毕业设计（论文）-单片机在立筒仓粮情自动检测及控制系统中的应用.doc

摘 要民以食为天，粮食的存储是关系到国计民生的大事，而温度是检测粮食霉烂的一个极其重要的参数。由于我国的公粮现集中存放在国家或地方的粮库中，最大粮库方圆几公里，仓库房数为数十个，测点可达数千个。按照需要定期抽样检查各点的粮食温度。以前我国大部分粮库采用人工测温的办法，这样不仅效率低，劳动时间长，而且由于抽样不彻底，不能即时发现局部粮食温度过高，致使部分粮食变质，从而引起大面积的粮食变质，造成重大的经济损失和严重的后果。近几年来我国的检测手段有了很大的提高。尤其是单片机的发展，大大提高了粮仓温度测量的可靠性。本设计是利用单片机结合温度传感器实现对大型立筒粮仓温度的自动巡检。本系统布点为144个。测温范围为 -30+50，测量误差 1.0,据有数据显示，越限报警，远程通讯等功能。 关键词： 单片机 温度传感器 温度abstractthe people take the grain as the god. so it is important to stare the grain for it related to the economy and the peoples livelihood. and the temperature is an important parameter in measuring whether the grain goes bad or not. in our country, the public grain centralizes in the state or local grain depot now. the biggest grain depot occupies several kilometers square, there are ten storehouses and thousands measuring spots. the temperature examination for every spots must inspect regularly according to the need. in the past, most of the grain depots in our country take the temperature examination by hand. but there are many shortcomes by this method, such as the lower efficiency, the longer working-time . and because the samples may selected wrongly , so you cant find the temperature higer than usual in some parts in time, then the grain in those parts will go bad, and causes the loss in economy. lately, the method of examining in our country has improved greatly. especial, the development of the single-chip computer raises the reliability of temperature measuring in grain depot.the design takes advantage of the single-chip computer combining the temperature sensors to realize the temperature examination automatic for the large grain depot. there are 144 spots in the system. in the system, the range of the temperature measuring from -30 to 50, and the error of the measuring is limitied in 0.1 .the data shows there are warning function when it exceed the temperature and the distant communication in the system.keywords： single-chip computer the temperature sensors temperatureii目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 粮情自动检测现状- 1 -1.2 设计思想与内容- 1 -第2章 方案论证- 3 -2.1 检测方法的选择- 3 -2.1.1 热电偶- 3 -2.1.2 热电阻- 3 -2.1.2热敏电阻- 4 -2.1.3pn结型温度传感器- 4 -2.2mcs-51系列单片机选择- 5 -第3章 传感器选择与设计- 6 -3.1 pn结温度传感器的工作原理- 