智能（单片机）温度控制系统的毕业设计.doc

目录 摘要 第一章 绪论1 第二章 设计要求1 2.1 设计课题工艺过程简介1 2.2 控制任务指标及要求2 第三章 系统设计思想2 第四章 硬件的选择3 4.1 单片机的选择3 4.2 温度传感器的选择3 4.3 显示器的选择3 4.4 键盘的选择4 4.5 温度控制部分4 4.6 自动推舟控制部分4 4.7 实现方案4 第五章 硬件设计5 5.1 单片机基本系统5 5.1.1 单片机 80515 5.1.2 8155 简介7 5.2 前向通道11 5.2.1 温度传感器13 5.2.2 运算放大器13 5.2.3 a/d 转换器15 5.3 后向通道17 5.4 人机对话通道17 5.4.1 显示器17 5.4.2 键盘20 5.4.3 74922 引脚说明及功能23 5.5 其它外围器件3 第六章 软件设计25 6.1 软件设计思路25 6.2 程序设计流程说明25 6.3 主程序流程图如下25 6.4 键盘输入中断程序27 6.5 温度检测子程序流程图27 6.6 程序清单28 结论32 谢辞33 参考文献34 摘 要 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日 新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用， 仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以 作完善。本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计编程的，其指令的执行速度快，节 省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁 明了。使硬件在软件的控制下协调运作。 根据本温度系统的设计要求，该系统是由单片机和温度传感器与一体的综合设计，由于是用 单片机采集温度信号，所以在之前必须对温度信号进行放大和转换，就应该选择放大器和 a/d 转 换器，本系统要实现人工智能化，就必须有对温度进行设定，所以还需要设计键盘与单片机系统进 行沟通 关键字关键字：单片机，温度传感器，键盘，a/d 转换器，放大器 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 1 第一章 绪 论 计算机是人类有史以来最伟大的发明之一，人类经过几个世纪的努力，把计算机从中国古老的 算盘发展到当代的计算机。当代计算机并非仅用于计算，它更广泛地应用到社会生活中的各个领域， 从宇宙飞船到人造卫星，从天气预报到地震预报，从办公自动化到生产过程自动化，都离不开计算 机的应用，计算机已成为促进现代文明的进步，推动人类社会发展的“智能工具” 。 单片微型计算机（single chip microcomputer）被称为单片机，它是各类专用控制器而设计 的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通微机的微处理器、一定容量的 ram 和 rom 以及输 入/输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。 单片机的应用十分广泛，其具体有以下几个特点： （1） 小巧灵活、成本低，易于产品化。它能方便地组装成各种智能化的控制设备及各种智能 仪器仪表。 （2） 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。 （3） 抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境条件下都能可靠地工作，这是其它机 种无法比拟的。 可以很方便地实现多机和分布控制。使整个系统的效率和可靠性他大为提高。 （4）单片机具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，今年来还开发了一些以单片机母片（如 8051） ，在片中嵌入更多的专用型单片机，因此单片机在计算机控制领域中应用越来越广泛。 单片机的应用意义不仅带来的巨大经济效益。更重要的意义还在于单片机的应用正从根本上 改变着传统的抗争系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能， 现在已能用单片机通过软件的方法实现。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术，称之为 微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机 应用的推广和普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。 温度是工业控制对象中主要的被控参数之一,特别是在冶金,化工, 建材,食品加工,机械制造 等各类工业中广泛使用加热炉,热处理炉,反应炉等。这些技术高精度高的自动控制可以使用计算机 来完成。但由于在工业生产中，生产的对象往往是复杂多变的，都用计算机控制可能增加生产成本， 因此为了能够满足人们的生产需要，在很多生产控制中就运用到了单片机控制下面就是运用单片机 控制元件生成的推舟设计系统。 第二章 设计要求 设计一个温度控制系统，实现计算机控制自动推舟系统具体要求如下: 2.1 设计课题工艺过程简介 随着现代社会的高速发展，在工业生产现场和电力电子技术领域中，半导体元器件得到广泛的利 用。