C51单片机在蓝宝石光纤瞬态高温传感器中的应用.doc

清华大学2012届毕业设计说明书 毕业设计说明书C51单片机在蓝宝石光纤瞬态高温传感器中的应用作 者: 学 号： 学院(系): 专 业: 指导教师: 评阅人: 2012年6月C51单片机在蓝宝石光纤瞬态高温传感器中的应用摘要： 由于目前的高温测量需求向高温化（测温无上限）、瞬态化、高灵敏度化和稳定化发展，而使用以往的比较成熟的热电偶测温方法很明显已经达不到现代高温测试的要求。主要是由于热电偶响应时间慢、受电磁干扰较大、无法在高压和腐蚀环境进行稳定的工作，而且其测温上限也已经受到限制。近年来由于材料科学和加工工艺学的发展，蓝宝石光纤瞬态高温传感器的传感技术有了快速的发展和广泛的应用。使用C51单片机创建温度检测系统，该系统基于Plank黑体辐射定律，分析了系统工作原理。将已标定过的蓝宝石光纤温度传感器同时置于乙炔焰热源所形成的恒温区域中进行静态标定，结果表明，测量范围从1200到2000，测量不确定度(精度)为1，获得温度传感器的动态响应曲线，其时间响应达30ms，并且重复性非常好。本单片机设计包括时钟电路，电源电路，复位电路，显示电路，并且对单片机进行了C+程序设计。关键词：C51单片机，蓝宝石传感器，红外测温仪The use of sapphire fiber transient high temperature sensor C51 MCUAbstract： As the current demand for high temperature measurement to high temperature (temperature limit) transient, high sensitivity and stable development of more mature past the thermocouple method is obviously not a modern high-temperature testrequirements. Thermocouple response time is slow, subject to electromagnetic interference, and can not work stable at high pressure and corrosive environments, and the temperature upper limit has been restricted. In recent years, due to the development of materials science and processing technology, the transient high temperature sensor in sapphire fiber-optic sensor technology has been rapid development and wide application. Create a temperature detection system to the C51 MCU.The system is based on the Plank blackbody radiation law, the system works. Sapphire fiber temperature sensors have been calibrated at the same time placed in a region of constant temperature heat source of the formation of the acetylene flame static calibration results show that the measuring range from 1200 to 2000 , the measurement uncertainty (precision) to 1 C, to obtain the temperature the dynamic of the sensor response curve, its time to respond to up to 30ms, and very good repeatability. The single-chip design, included clock circuit, power circuit, reset circuit, display circuit, and C + + programming microcontrollers.Keywords： C51,Sapphire-fiber temperature sensor, Infrared themometer 清华大学2012届毕业设计说明书目 录1 引言12 方案设计22.1 传感器工作原理22.2 标定系统组成22.3 K值标定原理22.4 K值的计算33 硬件电路设计63.1 单片机模块设计63.1.1 AT89C51简介63.2 复位电路73.3 时钟电路83.4 电源电路93.5 显示电路模块93.5.1 ADC 0809的应用93.5.2 显示电路134 主程序设计简介155 结论20参考文献21致谢23 第 页 共 页1 引言 高温区（800-2000K）的精确测量已成为科学研究和工业生产中的重要课题，蓝宝石光纤温度传感器是一种重要的高温测量工具，通过实验标定建立传感器温度-电压关系，可以还原出准确的被测温度。