窑炉温度自动记录系统设计

SHANDONG毕业设计说明书窑炉温度自动记录系统设计学 院： 电气与电子工程 专 业： 自动化 学生姓名： 苏本福 学 号： 0812107021 指导教师： 解红军 20 12 年 6月摘要摘要随着现代经济的进一步发展，一种新型的无纸记录仪越来越受到人们的青睐和大量使用，以前的自动测量仪需要有纸张来打印记录出温度的曲线，比较浪费人力和纸张钱财；为满足陶瓷等行业客户的需求，现在的这种新型的记录仪不需要纸张，直接隔一段时间自动将温度测量出并存储出来，人们可以方便的进行查询过去任意一个时刻的温度值，从而找出出错点，及时调整。根据设计要求，整体的电路，包括热电偶温度传感电路，室内温度检测电路，放大电路，A / D转换电路，单片机电路，键盘电路和LED数码显示电路，热电偶温度传感电路对应的方式实现自动温度测量，专门由微控制器的电路容量存储器存储温度控制。 MCU总线和时钟电路相连的LED数码管显示和键盘电路有足够的石英晶体振荡器和分频器，后解码器驱动显示器，准确显示时间，整个电路由直流电源供电。 整个电路可实现炉内温度测量记录，时钟显示和数据查询。陶瓷行业的及时记录温度，窑，方便人们查询和调整炉内温度，这是保证产品质量的关键。关键词：89S52 ，LED显示, A/D转换, 温度检测- 35 -AbstactAbstractWith the further development of the modern economy, more and more people prefer use a new paperless recorder, the automatic measuring instrument before need the paper to print the temperature curve recorder out , such a waste of manpower and paper money; to meet the needs of customers who worker on ceramics and other industries Now there is a new type of recorder do not need paper, Directly measure temperature and store it at regular intervals, people can easily query the temperature of any value at any time in the past and to find an error point, so they can adjust in time.According to design requirements, the overall circuit including the thermocouple temperature sensing circuit, the temperature detection circuit, amplifier circuit, A / D converter circuit, microcontroller circuits, keyboard circuit and LED digital display circuit, the thermocouple temperature sensing circuit Correspond to a amplifier to realize the automatic temperature measurement. There is a dedicated memory to store the temperature value in the circuit, it has a large capacity. Microcontroller connect with LED digital display circuit and the keyboard circuit by bus .And the quartz crystal oscillator and divider composed of the clock circuits , it through the decoder driver monitor accurately display the time, the entire circuit is supplied from the DC power .The entire circuit can achieve the purpose of record and measure the furnace temperature, the clocks display and data query. Record the furnace temperature of Ceramic industry and other in time, so it is easy for people to check and adjust the temperature, which is critical to ensure the quality of products.Key words: 89S52, LED digital tube, A / D converter circuit, temperature sensing目录目录摘要IAbstractII目录III第一章 引言11.1 课题的背景和意义11.2 国内外仪器仪表行业发展现状31.3 本设计的主要内容4第二章 系统总体设计方案62.1 系统的设计要求及原则62.2 系统总体方案的选择72.3 系统组成72.3.1硬件设计72.3.2 软件设计9第三章 硬件设计103.1 单片机103.2 温度传感器的确定及电路设计113.2.1 环境温度传感器113.2.2热电偶温度传感器123.3测量放大电路153.3.1集成测量放大器AD521153.4 A/D转换器173.5数据存储器设计183.5.1 DS13B20工作原理183.6 实时时钟的设计203.6.1 DS1302工作原理203.