在半导体产品的研制和生产过程中，有一道关系到半导体器件性能的关键工序在外延片上均 匀地生长若干不同厚度的掺杂层，生长的方法是： 首先，将待加工的外延片放在液相外延炉中预热，在推杆的前端并列放着几个小方框，小方框 中装有不同的惨杂物。当炉温达到一定温度值后，预热结束后炉温开始下降，根据半导体器件的要求， 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 2 当炉温降到某个设定值时，便要将推杆推进一 个舟的距离，使舟中的掺杂物对准外延片，并在外延 片生长一片薄层。当炉温再降到另一个规定值时，直到掺杂完所有层，生成半导体器件。根据该半导 体器件的掺杂层数的不同推舟的距离在 20mm-170mm 之间。同样，推舟的速度也各有不同的要求，大 约介于 7mm/s-25mm/s 之间。 图 2.1.1 预热炉简图 2.2 控制任务指标及要求 掺杂推舟工作温度范围：700- 400 推舟总距离：小于 170mm 一次推舟距离：20mm-170mm 推舟的速度（可转化为时间）：7mm/s-25mm/s 一次工序推舟次数：1-6 个舟 第三章 系统设计思想 由于每种半导体器件在掺杂推舟中，其生长层数、舟长度、推舟速度以及推舟温度都不完全相同， 因而，在控制系统中必须配备简易的键盘和显示器，以便能够输入和显示各种控制参数，以及控制系 统的启动和停止。 该控制系统应该能够接受采集温度信号，并完成信号的非电量到电量的转换，a/d 转换，根据对 应的温度值来执行相应的动作。 在本推舟控制系统中，拟采用步进电机与滚珠丝杆相结合的方法来带动推杆的运动。因而推杆的 运动是步进式的。控制步进脉冲的个数和时间间隔，便可以精确的控制位移和时间。 为了便于控制，系统软件应该具备简易的监控功能，以管理显示和键盘。要对接受到的数据进行 转换、存储和各种换算，还要将检测到的给定值进行比较，比较值相符合，发出相应的换算的步进脉 冲，以达到控制目的。 依据设计的要求，可以有以下的硬件设计框图： 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 3 图 3.3.1 系统硬件框图 通过上面框图我们可以划分为几个模块来进行硬件设计，通过模块话设计将使设计思路能够清 晰明了的展现出来，便于分析和编程。 第四章 硬件的选择 4.1 单片机的选择 在当今的单片机世界里，现在世界上用量最大的几种单片机是 mcs-51 系列。该系列单片机以 其高性价比，兼容性强，软硬件资源丰富，得到了广泛的应用。针对本设计，选用对于存储空间的 要求不是很高，4k 的程序存储空间已经够用，没有必要使用其他存储空间扩展的单片机。 4.2 温度传感器的选择 根据设计要求，由于此设计属于工业生产范围，所以对传感器的要求也很高。在推舟过程中炉温 在 400700之间，所以要求温度传感器的测量范围在这个之间或有结余。经过对资料的查找本设计 选择装配式镍镉-铜镍热电偶传感器。工业用的装配式热电偶作为测量温度的变送器通常和显示仪器、 记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从 0到 1800范围的液体、气体 和蒸汽介质以及固体的表面温度，在测量过程中热电偶传感器能够至于炉温中直接检测到炉温，所以 选择热电偶式传感器较为合适。 （设计中选择了型号的传感器） 4.3 显示器的选择 题目要求能够显示所测得的温度值实现实时监控。并且可以根据需要，既要能够显示炉温的温 度还要能够显示设定值温度。同时为了节约成本我们采用三支 led 数码显示管，并且要使显示器呈 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 4 动态显示状态。 4.4 键盘的选择 根据设计思路知道，设计要求能够实现人机对话，也就是可以根据不同元器件的生产需要进行 人为的设置温度，控制温度上限、下限以及对各个温度点的设置，从而来控制电动机的运行实现推 舟生产过程。所以为了更方便的进行操作，我们选择 44 式键盘 4.5 温度控制部分 我们要通过单片机的引脚来对温度进行控制，显然，直接通过引脚对温度的加热设备进行控制， 不是很现实，我们只有通过驱动器来对引脚的信号进行处理，来对温度进行检测和控制。 在本计中，为了采集温度信号，使温度能够准确的采集和处理，我采用了热电偶式温度传感器。 通过它的外围器件，能够以小的信号控制比较大的信号。由于热电偶传感器的测量点可以放置在被 测对象上或周围，因此检测到的信号比较准确。为了补偿热电偶在测量过程中损失的热电势，我采 用了电桥冷端补偿法。具体信息将在后面进行介绍。 4.6 自动推舟控制部分 由于自动推舟控制过程中，根据生产需要实现定位控制，因此在设计中采用性能良好的步进电 动机作为执行元件，当电机旋转时通过丝杆把电机的旋转运动转化为直线位移，从而推动舟的运动。 我们之所以选用步进电机是因为其具有可靠的快速启动和停止的功能，如果负荷不超过其所提供的 动态转矩值，就能够在一刹那间启动与停止，符合系统设计的需要。由于时间比较仓促的关系在本 设计中我就对其软件部分进行了省略。 4.7 实现方案 方案一 ：由于设计题目要求选用 8031 单片机来实行系统的控制，但受到 8031 的内存限制， 在设计过程中需要对 8031 进行扩展，因此增加了硬件需求，同时增加了成本。 方案二：8051 和 8031 具有相同的功能，但 8051 内部增加了 rom/eprom 从而使存储的空间加大， 在设计中不许要扩展其他硬件。 