6 -3.2p-n结的温度特性- 7 -3.3 传感器测温的实现- 7 -第4章 8031单片机系统硬件设计- 10 -4.1 8031单片机的硬件结构- 10 -4.1.1 8031单片机的硬件结构- 10 -4.1.28031的引脚- 11 -4.2a/d转换设计- 14 -4.3多路开关的设计- 19 -4.4存储器的设计- 21 -4.4.1程序存储器2764- 21 -4.4.2数据存储器6264- 23 -4.4.3 程序存储器和数据存储器的综合扩展- 25 -4.5 键盘及显示单元的设计- 25 -4.5.18279的组成和基本工作原理- 25 -4.5.2 键盘及显示器的工作原理- 29 -4.6 单片机的复位电路- 30 -第5章 电源的设计- 36 -第6章 软件设计- 38 -致 谢- 42 -参考文献- 43 -附 录 a ：单片机在立筒仓粮情自动检测及控制系统中原理大图- 44 -附 录 b ：单片机在立筒仓粮情自动检测及控制系统中程序设计清单- 45 - 56 -第1章 绪 论1.1 粮情自动检测现状我国是农业大国，粮食储备技术是关系到人民生活的重要问题。粮食温度检测技术是我国粮食储藏的四大技术之一，它可动态监测仓库粮食温度变化情况，为粮食的储藏安全提供了重要保障。而目前我国许多粮库，由于还运用80年代传统的模拟方式和人工方式进行粮情监控，这种应用于粮食储藏的粮情检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、a/d 转换器及单片机等组成的导线传输系统。这种温度采集系统需要在仓库布置大量的测温电缆，安装和拆卸繁杂。同时受到导线电阻和分布电容的影响，测量误差比较大，易受雷击。不但费人费力，还经常出现误报警，甚至断点现象的出现，不能够及时地给工作人员正确的粮情信息，已经严重的影响到日常工作。近年来，随着数字化的普及，给我国的粮储工作带来了新的生机，新型的数字化全方位粮情监控系统摒弃了传统的模拟方式，将现代数字化电子技术应用于监控系统，是传感器创新革命的成果。具有安装简单、成本低、监测精度高，能够及时与主控计算机进行通信，实现温度、湿度的分析、显示、报警等。1.2 设计思想与内容本设计就是严格按照粮情电子检测分析控制系统技术规程，以mcs-51单片机为核心对大型立筒粮仓进行温度巡回检测。设计中用到了巡回检测，是从五十年代就开始发展的一项技术。它的经济效益无疑是很明显的，集中巡回检测还可以把集中起来的数据打印或表格，进行越限报警及其它数据处理，可以大大减轻值班运行人员的重复性劳动，所以有很大的推广价值。巡回检测在应用中有着它的缺点如：大量信号集中到一起发生的严重交叉干扰现象。这是导致巡回检测系统最终失败的一个重要的原因。巡回检测装置的输入信号往往是毫伏级的微弱信号。还要求把它们测到百分之几或千分之几的精确度，这些信号并不来自传感器的内部，而是从几米或几十米外引进。产生这些信号的传感器往往与其他的器件接近，有交叉干扰的可能性。还有在测量方面，在七八十年典型的优良的设计是采用双积分型模拟转换。这些用分立元件组成的电路产生和调试都要求较高的技术和水平，因此成本很高。由于是分立元件，抗干扰性、稳定性和可靠性都比较差，近几年来又大量采用adc芯片和模拟开关，它们的主要优点是速度快、成本低，安装和使用都比较方便，但精度不高，抗干扰性差。由于比较容易被高电压破坏，可靠性也不理想。但是近几年来，由于大规模集成电路的迅速发展。为巡回检测技术提供了摆脱困境的条件和办法。本设计最主要是以单片机为核心的。单片机自20世纪70年代问世以来，作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对人类社会产生了巨大的影响。尤其是美国intel公司生产mcs-51系列单片机，由于基具有集成度高、处理功能强，可靠性好，系统结构简单，价格低廉，易于使用等优点，在我国已经得到广泛的应用；在智能仪器仪表、工业检测控制、电力、电子、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果。尽管目前已有世界各大公司研制的各种高性能的不同型号的单片机不断问世，但由于mcs-51单片机易于学习、掌握、性能价格比高，另外，以mcs-51单片机基本内核为心的各种扩展型，增强型的单片机不断推出，估计在今后若干年内，mcs-51系列单片机仍是我国在单片机应用领域首选的机型。随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路产生而出现的微型计算机，给人类生活带来了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张的说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来一次新的技术革命。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。由于以上的mcs-51系列单片机的种种优点，本设计以8031为核心。完成对大型立筒粮仓的温度巡回检测。系统测温布点为1212点，测温范围为-3050，测温误差1.0据有数据显示，输出打印，越限报警，远程通讯等功能。