本设计以AT89C51单片机为控制核心，通过硬件电路的制作和软件程序的编制，实现一个温度测试系统。经过ADC0809转换为数字信息，由AT89C51单片机对采集的数据进行处理。在后向通道对所采集的数据，通过四位的LED八段数码管把温度实时地显示出来。该系统结构简单，精度高，为高温传感器的标定工作奠定了基础。C51是一种在MCS51系列单片机上使用的C语言。相对于汇编语言，C51具有很强的语言表达能力和运算能力，而且可移植性很好。在单片机上用C编写程序，可以有效地提高程序员的工作效率。过去，由于单片机硬件系统运算速度慢，存储器资源少，而实现同样功能的C语言程序，其占用的存储器空间比汇编语言大很多，耗费的时间比汇编语言长很多，使用C语言比较困难。近年来，单片机的运算速度大大提高，存储器的价格大幅降低，而在专业人员的不断努力下，C51编译软件功能增强，使得C51机器码占用的存储器空间缩小，运算速度加快，在单片机系统中使用C51进行程序设计得以实现。2 方案设计2.1 传感器工作原理 由于本设计是测温电路，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，然后把数字信号发送显示电路上，就可以将被测温度显示出来，虽然这种设计需要用到A/D转换电路，但是编程简单。由于测量温度范围宽，可以测量8002000，此温度属于高温范围，符合设计要求。 蓝宝石光纤黑体腔温度传感器是将接触式和辐射式测温相结合，以黑体辐射理论为基础，通过测定物体的辐射强度，得到辐射体的亮度温度。该传感器在单晶蓝宝石光纤的一端镀制一层氧化锆陶瓷薄膜形成黑体腔探头，并用耐高温不锈钢制作蓝宝石光纤外壳。实验时将探头放入被测温度场中，由黑体腔快速感知热量，并辐射出光信号，辐射信号经蓝宝石光纤传输至传光光纤，通过中心波长为850nm的干涉滤光片，再由SSPM（固态光电倍增管Solid-state Photomultiplier）接收，最后经信号处理电路输出。图2.1 传感器的组成2.2 标定系统组成标定系统的热源采用了今典氢氧焊机，氢氧焰机火焰温度可达2800，并且其燃烧后的产物为水蒸气，被加热物表面纯净，无残留物，不与黑体腔膜层发生化学反应。数据采集卡采用PCI20612，可进行四通道同步采集，输入信号带宽0Hz7MHz，采样频率最高20MHz，采用高精度12-bit A/DADS807E，功耗低，信噪比高。标准测温仪采用了IRCON公司的Modline3型红外辐射温度计，其可测最小目标直径为0.3mm，有效光谱为0.71.08um，响应时间为0.0160s，温度测量范围为10003000，输出010V的电压信号，精度为满量程的0.6%，即误差18，分辨率0.1；已使用标准高温黑体炉对该辐射测温仪进行过校准。2.3 K值标定原理根据普朗克黑体辐射定律，当被测温度场温度为T时，黑体腔的单波长辐射量为： （1）c1,c2为第一、第二辐射常数。假设干涉滤光片的光谱响应函数为f()，滤光片的中心波长为0，带宽为，光电探测器的光谱响应函数为D()，考虑到更一般的情况设传感头的单色发射率为A（），光信号在光纤中的传输损耗为（），那么辐射光信号经光纤传入光电探测器后输出的电压为： （2）式中K为转换系数，R(T)为传感器的辐射通量。当干涉滤光片的带宽很窄时可以假设：,，,则，由此式可以得出K是一个与温度无关的常数，它取决于黑体腔的形状和腔口的面积、辐射信号在光纤中传输的损耗、光纤与探测器和黑体腔的耦合损耗、光电探测器的灵敏度和跨阻放大器的放大倍数等因素，因此只需在单一恒定温度点下标定即可测出K值。图2.2 K值标定系统2.4 K值的计算标定工作选择在暗室环境中，温度16，环境湿度为68RH。首先将红外辐射测温仪有效测温视场瞄准传感器光纤探头，测温仪的输出连接至数据采集采卡通道1，被校准传感器输出连接至数据采集卡通道2；然后将被校传感器置于由三抓喷头加热的恒温区进行标定。加热时需要固定喷头的方向，并严格控制火焰枪喷头与传感器的距离以及喷头的气流速度，才能在一定程度上达到恒温。数据采集卡开始采集后，点燃氢氧枪，加热传感器探头，一定时间后传感器探头表面达到恒定温度，关闭氢氧枪。此时，采集卡同步采集到两路信号，并经电脑显示，得到表2.1，以红外辐射测温仪的温度为基准，由此得到静态特性参数K。表2.1 K值的计算时间（S）V(T)（mV）U（V）T（）K106（VM2/W）16.25-644.84.4721894.597.36216.75-639.94.4771895.496.29817.25-649.74.4871897.097.16717.75-635.04.4721894.597.36218.25-654.64.4381887.6101.3518.75-649.74.4961899.396.35819.25-659.44.4301886.1102.6519.75-639.94.4231884.8100.07平均值98.578 选定K值为98.578106（Vm2/W），根据公式（1）和（2），得到蓝宝石光纤温度传感器的输出电压与被测温度场温度的关系，拟合曲线如图2.3所示。