通过以上比较，选用 8051 作为次设计系统的控制核心比较理想。具体的实现过程，将会在硬件， 软件部分详细的进行说明 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 5 第五章 硬件设计 在实现硬件设计中需要用到单片机、a/d 转换、步进电机、键盘、显示器、传感器、电阻、电 容等，具体器件介绍如下： 5.1 单片机基本系统 单片机系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。由于系统对 控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的 mcs-51 系列单片机 8051。8051 可以提供系统控制所需的中断、定时及存放中间结果的 ram 电路但片内没有程序存储 器，因此单片机基本系统中除了应包括复位电路和晶体振荡电路以外，还应扩充程序存储器。 5.1.1 单片机 8051 8051 是 mcs-51 系列单片机中的一个产品，mcs-51 系列单片机是 intel 公司推出的通用型单片 机。 mcs-51 系列单片机的各种型号都是以 8051 为核心电路发展起来的，因此他们都具有 mcs-51 的 基本结构与软件特征。 8051 的特点： 8 位的 cpu 具有布尔处理功能 4k 字节片内程序存储器（rom） 128 字节片内数据存储器（ram） 21 个特殊功能寄存器（sfr） 4 个 8 位的并口、32 根口线 两个 16 位的定时计数器 一个全双丁的串口 5 个中断源，2 个中断优先级 8051 引脚说明: : i/o 端口:p0.0p0.7, p1.0p1.7, p2.0p2.7, p3.0p3.7. 8051 共有 4 个 i/o 端口,为 p0, p1,p2,p3,4 个 i/o 都是双向的,且每个口都具有锁存器.每个 口有 8 条线,共计 32 条 i/o 线.各端口的功能叙述如下. （1） p0 有三个功能: 外部扩充存储器时,当作数据总线（d0d7）. 外部扩充存储器时,当作地址总线（a07）. 不扩充时,可做一般 i/o 使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电 阻. （2）p1 只做 i/o 口使用,起内部有上拉电阻. （3） p2 有两个功能: 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 6 扩充外部存储器时,当作地址总线（a8a15）. 做一般 i/o 使用,起内部有上拉电阻. （4） p3 有两种功能. 除了作为 i/o 使用外（内部有上拉电阻）,还有一些特殊功能,(略)端口 1,2,3 有内部上拉电 阻,当作为输入时,其电位被拉高,若输入为低电平可提供电流源;起作为输出时可驱动 4 个 ls ttl.而 端口 0 当作输入时,出在高阻抗的状态,其输出缓冲器可驱动 8 个 ls ttl(外部的上拉电阻). vdd:电源+5v. vss:gnd 接地. （5） ale/prog (addresslatchenable) 地址锁存器使能信号端有三种功能: 8051 外接 ram/rom:ale 接地址锁存器 8282(8212)的 stb 脚,74373 的 en 脚,当 cpu 对外部存储 器进行存取时,用以锁住地址的低位地址. 8051 未外接 ram/rom:在系统中未使用外部存储器时,ale 脚也会有 1/6 石英晶体的振荡频率,可 作为外部时钟。 在烧写 eprom：ale 作为烧写时钟的输入端。 （6）psen（program stor enable）：程序储存使能端。 内部程序存储器读取：不动作。 外部程序存储器读取（rom） ；在每个机器周期会动作两次。 外部数据存储器读取（ram）：两个/psen 脉冲被跳过不会输出。 外接 rom 时，与 rom 的/oe 脚连接。 （7）reset 此 脚为高电平时（约 2 个机器周期）,.可将 cpu 复位,cpu 复位后其累加器及存储器 的内容如表 5.1.1： 表 5.1.1 寄存器地址 (8) ea/vpp: 接高电平时：cpu 读取内部程序存储器（rom） ，如 8051/8052。 扩充外部 rom：当读取内部程序存储器超过 0fffh（8051） 、1fffh（8052）时，自动读取外部 rom。 接低电平时：cpu 读取外部程序存储器（rom） ，如 8031/8032。 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 7 8751 烧写内部 eprom 时，利用此脚输入 21v 的烧写电压。 （9） xtal1，xtal2：接石英晶体振荡器。 机器周期=石英晶体12，如 12mhz 石英晶体/12=1 微秒。 8051 硬件如下图： 图 5.1.2 mcs51 单片机内部机构 综上所述：单片机的 4 个并行口线，除 p1 口可以作为用户使用的 i/o 口线，在需要扩展片外 存储器时，p0，p2 口只能用作数据总线和地址总线，由于 p0 口在扩展时，既可作为数据总线又可 作为地址总线，所以它作为地址总线时，需要外加地址锁存器。p2 口作为第二功能时，其中的许 多口线是作为控制信号线使用的。只有在不使用 p0，p1，p3 口的第二功能时，它们可以作为一般 的 i/o 口使用，如不需要扩展存储器和 i/o 口时，p0、p2 可作为一般的双向口。 2.