第2章 方案论证近几年来，随着科学技术的发展。测量温度的传感器品种繁多。但是用得最多最普遍的是热电式传感器。热电式传感器是利用转换元件电磁场参量随温度变化的特性，对温度和温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转化为电阻变化的称为热电阻传感器，金属热电阻式传感器简称为热电阻，半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻，以及利用半导体pn结温度特性的集成化温度传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电式传感器工业生产、科学研究等许多领域得到广泛应用。2.1 检测方法的选择2.1.1 热电偶 热电偶在温度测量中应用极为广泛，因为它结构简单，具有较高的准确度，温度测量范围宽，动态响应较好。若所选择的两根导体材质适当时，可以测量高达1000以上的高温。虽然热电偶传感器具有结构简单、制造方便、热惯性小，输出信号便于远传等特点。但是它的测量范围宽，应适用于工业中，而对本设计不适用。2.1.2 热电阻热电阻也是一种测温元件。它是利用导体的电阻随温度变化的物性来测量温度的。工业上被应用来测量中低温区200500的温度。热电阻由电阻体、保护套管和接线盒等部件组成，热电阻丝是绕在骨架上的，骨架采用石英、云母、陶瓷以及塑料等材料制成，根据热电阻丝的材料、制造工艺、使用温度和测量精度等，骨架可做成不同外形。为了消除电阻体的电感，热电阻丝通常采用双线并绕法。 作为测量温度用的热电阻材料，必须具有以上特点：高温度系数,这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。化学、物理性能稳定，以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。良好的工艺性。以便批量生产、降低成本。 适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍等金属。镍不易提纯和非线性度大的缺点，因而用得不多。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。但用在粮食测温里，它的测温范围较广。而用铜做成的温度感器测温范围小，但精度不高。因此热电阻传感器不适用于本设计。2.1.2 热敏电阻热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。相对于一般的金属热电阻而言，它主要有如下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10100倍；结构简单，体积小，可以测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；阻值与温度变化呈非线性关系；稳定性和互换性较差。大部分半导体热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合；经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。半导体热敏电阻的主要缺点是互换性和稳定性较差、非线性严重，因此本设计不用其作测温传感器。2.1.3 pn结型温度传感器利用在一定电流条件下，pn结的正向电压与温度有关这一特性制成的pn结型温度传感器，其体积小，反应快，而且线性比热敏电阻好得多；把感温晶体管和其外围电路（放大电路、线性化电路等）一起集成在同一芯片上，制成的集成温度传感器，实现了传感器的小型化，克服了分立元件pn结型温度传感器存在的互换性和稳定性不够理想的缺点，而且线性好、灵敏度高，性能比较一致，使用方便，目前已广泛应用于温度测量，控制和温度补偿等方面。受pn结耐热性能和工作温度范围的限制，pn结型和典型工作温度范围是-50+150。根据本题的测温设计要求，pn整型温度传感器正好符合要求。因此，本设计使用的传感器为pn结型温度传感器。2.2 mcs-51系列单片机选择mcs-51系列单片机是intel公司在mcs-51系列单片机基础上推出的较新产品，是目前市场上性能/价格比较高的理想8位机。我们学习并掌握mcs-51系列单片机，对于设计调试、安装和维修带有单片机的智能化电子产品也普遍的指导意义和参考价值。我们知道，mcs-51系列单片机的典型产品是8051，该系列还有8031和8751，本设计决定选用8031，原因在于：8051和8751本身是一个小的微机系统，8031需外加rom才能组成系统，8051生产成本低，适用作大批量产品中的微控制器。8751有片内eprom可由用户里写入修改程序，但价格较贵，一般适用科研或研制产品的样机。8031价格低廉，但必须外接行存贮器rom方可使用，我们在研制开发单片机时，一般希望将程序先放入ram中，以便于修改调试，完成后再固化到eprom中，这样就需要扩展出外ram，在这种情况下，选用8031单片机，同时再扩展片外的rom，这样就不会过多地增加电路的复杂程度，却降低了成本。故此选用8031单片机较为合理。