显示和键盘电路的设计213.7.1 键盘模块设计213.7.2 显示模块设计223.7.3 74LS164工作原理253.8 电源电路设计26第四章 系统软件设计284.1主程序流程图284.2实时时钟DS1302284.3 静态显示子程序324.4 A/D转换34结论36参考文献37致谢39附录40第一章 引言第一章 引言1.1 课题的背景和意义当今世界已经进入信息时代, 信息技术成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。以现场总线为主的智能化仪器仪表与自动化控制系统无疑是信息化带动工业化的最主要技术手段。从工业自动化仪表尤其是工业现场仪表的智能化、高精度化、总线化、网络化的发展进程, 不难看出计算机技术对现代自动化仪表技术的发展起到了十分积极的促进作用, 计算机网络与工业局域网的融合又大大丰富和发展了现代自动控制技术。因此, 现代自动化仪表的智能化技术不但改善了仪表本身的性能, 还影响到了控制网络的体系结构, 它不再是功能单一的固定结构, 其适应性越来越强, 功能也越来越丰富。相信新一代的智能化仪器仪表将在计算机网络技术支持下, 在各行各业得到越来越广泛的应用。信息技术的进步推动了工业自动化仪表与控制系统的向前发展, 近年来, 计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及, 导致了仪表的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化, 形成了一类具有普通仪表的基本功能,又有一般仪表所没有的特殊功能的高档低价仪表。工业自动化仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表; 全面扩大服务领域, 推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化, 完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变。自动化仪表与控制系统的技术发展在数字化、智能化和网络化技术的支持下呈现出高可靠性、多功能和高适用性的发展趋势。温度是在工业、农业、国防和科研等部门中应用最普遍的被测物理量。有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中位居首位，约占50%左右。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。因此，温度测量在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着国内外仪表技术的越来越成熟，随着计算机的普及和广泛应用，温度记录仪的分类也越来越多。记录仪根据打印种类来分：分为温度无纸记录仪和温度有纸记录仪，无纸记录仪可通过U盘或CF卡来转存记录仪中的数据，再到电脑上，通过显示器来显示出记录的曲线和数据；而有纸记录仪可直接在现场打印出记录的数据，但是这个耗纸比较厉害，一般这些纸张都需要从厂家购买，一年的耗纸量就达到几千元 甚至上万元，所以，随着科技的发展和人们环保观念的增强，有纸记录仪将逐渐的被无纸记录仪给取代。无纸温度记录仪的产生，因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，和更节约的设计理念，近些年来所占市场份额逐年猛增；近两年推出的带u s b接口的无纸记录仪更是极大的方便了数据的下载和保存。作为热能转换设备，工业窑炉广泛应用于建材、冶金、化工、电站等诸多领域，其运行质量对生产效率、产品质量、能源消耗、环境污染等有直接影响。温度是影响窑炉产品质量的关键因素，高温窑炉的温度测量是一个极其重要的研究课题，它对于研究和控制产品质量的稳定性、经济性都有着重要的意义。必不可少的设备之一。在生产过程中，窑炉内各点的温度是否能保证在规定的工艺要求的范围内，将对产品、工件的质量、降低能耗以及提高生产效率和经济效益都会产生重要的影响，而且随着整机度的提高和元器件的微型化、复杂化在各种工业过程中对温度工艺的要求越来越高。这就需要一种可移动的温度数据采集仪器，可以连续追踪窑炉温度。窑炉温度追踪仪(可移动式温度数据采集记录仪)就是在这种情况下提出的。1.2 国内外仪器仪表行业发展现状测试仪器作为测试测量行业发展不可或缺的工具，在测试测量行业的发展中起到了巨大的作用。中国“十一五”期间，由于国家不断增加基础建设的投入力度，在旺盛市场需求的带动下，对仪器需求不断增加，同时测试仪器市场也正在快速发展。 全球测试仪器市场情况及分析 国内电子测量仪器行业在经过一段沉寂后，慢慢开始复苏。产品大幅增长主要有两个原因，一是市场的巨大需求，特别是通信、广播电视市场的巨大发展，引发了电子测量仪器市场的迅速增长，二是电子测量仪器行业近几年迅速向数字化、智能化方向发展，推出了部分数字化产品，因而在若干个门类品种上取得了较快增长。