控制口线：ea/vpp，psen，ale，rst ea/vpp：片内外程序存储器选择/编程电压 ea/vpp=1，cpu 从片内程序存储器开始执行程序，即 pc 首先指向片内 rom。 ea/vpp=0，cpu 指向片外程序存储器中的程序，即 pc 只指向片外 rom。 ea/vpp=21v，编程电压，对于片内 eprom 进行编程。 片外程序存储器的读选通信号，当 psen=0 时，cpu 从片外程序存储器取指令。 ale/prg：地址锁存信号/编程脉冲 访问外部存储器时，ale 用于锁存地址的低 8 位。即使不访问外部存储器，ale 仍然以震荡频 率的 1/6 周期性的向外输出正脉冲，用它作为外部定时基准。ale 端的负载能力为 8 个 lsttl。在 对片内 eprom 进行编程时，作为编程脉冲输入端。 rst/vpd：复位信号/掉电保护 此端保持两端周期的高电平，可以使单片机复位。在 vcc 掉电期间，此引脚接上备用电源，可保持 片内 ram 中的信息 5.1.2 8155 简介 8155 为 intel 公司的一种功能可编程接口芯片，它具有两个 8 位和一个 6 位可编程的 i/o 接口、 256 字节的 ram 存储器、一个 14 位的计数/定时器。在单片机中有广泛的应用。 8155 的特点如下： 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 8 ad7ad0，三态地址/数据总线； pa7pa0，a 口输入/输出线； pb7pb0，b 口输入/输出线； pc5pc0，c 口输入/输出线或为 a，b 口的控制信号线 当 c 口作为控制信号线时，其功能如下； pc0，a 口中断请求信号线。 pc1，a 口缓冲器信号线。 pc2，a 口选通信号线 pc3，b 口中断请求信号线。 pc4，b 口缓冲器信号线。 pc5，b 口选通信号线 ce，片选信号线，低电平有效 rd，存储器读信号线 wr，存储器写信号线，低电平有效 ale，地址锁存信号线 io/m，i/o 口与存储器选择信号线。io/m 为 1 时，选择 i/o 口；i/o 为 0 时，选择存储器。 timein，计数/定时器脉冲输入有效。 timeout，计数/ 定时器输出端。 reset，复为信号线。 vcc，+5v 电源。 vss，接地端。 8155 的外型结构如图 5.2.3 所示： 8155 的芯片内部结构： 8155 的内部结构包括两个 8 位的并行输入/输出端口，256 个字节的静态 ram， ，一个地址锁存 器，一个 14 位的计数/定时器和控制逻辑电路。 8155 的工作方式： 8155 的控制逻辑中设置了一个命令/状态寄存器，它实际上使两个 不同的寄存器，分别存 放命令字和状态字，对控制命令寄存器只能进行写操作，而对一起称为命令/状态字寄存其。其中， 命令字用于选择 i/o 口的工作方式，状态字用于选择 a 口和 b 口和定时器当前的工作状态，其格式 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 9 如下： 在控制信号中，io/m =1 时，cpu 选择对存储器进行读/写操作。256 个字节的存储器地址范围 为 00hffh，i/o 口和寄存器的地址分配如下表： 表 5.1.2 i/o 地址分配表 命令字寄存器： 8155 的 a 口和 b 口具有基本输入输出和选通输入输出两种工作方式，这个方式选择由 c 口 的工作方式决定，当 c 口的工作方式作为一般输入/输出口时，a、b 口工作于基本 输入输出方 式；当 c 口用于提供控制/状态信号时，a、b 口工作于选通工作方式。a、b 口具体工作于输入还 是输出，又命令字的的 d1、d0 位决定。 表 5.1.3 8155 地址功能表 8155 的 c 口既可用作基本输入/输出口，也可以用于提供 a、b 的控制/状态信号， 具体地说，有 alt1、alt2、alt3、alt4 四种工作方式，如图三所示。c 口的前两种工作方式分别 为输入输出方式。c 口工作于 alt3 方式时，b 口工作于基本输入/输出，a 口工作于选通工作方式。 c 口为 a 口提供 3 根控制/状态信号线（c 口的另 3 位输出） 。c 口工作于 alt4 方式时，a 口和 b 口 均工作于选通方式，c 口位 a、b 口提供 6 根控制/状态信号（c 口全为控制/状态线） 。c 口的工作 方式与 a、b 口工作关系如表 5.1.4： 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 10 表 5.1.4 8155i/o 工作方式 8155 片内设置了一个 14 位的减法计数器，用于对外部输入的脉冲信号进行减 1 计数。定时计 数器的外部脉冲信号由 timerin 引脚输出，定时器的输出引脚位 timerout。计数/定时器的计数值 和工作方式，由 8 位计数/定时器寄存器设定，如下图 5.1.5 所示： 图 5.1.5 8155 计数/定时器寄存器格式 其中，t13t0 为计数器值，范围为 0002h3fffh，m2、m1 用于设置定时器的工作方式。定时 器的工作方式有四种，每一种的区别主要在于输出波形不同，方式 00 和 01 常用于对脉冲进行分频， 方式 10 和 11 为计数/定时到，输出负脉冲信号，具体波形如下图 5.1.6 所示： 图 5.1.6 8155 定时器各种方式输出波形 对定时器进行编程时，应该先将技数初值和定时器工作方式装入寄存器，计数是否启动由命 令字的最高二位控制 ，具体控制方式如下。 