图2.3 传感器温度电压曲线3 硬件电路设计3.1 单片机模块设计电源电路时钟电路AT89C51显示电路复位电路 图3.1 单片机模块方框图3.1.1 AT89C51简介 AT89C51是美国ATMEL公司生产低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，是一种功能强大的微型计算机，广泛应用与各种控制领域。其功能引脚图如图3.2所示。AI89S51的主要性能参数如下： 与MC-51产品指令系统完全兼容；4K字节的在线编程ISP Flash闪速存储器；1000次可擦写周期；4.0-5.5电压工作范围； 全静态工作模式：0-33M； 三级程序加密锁； 1288字节的内部RAM；32个可编程的I/O接口； 图3.3 AT89C51实物图图3.2 AT89C51的功能引脚图3.2 复位电路 复位就是使中央处理器(CPU)以及其它功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位，因此复位电路是单片机系统中必不可少的三要素之一。单片机的复位靠外部电路实现，信号由RST (RESET)引脚输入，其复位电路由两种：一是上电复位，二是手动和上电复位两种组合（按键复位）。本设计系统采用的手动和上电复位，如图3.3所示。当按下按键时单片机复位，此时RST处于低电平(即低电平复位），单片机从PC指针0000H 开始读程序。因晶振采用12MHz，所以C1为10uF，R1为8.1k。图3.4 复位电路电路图3.3 时钟电路 单片机执行指令的过程就是顺序地从ROM程序存储器中取出指令，一条一条的顺序执行，然后进行一系列的微操作控制，来完成各种指定的动作。它在协调内部的各种动作时必须要有一定的顺序，换句话说，就是这一系列微操作控制信号在时间上要有一个严格的先后次序，这种次序就是单片机的时序。单片机的时序电路有两种：一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。而本系统采用的是内部时钟方式，如图3.4所示。其外接晶振采用12MHz，电容C1、C2采用30pF，此时的机器周期的1us。 图3.5 时钟电路电路图3.4 电源电路 电源模块给单片机系统和其它模块供电。因为AT89C51单片机的工作电压范围宽，对电源稳定性要求不高，故采用串联型稳压电路。经变压器变压、整流、滤波、稳压得到所需的电压+5V，其中采用三端稳压器W7805。其+5V电源电路图如图3.6所示。图3.6 电源电路电路图3.5 显示电路模块3.5.1 ADC 0809的应用 ADC0809是一种8位逐次逼式的A/D转换器。其中由8路模拟开关地址锁存器和译码器比较器256电阻阶梯树状开关逐次逼近式寄存器SAR控制电路和三态输出锁存器等组成。模拟输入部分有8路多路开关，可以3位地址输入ADDAADDBADDC的不同组合来控制，ALE 为地址锁存器信号，高电平有效，锁存三条地址输入信号。主体部分采用逐次逼近式A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工作，START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部A/D 转换，当转换完成，EOC 信号有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器，并把转换的数据送给DB。 图3.7 AD0809 引脚功能示意图 图3.8 ADC0809实物图 模拟输入端Ini 示意：图3.9 两种输入方式其中，通道地址线为ADDA-ADDC的连接。多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用： 简单接口芯片74LS273，74LS373等（各占用一个I/O地址） 可编程并行接口8255（占用四个I/O地址）。图3.10 简单接口和并行接口数据输出线D0-D7的连接方式有两种，可直接连到DB上，或通过另外一个输入接口与DB相连；两种方法均需占用一个I/O地址：图3.11 数据线两种连接方式ALE和START端的连接：一个为独立连接，用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线；另一个为统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换只需占用一个I/O端口或一个I/O线。图3.12 独立连接和统一连接图3.13 应用举例一图3.14 应用举例二3.5.2 显示电路 显示模块由串口输入电路和显示器组成。