从近期中国仪表行业发展的情况来看势头喜人的，与全国制造业一样，虽然遇到了不少困难但仍然保持了向上发展的态势。 尽管中国仪器市场正在快速的发展着，但与国外仪器生产企业比较仍然有很大的差距。中国主要科研单位、学校以及企业等单位中使用的高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口。同时，国外公司还占有国内中档产品以及许多关键零部件市场60%以上的份额。世界测试仪器市场对中国的影响依然非常大。目前，在世界电子测量仪器市场上，竞争日趋激烈。以往，测试仪器生产厂商主要都将仪器产品的高性能作为竞争优势，厂商开发什么，用户买什么。而今则已变成厂商努力开发用户需要的仪器，并且把更便宜、更好、更快、更易使用的测试仪器作为奋斗目标。在信息化的推动下，全世界测试仪器市场将继续保持增长的势头。人们普遍认为，电子测量仪器市场的前景依然乐观。 国际仪器发展趋势和国内现状 一、国际趋势 科学仪器的自主研发在创新型国家得到重视。欧美日等国家都把“发展一流的科学仪器支撑一流的科研工作”作为国家战略，对科学仪器的装备和创新给予重点扶持。如美国通过国家自然基金和国家健康研究院等扶助科学仪器的研发，确保美国在世界科学仪器产业的领先地位；日本于2002年制定了高精密科学仪器振兴计划，在岛津公司的田中耕一因为在仪器方面的杰出贡献获得2002年诺贝尔奖后，日本文部科学省决定，从2004年起斥巨资开发世界尖端的分析计算测量仪器，以催生更多诺贝尔奖级的科研成果；欧盟在“第六框架计划”中将“操纵和控制设备和仪器的开发”列为纳米技术和纳米科学领域的重点内容，在“第七框架计划”中，斥资41亿欧元主要用于辐射源、望远镜和数据库等新型研究基础设施建设；加拿大自然科学与工程研究理事会制定了“研究工具、仪器和设施计划”，等等。 正是这些创新型国家政府的大力支持，使科研人员在科学仪器研发方面做出了重要贡献。近些年来，与科学仪器研究开发相关的诺贝尔奖基本上都授予了欧、美、日等创新型国家的科学家。 二、技术发展趋势 科学技术的飞速发展，促进科学仪器新技术、新成果层出不穷。 目前，科学仪器已远远超出“光机电一体化”这个概念，除了加入计算机技术，还大量引进日新月异的高新技术，如纳米、MEMS、芯片、网络、自动化、免疫学、仿生学、基因工程等等新技术，同时，一些高精尖的军用技术向民用技术转移，大大提高了科学仪器的技术水平和更新换代速度。当今科学仪器发展总体上呈现出如下趋势：一是，常规科学仪器向多功能、自动化、智能化、网络化方向发展；二是，生命科学科学仪器向原位、在体、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性方向发展；三是，用于复杂组分样品检测分析的科学仪器向联用技术方向发展；四是，用于环境、能源、农业、食品、临床检验等国民经济领域的科学仪器向专用、小型化方向发展；五是，样品前处理科学仪器向专用、快速、自动化方向发展；六是，监控工业生产过程的科学仪器向在线、原位分析方向发展。1.3 本设计的主要内容鉴于此，本文对基于单片机的温度测量记录系统进行了相关研究。本系统是通过单片机控制来实现对窑炉环境的温度进行测量。本系统是以AT89S52单片机为控制单元、热电偶温度传感器为主要检测器件，实现温度的测量、显示、记录，并利用单片机之间的通信功能，将所采集到的温度值在LED显示屏中显示出来。温度测量范围为 0 +1300，精度为0.4； 本文旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。论文对系统硬件的工作原理进行了简单描述，并附以系统硬件设计框图。并具体描述LED液晶显示屏、AD574及AT89S52等器件，程序流程和实现过程。第二章 系统总体设计方案第二章 系统总体设计方案2.1 系统的设计要求及原则窑炉温度自动记录仪系统主要包括炉温自动检测仪硬件电路和分析软件两大部分。要求设计的温度自动检测记录仪能对炉内直接与工件相连的热电偶及炉温进行温度的收集并把它们保存在仪器中，该系统使用用温度传感器将被测量的温度转变成电量，把信号调理后，经由模数转换器将模拟量转换成数字量，再送入单片机内程序操作和数据处理，经存储电路进行存储，并利用LED显示电路显示窑炉温度。具体设计要求归纳如下：(1) 具有窑炉温度的检测、显示、记录功能。(2) 具有时间显示功能，即能显示年、月、日、时、分、秒。(3) 具有对表功能。即通过键盘输入准确的时间。(4) 具有定时记录功能。即每隔一段时间把所测的温度值记录到存储芯片中去。(5) 具有温度查询功能。即查询过去某一时刻的温度值。(6) 温度显示记录功能(7)检测温度范围为01300。并具有0.5的测量精度。注:本系统传感器和信号放大电路是系统误差的主要部分。一般情况下，系统的精度要比传感器的精度高35倍，因此，与热电偶的0.2的精度，系统要求的精度可以达到。数据采集和A / D转换部分和其他方面的相对误差为0.2。总的原则是：选择每个组件的元件精度准确度规格应少比约10倍的系统提供了严格的个性指标，选择A / D转换，采样/保持控制线性误差是0.02左右，并设置留出一定的余量。该系统的设计原则是高效，实用，方便。所谓的效率，主要是指高的检测效率，更快，更高质量完成更好的检测;所谓的实际，是指尽可能提高系统的可扩展性，灵活性，功能多，尽量提高，使完善的检测准确性;所谓的方便，操作，维护，使用尽可能简单的调试。2.2 系统总体方案的选择（一） 用计算机和PLC系统。就控制功能而言，PLC是严谨、方便、易安装、易编程，可靠性高的技术产品。它提供高质量的硬件、成本低廉，响应速度快，性价比高，尤其是可以根据实际需要很方便地进行扩展，有极强的灵活性和适应性。