tm2 tm1 00：空操作，不影响计数 01：停止定时器计数，若计数器没有启动，则相当于空操作 10：定时器值减为 0 时，停止计数 1 1：启动，置方式和初置后立即启动；若正在计数则表示置新的方式和初置，计 数结束后，按新的方式和初值计数。 任何时刻都可以设置定时器的初值和工作方式，但是必须将启动命令写入命令寄存器。如何定 时器正在计数，那么，只有写入启动命令之后，定时器才接收新的计数初值并按新的工作方式计数。 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 11 由于 8155 内部带有地址锁存器，因此，它与 8031 的接口电路非常简单，不需任何附加的电 路。图 7 是 8031 与 8155 的接口电路，存储器 ram 和 i/o 口的地址分配如下。 存储器的地址： 7e00h7effh。 i/o 的地址 命令/状态寄存器 7ff8h pa 口 7ff9h pb 口 7ffah pc 口 7ffbh 定时器底 8 位 7ffch 定时器高 8 位 7ffdh 5.2 前向通道 前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、ad 转换等电路。由于温度变化是 一个相对缓慢的过程，固此前向通道中没有使用采样保持电路。 按设计要求，温度控制静态误差l 0c，炉温给定范围为 400700，而对炉温的检测范围应 适当大于此范围，设为 4007500c，则系统的控制总误差应不大于 1(9535) x100167，分配到前向通道的信号采集总误差应不大于系统总误差的 12，即精度应为 o83，可以采用 8 位 ad 转换器实现。 前向通道包括：a/d 转换器、传感器、放大器 5.2.1 温度传感器 我们知道，在推舟工作区中，推舟掺杂的工作温度范围为 700 400 。为了检测温度并控制 推舟，这里采用了接触式的温度测量方法，以热电偶作为测温元件，置于工作区中。考虑到测温范围 和精度，以及价格因素的影响，这里选用装配式热电偶 wre2 型传感器。其测温上限长期为 900，短 期可达 700。 1.热电偶特点及应用范围 特点 热电偶可将温度直接转换成电量信号,便于监测； 结构简单,制造容易,价格便宜； 惰性小,准确度高,测量范围广； 可做成多种结构,以满足各种测量对象的要求； 适用于远距离测量与控制； 但其准确度难以超过 0.2； 参考端温度影响测量,必须进行补偿； 在高温或长期使用时,因受被测介质的影响或环境气氛的腐蚀作用而发生劣化。 应用范围： 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 12 热电偶适用于各行各业各个领域生产过程中2001300范围内的温度测量，在特殊情况下，可 测量 2800的高温和 4k 的低温。 2. 热电偶传感器工作原理 热电偶是一种使用最多的一种传感器，它的工作原理是由两种不同的导体或半导体 a 和 b 组成的 一个回路，其两端相互连接，只要结点处的温度不同，一端的温度为 t，另一端的温度为 t0，则回路 中就有电流产生，即回路中存在电动势，该电动势称为热电势。 当回路断开时，在断开处 a, b 之间便有一电动势 et,其极性和量值与回路中的热电势一致，规定为冷 端，当电流由 a 流向 b 时，称 a 为正极，b 为负极。热电势 et 与温度差（t t0）成正比，即 et =sab（t t0） sab 为赛贝克西蜀，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大取决于热电极材 料的相对特性。 两种导体的接触电势 不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会发生电子扩散， 浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到 动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。 温度 t 时热端接触电势： 冷端接触电势： 式中：a、b 代表不同材料； 在闭合回路中，总的接触电势为： 3. 热电偶传感器的主要技术参数 热电偶的主要技术参数有型号、分度号、测量范围、允许误差、热响应时间、公称压力、热电动 势率、长期稳定性、热电偶的电阻 r0 等。 wre2 温度型传感器属于装配式镍镉-康铜热电偶传感器，其工作范围为 333900，允许误差在 0.0075，时间常数 t90 ，该型号在系统中测量 400700之间的温度，经查表知在 400时，其 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 13 热电动势为 33.767mv,在 700时其电动势为 57.873 热电偶的的热电动势计算公式： e =biti 热响应时间：热响应时间也称时间常数，它是用来表示热电偶对温度变化感应快慢的惰性参数， 在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的 63.2所需的时间。 冷端补偿： 本系统使用镍铬康铜热电偶，被测温度范围为 400700，冷端补偿采用补偿电桥法，采用 不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻 r1、r2、r3(锰铜丝绕制)、rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。