第3章 传感器选择与设计检测传感器应选择测量准确，互换性强，感应范围宽，稳定性高、性能价值比高的产品，选用时尤其要考虑适应在粮仓中长期定点检测。本设计用pn结温度传感器。3.1 pn结温度传感器的工作原理晶体二极管或三极管的pn结电压是随温度变化的。例如：硅管的pn结的结电压，温度能开高1，下降约-2mv，利用这种特性一般可以直接采用二极管或采用三极管接成二极管来做成pn结温度传感器，这种传感器有较好的线性度，尺寸小，是热时间常数为0.222秒，灵敏度高，测温范围-50+150，典型的温度曲线如图3-1所示；有几种pn结温度传感器的外形，本设计采用点式外形。图3-1 pn结温度传感器温度曲线图同型号的二极管或三极管的特性不完全相同，因此它们的互换性较差，通过pn结温度传感器的工作电流不能过大，一般工作电流为100300ma，本电路中采用恒流源供电，但必须有较好的恒流性能，以保证精度。p型和n型半导体接触构成的半导体器件称pn结二极管，具有整流作用，也就是说当p型侧为正电位，n型侧为负电位时，看电流流过（正向偏置）若反向联结，则几乎没有电流流过（反向偏置），若外加正向电压，则台阶高差整个变窄；且仅该部分，空穴由p型一侧注入n型一侧，电子从n型一侧注入p型一侧，故载流子密度增加对电流输运有贡献，与此相反，若外加反向偏置电压v，能量台阶高差变得更高，少数载流子密度减小。利用这种关系可得电流减电压特性为工艺。3.2 p-n结的温度特性集成电路中的二极管多数都是通过集成三极管不同接法而形成的单独p-n结。由于集成n-p-n管be结正向工作电压ube在0.60.7v左右，在同一芯片上各ubs的一致性和温度跟踪都较好，其容差在20mv，匹配公差可控制在1mv，其温度跟踪可做到10v/。1. 对于pn结，当id固定时，ube随温度t变化而变化，其斜率为dube/dt，并随ubs而变化，即斜率是变化的，说明线性度差，只在小范围内满足线性特性。2. ubs与反向饱和电流，is有关，可以看出，is与工艺条件有关。由于半导体工艺的分散性能，当用这种pn做温度检测时，互换性就差。为了得到更好线性度，改善工艺分散性，通常集成温度传感器都采用pn结对管形式。3.3 传感器测温的实现如图3-2，电阻r1r3和pn结组成电桥，其中，pn结正向偏置，电位计r用于调零，电桥输出接运算放大器oa。在一定温度时，pn结两端结电压固定，调节电位计r可使电桥平衡。当环境温度变化（30150）时，pn结两端结电压会随温度上升而下降v。pn结结电压的变化量v通过电桥输出给oa放大器，放大器输出还需经过v放大电路，以输出0v5v的信号电压，满足adc模拟输入端的要求。如图3-3，ic1可选用自稳零高精度运放icl7650或op07芯片，ic2主要用作反相，常用廉价的a741和ca3140等。w1用于调零，w2用于调整放大倍数，ic1输入端的箱位二极管起保护作用，避免输入端故障和瞬态尖峰干扰损坏ic1。由于粮仓温度变化是缓慢的，因此系统未加采样/保持器。图3-2 pn结测温放大电路图3-3 v级放大电路l 传感器布点原则传感器体积小，响应快，能做远距离监测和多点温度测量，且因为pn结传感器把感温部分，放大部分和补偿部分，封装在同一管壳里，性能比较好而且使用方便，但由于pn结受耐热性能和特性范围的限制而且粮食导热系统小，粮堆中各部分的温度可能差别较大，为了及时检测在粮食堆中的各部位的温度变化，所以传感器的布点原则应考虑到下列因素。l 粮仓的规模粮食的仓储容量不小于2500万公斤的大型系统，这样的粮仓应尽量多布一点。粮食的仓容量小的，则少布一些点。l 粮食的种类由于粮食的种类不同则布点的疏密有所不同；例如：水稻、大豆、玉米等，它们的含水量不同，而且种类不同价格不同，价格高的应尽量多布一些点。l 地理位置不同南北温差很大，北方冬季粮堆上都容易形成结顶，而南方的温度较高，这样各种因素都应考虑在内。l 粮库的类型粮库分为专储库和中转库，由于专储库存放时间长因此多布一些点，而中转粮库可适当少布一些点。l 经济性设计任何一个系统，不仅要考虑到实用性，还要考虑到经济性。根据国家粮食储备局文件中规定，立筒仓测温电缆一般沿垂直方向安装，电缆数目应根据仓直径及设备条件确定、简仓直径68米的设置5根，8米以上的适当地增加电缆。根数，每根电缆中的测温传感器的数量应根据简仓的高度确定。点距为15米3米，各点之间设置成等间距，多条电缆在仓内吊装时，应尽可能对称放置，在向阳方向，中心部位和入粮口处要设置测量点，在考虑中心装检测电缆方法时，应注意吊装可能承受的拉力及本身的强度。根据本设计需要及各项指标的要求在设计中采用1212点布点。这样即是在粮仓中放入12根电缆，每根电缆放12个传感器。第4章 8031单片机系统硬件设计4.1 8031单片机的硬件结构4.1.1 8031单片机的硬件结构8031单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（cpu）、数据存储器（ram）、程序存储器（rom/eprom）、并行i/o口（p0口、p1口、p2口、p3口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（sfr）。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是cpu加上外围芯片的传统结构模式。