从P3口RXD、TXD串口输出段码，段码经过送入显示器的输入端，显示器采用八位的LED 数码管，其显示采用动态扫描显示的方式。动态扫描的输出端有P2.0P2.3输出。图3.15 显示电路电路图4 主程序设计简介 由光电探测器输出的电信号首先要经过放大处理，再进入A/D转换器。单片机接收A/D转换器输出的数字信号，并计算两路信号强度的比值。由于在光纤测温系统中，信号强度比值与温度之间为非线性关系，所以先要根据系统参数计算比值与温度的对应值，列表存入存储器内，实际测量时根据计算出的比值进行查表，就可以得到相应的温度。显示器输出测量温度，现场总线接口设备用于实现测温仪表与控制网络的通信。图4.1 主程序流程图主要程序段如下：#include #include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code DSY_CODE=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; float code voltage=4.423,4.430,4.438,4.472,4.472,4.477,4.487,4.496int code temperature=1884,1886,1887,1894,1894,1895,1897,1899sbit CLK=P13;sbit ST=P12; sbit EOC=P11; sbit OE=P10; void main() int vol,temp; TMOD=0x02; TH0=0x14; TL0=0x00; IE=0x82; TR0=1; P1=0x3f; while(1) ST=0;ST=1;ST=0; while(EOC=0); OE=1; While(i=0,i+,i=7)vol=P1; if(fabs(vol-voltagei)=fabs(vol-voltagei+1&fabsfabs(vol-voltagei)=fabs(vol-voltagei-1)temp=temperturei;P3=temp; Display_Result(P3); OE=0; void Display_Result(uchar d) P3=0xf7; P0=DSY_CODEd%10; DelayMS(5); P3=0xfb; P0=DSY_CODEd%100/10; DelayMS(5); P3=0xfd; P0=DSY_CODEd/100; DelayMS(5); void Timer0_INT() interrupt 1 CLK=CLK; 整个设计系统主要电路连接图如图4.2所示。图4.2 总电路电路图5 结论本次毕业设计的核心是使用C51单片机对蓝宝石瞬态高温传感器采集的电压信号进行处理。经过一个放大电路后，单片机把得到的一个模拟电压量经过A/D转换后变成一个数字电压量，并与K值标定所得出的数据进行比较，在比较电压之后最终确定所测的未知温度。在这次设计过程中，我对主要电路进行了设计，并且编写了主要程序，最终完成了本次毕业设计。 反反复复的学习，辛勤努力有了回报，终于做出了一个简单的系统，虽然这个系统的功能非常的简单，而且在实际的运用中，还有些不足。比如断电后不能工作等问题。由于知识浅薄，经验不足及阅历颇浅，因此，在该系统的设计方面还有很多不足，比如功能不够完善，界面不够醒目等问题，会在工作的使用过程中，根据工作的具体要求不断的修改，完善，争取使该系统慢慢趋向完美，并希望老师批评指点。 参 考 文 献1王高、周汉昌、李仰军蓝宝石光纤瞬态高温传感器技术研究传感器世界，2004年第10卷第12期2胡汉才单片机原理及系统设计北京：清华大学出版社，20023沈永行、叶林华、董利民蓝宝石光纤与光纤高温传感器浙江大学物理系 ，杭州，31100274李伟、郝晓剑、周顺昌基于蓝宝石光纤的黑体腔瞬态高温传感器设计光电技术应用2010年第05期5潘保武、郝晓剑、李伟等SSPM在蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温传感器中的应用中北大学学报（自然科学版）2011年第32卷第5期6WENG J Y,COHEN P,HEMION M.Camera calibration with distortion model and accuracy evaluation,IEEE Trans on PAMI,1992,14(10):965-9807罗亚非等编著凌阳16位单片机应用基础北京：北京航空航天大学出版社出版，2005年5月第一版8者明礼、王俊强基于单片机的宽范围高精度光纤传感测温仪的研制电子技术应用，2001-07-18：19219Slaman M,Kraner J.Distributed Systems and Comptuer NelWorks UK:Prentice-Hall Inc,1985:20-15210柳长源蓝宝石光纤温度传感器的非线性误差分析与校正应用科技2004年07期 11R.R.Dils.High 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