rcu 与热 电偶冷端同处于0,而 r1=r2=r3=1，桥路电源电压为 4v，由稳压电源供电，rs 为限流电阻，其阻 值因热电偶不同而不同，电桥通常取在 20时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻 r1=r2=r3=rcu，a、b 端 无输出。当冷端温度偏离 20时，例如升高时，rcu 增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高 而减小。uab 与热电势减小量相等，uab 与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的 自动完成。 5.2.2 运算放大器 运算放大器（常简称为“运放”），是广泛应用的、具有超高放大倍数的电路单元。可以由分 立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以 单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。在这里选用集成放大器 0p07 型，内部结构及硬件图如下： 工作原理： 一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（out）和同相、反相两个高阻抗输入端的 高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两 侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某 一范围变化。 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放 可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也 被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。 运放的输出电位通常只能在高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值之间变化。经过特殊 设计的运放可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。这种运放成为轨到轨（rail- 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 14 to-rail）输出运算放大器。 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=a0（e1- e2） ，其中，a0 是运放的低频开环增益（如 100，即 100000 倍） ，e1 是同相端的输入信号电压， e2 是反相端的输入信号电压 运算放大器均是采用直接耦合的方式，直接耦合式放大电路的各级的 q 点是相互影响的，由于 各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。当输入短路时（由于一些原因 使输入级的 q 点发生微弱变化，比如：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。 产生零漂的原因是：晶体三极管的参数受温度的影响 实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏(30mv)，且其中包含工频、静电和磁偶 合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输 入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器，它的 输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并 且温漂较小。由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。由三运放组成测量放大器，差动输入 端 r1和 r2分别接到 a1和 a2的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到 输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。a3实际上是一差动跟随器，其增益近似为 1。测 量放大器的放大倍数为：av=v0/（v2-v1），av=rf/r(1+(rf1+rf2)/rw)。在此电路中，只要运放 a1和 a2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益)，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对 微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配 合使用。rw是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器。 实际电路中 a1、a2采用低漂移高精度运放 op-07 芯片，其输入失调电压温漂 vios和输入失调 电流温漂 iios都很小，op-07 采用超高工艺和“齐纳微调”技术，使其 vios、iios、vios和 iios都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。