但以各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（sfrspecial function register）的集中控制方式。下面对各功能部件作进一步的说明：（1）微处理器（cpu）8031单片机中有1个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。例如：位处理、查表、状态检测、中断处理等。（2）数据存储器（ram）片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲，标志位等，所以称为数据存储器。128个字节的数据存储器以高速ram的形式集成在单片机内，以加快单片机运行的速度，而且这种结构的ram还可以降低功耗。（3）中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。（4）定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数。为提高单片机的实时控制能力，因而需在单片机内部设置定时器/计数器部件。（5）串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行i/o口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。（6）p1口、p2口、p3口、p0口为4个并行8位i/o口。（7）特殊功能寄存器（sfr）共有21个，用于对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的ram区。由上可见，8031单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是8031单片机cpu中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。8031单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相成，它是单片机技术上的一个突破，这也是8031单片机在设计上的精美之外。4.1.2 8031的引脚8031的引脚如下图4-1所示：图4-1 8031引脚图40只引脚按其功能来分，可分为3类：电源及时钟引脚：vcc、vss;xtal1、xtal2。控制引脚： psen、ale、ea、reset（即rst）。i/o口引脚：p0、p1、p2、p3，为4个8位i/o口的外部设备引脚。下面来介绍各引脚的功能(1)电源及时钟引脚u 电源引脚：电源引脚接入单片机的工作电源。u vcc（40脚）：接+5v电源。u vss（20脚）：接地。u 时钟引脚：两个时钟引脚xtal1、xtal2（x1、x2）外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接晶体振荡器。xtal1（19脚）接外部设备晶体的一个引脚。该引脚是内部反相放大器的输入端，空虚反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。xtal2（18脚）接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。（2）控制引脚此类引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。l rst/vpd（9脚）rst（reset）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应为0.5v低电平。vpd为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。当主电源vcc发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5v电源自动接入rst端，为内部ram提供备用电源，以保证片内ram中的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。l ale（address latch enable/programming,30脚）ale为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ale引脚不断输出正脉冲信号。当访问单片机外部设备存储器时，ale输出信号的负跳沿用作低8位地址的锁存信号。即使不访问外部设备锁存器，ale端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率 的1/6。但是，每当访问外部数据存储器时（即执行的是movx类指令），在两个机器在周期中ale只出现一次，即丢失一个ale脉冲。因此，严格来说，用户不宜用ale作精确的时钟源或定时信号。ale端可以驱动8个ls型ttl负载。如果想判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看ale端是否有正脉冲信号输出。