用公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准指令系统，片内置通用位中央处理器和存储单元，功能强大的单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。有个引脚，外部双向输入输出端口，同时内含外中断口，位可编程定时计数器，全双工串行通信口，读写口线，可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和存储器结合在一起，特别是可反复擦写的存储器可有效地降低开发成本。随着时代的发展和科技的进步，显示技术也随之不断前进。从早期的发光二极管显示到液晶显示，从段码式到点阵式再到图形点阵式，其性能不断提升，而成本却日趋降低。 表3-2液晶接口特性管脚号符号功能1nc背光输入脚2nc背光输入脚3fg框架4vss地5 vdd电源电压6vee液晶电压7wr写数据8rd读数据9ce片选信号10c/d写命令/写数据11rst读命令/读数据1219d0d7数据线20fs字选线模块应用特点：（1）本模块可直接适配于8080mpu的接口信号。（2）可以设置字符方式与图形方式的合成显示即字符显示区的内容和图形显示区的内容通过模式设置同时显示在屏幕上、字符方式下的特征显示以及可以像以那样屏拷贝操作。（3）允许mpu随时访问显示缓冲区，甚至可以进行位操作。（4）显示字符的字体点阵。（5）对模块的操作都要进行状态字的判别。（6）复位信号将把行、列计数器和显示寄存器清零，并且关显示。复位后可用开。（7）显示指令完整地恢复显示屏上原有的画面内容。每次上电后，有必要进行一次软复位。显示窗口长度(列)cl己由硬件设置为40(字符数)，即列数据传输个数的最大值(超出屏幕部分不显示)。（8）显示窗口宽度行已由硬件设置为128行。（9）本模块内建128种字符见附录，并允许用户在显示缓冲区内任意设置一个区域作为外扩的字符发生器cgram。（10）显示缓冲区可分为文本显示区、图形显示区和cgram区。文本显示区和图形显示区的起始地址sad都对应着显示屏左上角位置的显示位。在文本显示区一个单元对应屏上的一个字符位点阵在图形显示区一个单元则对应屏上的点阵显示位。（11）光标可在字符方式下启用，此时光标与所在位的字符通过逻辑“或”显示。（12）本模块的控制指令有的需要参数，参数的输入在指令代码输入之前。（13）文本特征方式只能用在文本模式中此时文本区和图形区都必须打开。3.4 通讯模块的设计3.4.1 串口通讯协议国际标准化组织在开放系统互连标准中定义了各层次的网络参考模型，它们分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层负责直接使用下层向它提供的服务，并完成自身的功能，然后向上层提供“增值”后的功能，即数据和控制信息从发送端各层由上至下传送至物理媒体，然后接收方再从下到上经过各个层传递到达目的地，是七层参考模型不是通讯标准，它只给出一个不会由于技术发展而必须修改的稳定模型，使有关标准和协议能在模型定义的范围内开发和相互配合。串口通信数据量少，不需要很复杂的语法和语意表达，在端对端的情况下，路由选择的问题比较简单，因此仅仅选择实现了物理层、数据链路层和应用层。接收时，物理层负责从串口的硬件缓冲区读取或单片机端发送的数据，数据链路层把物理层读取来的数据根据一定的逻辑关系拼装成完整的命令，最后是应用层来解释执行由数据链路层拼装出来的命令，并做出响应。发送时，因为物理层不关心数据的语法和语义，因此不需要连接层的拼装功能应用层把数据直接发送给物理层。这样采用分层处理的方法还有个好处是底层模块独立于高层消息处理，最大限度地降低