op-07 要求 双电源供电，使用温度范围 070，一般不需调零，如果需要调零可采用 rw进行调整。a3采用 741 芯片，它要求双电源供电，供电范围为(318)v，典型供电为15v，一般应大于或等于 5v，其内部含有补偿电容，不需外接补偿电容。 0p07 放大器的具体参数： 开环增益(v/v)：0.12；模抑制比（db）:94106；始失调电压（v）：75150；调电压漂移： （v/）：2.5；置电流（25）n a max:412；压噪声（1hz）:11；源电压：4 经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为 05v，此 信号为模拟信号， 计算机无法接受， 故必 须进行 a/d 转换。 放大器的放大倍 数计算如下： 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 15 上式中 g 为放大倍数 通过对各个器件性能分析计算，得出不同的电阻值参数，把电阻参数带入计算公式中得到放 大倍数为 101 倍，当控制温度在 400时，传感器输出热电势为 33.3mv,当在 700时，其输出热 电势为 57.89mv。经过电桥法冷端补偿和两个同相放大器放大后输出放大电压分别是 3.3v 和 5.8v。高于 a/d 转换器的输入电压，因此需要在二级放大输出端接一小电阻来进行分压。 前向通道硬件接线如图： 图 5.1.9 前向通道 5.2.3 a/d 转换器 模拟量转换成数字量和数字量转换成模拟量是计算机与外部环境进行联系的主要形式。计算 机控制过程如图所示，当计算机用于工程控制、实时数据采集等方面时，现场监测的模拟信号必 须通过 a/d 转换变成数字量，送入计算机处理，计算机的输出信号又必须通过 d/a 转换成模拟信 号送到现场去驱动机械或电气设备动作。所以 d/a 和 a/d 转换是计算机应用的重要接口技术。 在这里选用 adc0804 芯片做为模数转换器。 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 16 【1】a/dc 0804 的基本原理 adc0804 是用 cmos 集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。分辨率 8 位，转换时间 100s，输 入电压范围为 05v，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 5v。该芯片内有输出数据锁存器，当与 计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在 cpu 数据总线 上。 1 a/d 转换器是将模拟信号转换成数字信号。 2 /dc0804 的参数规格： 8 位 coms 逐次逼近型的 a/d 转换： 三态锁定输出 存取时间：135s: 转换时间：100s 分辨率：8 位 总误差：1lsb 工作温度：adc0804 lcn-0+70 a/d0804 lcd- -40-+85 【2】引脚功能说明如下： /cs： 芯片选择信号，低电平有效，一旦 cs 有效，表明 a/d 转换器被选中，可启动工作。wr：写信号 输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当 cs、wr 同时为低 电平时，启动转换。 /rd：外部读取转换结果的控制脚输出信号。/rd 为 hi 时，db0db7 处于高阻抗；/rd 为 lo 时，数字数 据才会输出。 /wr：用来启动转换的控制输入，相当于 adc 的转换开始（/cs=0 时） ，当/wr 由 hi 变为 lo 时，转换器 被清除；当/wr 回到 hi 时，转换正式开始。 clk in，clk r：时钟输入或接震荡元件（r，c） ，频率约限制在 100khz1460 khz，如果使用 rc 电路 则其震荡频率为 1/（1.1rc） 。 /intr：中断请求信号输出，低电平动作。输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统 发出的中断请求信号。 vin（+） 、vin（-）：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，vin（-）接地：而差动输入时，直接加 入 vin（+） 、vin（-） 。 agnd，dgnd：模拟信号以及数字信号的接地。 vref：辅助参考电压。 db0db7：8 位的数字输出。 vcc：电源供应以及作为电路的参考电压。 【3】模块功能 （1） 温度信号经 adc0804 将模拟信号转换成数字信号并输入 8155 的 pa 口，经 8155 送入 8051 进行 数据处理，8051 发出脉冲信号通过其 p1 口（p1.1、p1.2、p1.3、p1.4）经放大器来驱动电动机动作。 （2）零点和满刻度调节。 adc0804 的零点无须调整。满刻度调整时，先给输入端加入电压 ，使满刻度所对应的电压值 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 17 是 ，其中 是输入电压的最大值， 是输入电压的最小值。当输入电压与 值相当时，调整 端电压 值使输出码为 feh 或 ffh。 （3）参考电压的调节 在使用 a/d 转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。