如果有正脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。l psen（program strobe enable,29脚）程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出的负脉冲作为读外部程序存储器的选通信号。此脚接外部程序存储器的oe（输出允许）端。psen端可以驱动8个ls型ttl负载。如要检查一个8031单片机应用系统上电后，cpu能否正常到外部设备程序存储器读取指令码，也可用示波器查psen端有无脉冲输出，如有则说明单片机应用系统基本工作正常。l ea/vpp（enable address/voltage pulse of programing,31脚）ea功能为内外程序存储器选择控制端。当es端为高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在pc（程序计数器）值超过offffh时将自动转向执行外部在程序存储器内的程序，当保持低电平时，则只访问外部设备程序存储器，不论是否有内部程序存储器。对于8031来说，因其无内部程序存储器，所以该脚必须接地，这样只能选择外部设备程序存储器。(3) i/o口引脚p0口：双向8位三态i/o口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个ls型ttl负载。p1口：8位准双向i/o，可驱动4个ls型ttl负载。p2口：8位准双向i/o，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个ls型ttl负功。p3口：8位准双向i/o，双功能复用口，可驱动4个ls型ttl负载。p1口、p2口、p3口各i/o口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向i/o口作输入口合用时，要向该口先写“1”，另外准双向i/o口无高阻的“浮空”状态。p0口线内无固定上拉电阻，由两个mos管串接，即可开漏输出，又可处于高阻的“浮空”状态，故称为双向三态i/o口。至此8031单片机的40只引脚已介绍完毕.4.2 a/d转换设计 icl7135简介（1）icl7135的结构和引脚icl7135为4位半双积分a/d转换器，具有精度高（相当于14位二进制数）、价格低的优点，而且和8031连接方便。icl7135的引脚如图4-2所示：图4-2 icl7135引脚图各引脚功能如下：l intout：积分器输出端。l sxin：调零输出端。l bufout：缓冲放大器输出端。l refcsp-及refcsp+：外接基准电容cref。l inlo：信号输入端（低端）。l inhi：信号输入端（高端）。l v+：正电源输入端，通常为+5v。l clk：时钟输入端。工作于双极性情况下，时钟最高频率为125khz，这时转换速度为3次/秒左右，如果输入信号为单极性的，则时钟频率可增加到1mhz，这时转换速率为25次/秒左右。l busy：积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）busy输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。l pol：极性输出端。当输入信号为正时，pol极性输出高电平；输入信号为负时 ，pol极性输出为低电平。l overrange：过量程标志输出端。当输入信号超过转换器计数范围（2000）时，overrange输出高电平。l underrange：欠量程标志输出端。当输入信号读数小于量程的10%或更小时，该输出端输出高电平。l strobe：数据输出选通脉冲，宽度为时钟脉冲宽度的1/2，一次a/d的转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低们的bcd码数据输出，可由该信号把数据存入到并行接口中去，供cpu读run/hold：启动a/d转换控制端。该端接高电平时，7135为自动连续转换，每隔40002个时钟完成一次a/d转换；该端为低电平时，转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲后（大于300ns）启动7135开始另一次转换。l b8、b4、b2、b1：bcd码数据输出线。l d5、d4、d3、d2、d1：bcd码数据的位驱动信号输出端，分别选通万、千、百、十、个位。（2）元件参数选择为使icl7135工作于最佳状态，获得最好的性能，必须注意对外接元器件的选择。典型的icl7135外部元件接线方法如图4-3所示。r12为积分电阻，应选择精密电阻。积分电阻是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，充电电流的常规值为20a。积分电阻的精确值可由下式4-1-1得到：r12=满量程/20a （式4-1-1）c10为积分电容。积分电容和电阻的乘积由给定的最大电压波动选择，最大电压波动不超过积分器允许的波动范围（接近正负电源的0.3v）。满量程积分输出电压波动值扩展在3.54v的电压范围较为理想。积分电容大小由下式4-1-2计算：c10=10000时钟周期iint/积分输出电压波动值= 10000时钟周期20a/积分输出电压波动值 （式4-1-2）积分电容的一个很重要的特性是当它只有很小的介质吸收系数时，才可阻止过翻转，通常选聚丙烯电容器或聚碳酸脂电容器用作积分电容。自动调零电容c10的大小对系统的噪声有某些影响，选用较大容量的电容可以减少噪声，典型值为1f。积分输出端串接一个二极管和电阻是为了消除rollover误差。图4-3 icl7135的外接元件图 常规方法使用icl7135存在的问题icl7135输出定时波形如图4-4所示：200clk万 千 百 十 个0.50.40.30.20.1图4-4 icl7135输出定时波形图icl7135工作时，当r/h脚为“1”，7135处于连续转换状态，每40002个周期就完成一次a/d转换，转换结果（实际是上一次的结果）以4位二进制形式的bcd码输出（d，d4，d2，d1），并同时送出各位的位同步选通信号d5，d4，d2及d1。a/d转换的结果是以动态扫描方式输出的，即当位选信号d5=“1”时，b8，b4，b2及b1这4个信号对应万位；当d4=“1”时，b8，b4，b2及b1是千位，其余依次类推。目前人们最常用的一种方法是，利用数字输出选通信号产生的负脉冲作为a/d转换的结束信号，向cpu提出中断请求。在中断服务程序中，首先判断最高位的位选信号d5是否有效，若无效就等待；当d5有效后时出现在数据线“1”bcd码数据读入内存作为万位。接下来再判千位的位选脉冲d4是否有效，无效等待，直到d4有效将读入的数据作为千位，其余依次类推，所有5位数读完后，中断返回。由于每个位选脉冲宽度为200个时钟周期，若采用时钟频率为100khz,则完成一次中断服务程序大约需10ms,降低了cpu的工作效率。由于该温度控制系统中还有pid算法、参数键入，led显示及与pc通信，此外中断服务程序执行时间过长及读入icl7135的信号需要占用较多的i/o口线，这种按常规方法使用icl7135是不可取的。 icl7135与8031单片机接口的新方法4位半双积分型a/d转换器icl7135，因其廉价并具有多重动态扫描的bcd码输出和20000个数之内1位的精度，在低速高精度的数字测量仪表中应用非常广泛。由于器件本身的特性决定了其转换速度不是很快，当它与快速微处理器联接时，若采集数据的程序花费过多的时间，会影响到整个系统的工作效率。本设计在系统中采用了7135与单片机8031接口的简易方法，不但接口简单，而且大大缩短了采样程序时间，在实际应用中取得了很好的效果。icl7135每一个转换周期分为3个阶段：自动调零、被测电压积分以及以基准电压vr进行反积分。7135a/d转换状态输出端（busy）及积分器输出端（int）。 icl7135的电源icl7135工作是需要5v电源，而icl7660能产生-5v电源供给icl7135。icl7660是a/d、d/a转换器、运算放大器、模拟开关等是很多电子设备及仪器必不可少的器件。它们工作时，除了需要正电源外，大多还需要负电源，而一些电子设备，有时限于条件（主要是出于功耗、体积、重量等方面的考虑），为这些芯片再提供一个负电压有困难。为解决这个矛盾，intersil公司推出了一种型号为icl7660的通用型集成负直流电压变换器，它的外围电路十分简单，工作时只需外接两个电容器就能将1.510.0v范围的正电压转换为相同幅值的负电压，能很好地满足上述芯片需正负电源的要求。icl7660的使用不仅能节省费用、降低功耗，而且还能减小产品的体积和重量。icl7660的管脚排列如图4-5所示：图4-5 icl7660的引脚它包括串联电压调整器、rc振荡器、电平转换器、逻辑控制网络以有4个输出mos功率开关，它的工作原理与通常用555时基电路构成的电压变换器相同，逻辑控制网络和电平转换器一起保证两个n沟道的mos功率开关的衬底相对于各自的源极始终为反向偏置。由于采用了mos功率开关避免了使用二极管所造成的电压降，因而电压转换效率比普通变换器要高得多，空载时达99.9%，在负载电流以为25ma时，功率转换效率达98%。如果用一个电容器将osc端与v+端相连，或用一个外部时钟对osc端过驱动，能降低或增大芯片内部振荡器的频率，而改善它的噪声特性。c+、c-端外接电容器，如果外接电容器是有极性的，则正极接c+端。lv端在v+接低压时（1.53.5v）接地，将它内部的串联电压调整器旁路，可改善icl7660的低压工作特性。当v+接高压时（3.510v），lv端必须悬空，以防器件闭锁或损坏。4.3 多路开关的设计多路开关又称多路转换器，是用来切换模拟电压信号的关键元件。在微型机测量及控制系统中，往往需要对多路或多种参数进行采集和控制。由于微型机的工作速度很快，而被测参数的变化比较慢，所以，一台微型机可供十几几十个回路使用。但是，微型机在某一时刻只能接收一个通道的信号，因此，必须通过多路开关进行切换，使各路参数分时进入微型机。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。在以前的数控系统中，大多采用干簧（或湿簧）继电器，由于这类开关结构简单，关闭时接触电阻小，而断开接点时阻抗高，工作寿命长，且不受外界环境温度的影响，所以应用比较广泛。