如输入电压动态范围较 小，则可调节参考电压 ，以保证小信号输入时 adc0804 芯片 8 位的转换精度。 （4）接地 模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以至影响转换结果的 准确性。a/d、d/a 及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（agnd）和数字地（dgnd）的引脚。 在线路设计中，必须将所有的器件的模拟地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上 相连。地线的正确连接方法如图 5.1.11 所示。 图 5.1.10 adc0804 硬件图 在模拟输入信号较小时，如 00.5 伏时，自动调零电容可选比积分电容 cint大一倍，以减小 噪声，caz的值越大，噪声越小，如果 cint选为 0.15f，则 caz=2cint=0.33f。 由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为 05v，这时噪声的影响不是主要的，可把积 分电容 cint选大一些，使 cint=2caz，选 cint=0.33f，caz=0.15f，通常 cint和 caz可在 0.1f 至 1f 间选择。积分电阻 rint等于满度电压时对应的电阻值(当电流为 20a、输入电压=4.096v 时， rint=200k)，此时基准电压 v+ri和 v-ri之间为 2v，由电阻 r1、r3和电位器 r2分压取得。 5.3 后向通道：后向通道的工作过程跟前向通道的类似。 5.4 人机对话通道 人机对话通道主要由键盘、led 显示组成。为了完成设定检测炉温的变化温度、等功能，并 满足温度设定范围为 400700、最小区分度为 1的功能要求，键盘可由 10 个数字键及 6 个功 能键组成(确认、设定温度)。led 显示由双 3 位数码管组成，显示检测的测温度，显示范围为 4007500c。 本系统属于开环控制 5.4.1 显示器 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 18 图 5.4.1 数码管封装图 数码管原装图： 我们都知道在单片机应用系统中，通常要用多位 led 显示，多位 led 显示接口有静态显示和动 态显示两种。 在实际应用中，静态显示的亮度高，占用 cpu 的时间短，但它的成本高。为了简化硬件电路， 降低成本，在单片机应用系统中常采用动它扫描的方法，解决多位 led 显示的问题。因此在本设计 中同样以动态扫描的形式进行设计。 动态扫描显示的硬件接口简单，只需一个公共的七段码输出口，一个选择 led 位的数位选择口 （本系统中选用共阴极接法，则为所有 led 的共阴极端） ，显示时，从左到右（或从右到左）依次轮 流点亮每一位显示器，并保持一段时间。各位都扫描完再从头开始，只要保证扫描一位到重新扫描 此位的时间不超过一定的限度（一般在 20ms 以下） 。由于视觉的暂留，可达到“同时”显示各位不 同的数字和字符的目的。 在设计中采用 led 数码七段显示管，而采用 7407 与 7406 两种锁存驱动器来驱动数码管的显示。 总共需要三只这样的管子，在控制中采用滚动式显示。 显示中 8155 的扩展 i/o 口经 7407 电流放大后来驱动三位 led 数码显示管。8051 的 p2.7 经反 相器反相后与 8155 的片选端 ce 相连，p2.6 接 8155 的 i/o 口与 ram 选择端 io/m，p0 口作为数据 总线与 8155 的 d0d7 相接，8051 的 ale 与 8155 的 ale 相连。经这样连接后，8155 的 i/o 口可以 定义为： 命令状态寄存器口 fff0h a 口 fff1h b 口 fff2h c 口 fff3h 定时器低 8 位 fff4h 定时器高 6 位及方式口 fff5h 数码管的段控用 pb 口输出，位控由 pc0、pc1、pc2口控制。7407 是 6 位的驱动门，它是一个集电 极开路门，当输入为“0”时输出为“0” ；输入为“1”时输出断开，须接上位电路。共用两片 7407，分别作为段控和位控的驱动。数码管选共阳极接法，当位控为“1”时，该数码管 选通，动 态显示用软件完成，节省硬件开销。 在图 5.4.1 中，通过 8155 的 pc 口经一块 7406 组成芯片反向后来控制显示器的输出。 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 19 表 5.4.1 七段码 下面列出了 led 的七段码表（字型码）如表 5.5 7406 和 7407 的结构和功能如下：它们的外部引角完全相同，不同的是 7406 是集电极开路反 向驱动，7407 是集电极开路同向驱动 y=a。 7406、7407 电路的外部引脚图如下： vcc：正电源端，+5v gnd：接地端 xa：输入端 xy：输出端 大连水产学院职业技术学院专科毕业论文（设计） 20 5.4.2 键 盘 在微机系统中键盘是最常用的输入设备，键盘通常由数字键和功能键组成，其规模取决于 系统的要求。 键盘可以分为编码键盘和非编码键盘，编码键盘的按键识别、去抖动、键编码都由硬件完 成；非编码键的上述功能在少量的硬件支持下由软件完成。由此可见编码键盘产生键编码的速 度快且基本不占 cpu 的时间，但硬件开销大，电路复杂，成本高；非编