近年来，随着大规模集成电路的发展，厂家已推出各式各样的半导体集成电路多路开关。这种多路开关具有切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠等特点，因此在计算机控制系统中被广泛采用。本设计用的多路开关是cd4052，4052是双四路模拟开关。它有二根二进制的控制输入端和一根禁止输入端inh（主电平禁止）。片上有二进制译码器，可以由a、b二个二进制信号同时选通x和y中的一个通道，使输入和输出接通，而当inh为高电平时，不论a、b为何值，都不导通。图4-6为4052的引脚图，表4-1为4052的真值表。图4-6 4052引脚图表4-1输入状态接通通道inhba0000x，0y0011x，1y0102x，2y0113x，3y1均不接通4052有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为3-15v，模拟信号峰峰值为15vp-p。由于这种开关的引出端除了有电源vdd和vss端以外，还设有另一组外电源端（vee端），以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的cmos电路（或其他逻辑电路）所提供的数字信号能直接去控制这种多路开关，并使多路开关可传输峰-峰值v（pp）达15v的交流信号。若多路开关的供电电源vdd5v，vss0v，以及当vee5v时，只要对此多路开关施加05v的数字控制信号，就可去控制幅度范围为5v到5v的模拟信号。因为本设计是进行1212个点的巡回检测，在设计中用到了6片4052。其中三片用于选层，剩下的三片用于选点，4052的选通由两个74hc139译码器完成。从74hc273型触发器出来的数字信号可以选通每个片的每个通道。当层选通以后依次选通12个点。多路开关的设计通常存在一些问题，例如导通电阻的影响和抖动引起的误差。多路开关的导通电阻ron（一般为数10至1左右）比机械开关的接触电阻（一般为量级）大得多，对自动数据采集的信号传输精度或程控增益放大的增益影响较明显，而且ron通常随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化，因而其影响难以进行后期修正。实践中一般是设法减小ron来降低其影响。提高vdd的同时应相应提高选通控制端a、b、c的输入逻辑电平。例如：取vdd12v（veeov），可采用电源电压上拉箝位的方法，上拉电阻的阻值到1.5以上，使选通控制端信号的有效高电平不低于6v。既保证cd4052理想导通电阻（ron小），又实现了cmos电平与ttl电平的转换（p一般为ttl电平）。根据具体情况，适当提高多路开关的电源电压，是降低其ron影响的一种有效措施。此外，适当提高电源电压，还可以同时减小导通电阻路差ron和加快开关速度。4.4 存储器的设计8031内无程序存储器。而且片内ram的容量不够。所以本设计要进行外部存储器的扩展。8031单片机外部存储器结构，采用的是哈佛结构，即程序存储器的空间和数据存储器截然分开。分别寻址的结构。4.4.1 程序存储器2764n 2764芯片的引脚（图4-7）功能如下：图4-7 2764的引脚图a12a0：地址线引脚。地址线引脚的数目由芯片的存储容量来定，用来进行单元选择。d7d0：数据引脚ce：片选输入端oe：输出允许控制端pgm：编程时，加编程脉冲的输入端vpp：编程时，编程电压（12v或25v）输入端vcc：5v，芯片的工作电压。gnd：数字地。nc：无用端n 2764芯片的工作方式2764一般都有5种工作方式，由ce、oe、pgm各信号的状态组合来确定。5种工作方式如表4-2所示：表4-2 eprom的5种工作方式引脚方式ce/pgmoevppd7d0读出低低5v程序读出未选中高5v高阻编程正脉冲高25v（或12v）程序写入程序校验低低25v（或12v）程序读出编程禁止低高25v（或12v）高阻（1） 读出方式一般情况下，2764工作这种方式。工作在此种方式的条件是使片选控制线ce为低，同时让输出允许控制线oe为低，vpp为5v，就可将2764中的指定地址单元的内容从数据引脚d7d0上读出。（2） 未选中方式当片选控制线ce为高电平时，芯片进入未选中方式，这时数据输出为高阻抗浮状态，不占用数据总线。2764处于低功耗的维持状态。（3） 编程方式在vpp端加上规定好的高压，ce和oe端加上合适的电平（不同的芯片要求不同），就能将数据线上的数据写入到指定的地址单元。此时，编程地址和编程数据分别由系统的a12a0和d7d0提供。（4） 编程校验方式在vpp端保持相应的编程电压（高压），再按读出方式操作，读出编程固化好的内容，以校验写入的内容是否正确。（5） 编程禁止方式 本工作方式输出呈高阻状态，不写入程序。4.4.2 数据存储器62646264的各引脚（图4-8）功能如下：图4-8 6264的引脚a0a12：地址输入线。d0d7：双向三态数据线。ce：片选信号输入线，低电平有效。对于6264芯片，当26脚（cs）为高电平时，且ce为低电平时才选中该片。oe：读选通信号输入线，低电平有效。we：写允许信号输入线，低电平有效。vcc：工作电源5v。gnd：地线。静态ram存储