但在模拟量数据采集的高价位，人机界面高价位等方面的不足使PLC在窑炉系统中收到限制。（二） 采用计算机和单片机系统。单片机在数据采集，数据处理等方面具有明显的优势。但单片机在实现自动控制过程中，一般在输入/输出接口上做大量的工作，同时在单片机的外围做很多软件和硬件的工作，同时抗干扰性能差，因此需要用户培养一大批应用与维修人员。基于上述分析，我们选择以单片机为主的主控制器，选用以单片机做成的智能仪器构成窑炉温度测量系统。2.3 系统组成2.3.1硬件设计系统整体结构框图如图2-1所示。LED显示单片机8952放大电路热电偶测温电路时钟A/D转换电路室温测量键盘存储器图2-1 系统整体结构框图该系统包括热电偶温度检测电路、放大电路、A/D转换电路、单片机电路、显示键盘驱动、实时时钟模块、环境温度检测模块等主要硬件电路。以89C52单片机为核心负责对基本数据进行处理，被测温度信号经线性化和放大处理后，输入到“A/D转换”进行A/D转换处理，转换结果被CPU读入并存储到片外数据存储器中，并将所测温度值送到显示屏显示。各模块之间的关系与功能定义初步选择如下：(l)电源模块电源模块主要的任务是向温度采集装置的主控部分各个模块提供稳定电压、可靠使用的电源。(2)键盘模块键盘模块主要用于发出的命令和状态集，键盘输入可以切换液晶屏显示模式，切换显示信号的类型（时间或温度显示），校正系统时间的运作。键盘模块采用4x4矩阵式键盘。(3)液晶显示模块显示部分选用LED数码管。主要是用来显示温度采集装置的工作状态，显示所采集的模拟量、开关量，显示系统时间以及键盘输入的数据等。该显示屏与键盘以及工作人员形成一个反馈系统，完成各项命令的操作。根据设计要求，系统要具有显示年、月、日、时、分、秒的功能，所以最少需要12只LED数码管。(4)实时时钟模块本温度采集装置的实时时钟是由DS1302芯片实现的，为主控单元提供实时时钟信息。(5)信号采集处理模块包括温度信号的采集、线性化、放大、A/D转换。本温度采集装置由热电偶实现窑炉温度信号的采集，信号经线性化、放大和A/D转换处理后，为主控单元提供窑炉温度信息。(6)数据存储模块数据存储模块的功能是将采集到的温度数据和对应的系统时间保存起来。并通过软件设置能查看过去某一时刻的温度值。(7)单片机按设计要求选择单片机AT89C52。它是系统的核心，对整个系统进行管理和控制。(8)环境温度检测模块检测周围环境的温度，为单片机提供环境温度信息，从而得出真正的炉内温度。2.3.2 软件设计单片机是测温系统的数据采集端，它主要完成对测温传感器温度数据的读取、储存、显示。本系统数据采集程序用C语言编写，固化在AT89C52单片机中。系统软件设计原则：(1)软件结构清晰、简捷、流程合理；(2)各功能程序实现模块化。这样便于调试、链接，又便于移植、修改；(3)程序存储区，数据存储区规划合理，既节省空间，又便于操作；(4)运行状态实现标志化管理。各功能程序运行状态，运行结果及运行要求都设置了状态，便于查阅，程序的运行都可通过特定模块来控制； 第三章 硬件设计第三章 硬件设计3.1 单片机本设计选用AT89S52单片机。 图3-1 AT89S52单片机管脚图AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。其管脚图如上图3-1所示。AT89S52单片机是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的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，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。令3.2 温度传感器的确定及电路设计3.2.1 环境温度传感器DS18B20环境温度检测的目的是获得数据采集时的环境温度值，为采集数据后的数学处理提供温度信息，本设计中采用的DS18B20芯片是单总线数字温度传感器，其测量温度范围为-55+125，在-1085范围内，精度为0.5。它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9、12位的数字值读数方式，精度为0.5。可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。对DS18B20芯片的各种操作通过一条数据线便可完成，同时该数据线还可兼做电源线，即具有寄生电源模式。现场温度直接以单总线的数字方式传输，提高了系统的抗干扰性。因而使用DSl8B20芯片可使装置的可靠性更高。 图3-2 DS18B20芯片引脚图DS18B20芯片有两种封装即3脚和8脚，这里以3脚封装来说明。DS18B20引脚图如图3-2所示。引脚说明:1GND为地线；2DQ为数据输入/输出端；3VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。DS18B20芯片具有以下特点：（L）独特的单线接口方式。 DS18B20的连接与处理器I / O端口，只有一个I / O端口的单片机与DSI8B20双向沟通。周边没有其他组件;（2）支持的网络功能。更多DS1SB20只有一行，多点温度并行;（3）温度范围-55C+125-10至+85C，精度0.5C，（4）可以实现由9至12的数字读数模式编程。（5）含有寄生电源数据线也可以使用外接电源（3.0V5.5V）供电;（6）9号决议内的温度高达93.75ms转换成数字，12位分辨率，高达750ms内的温度值转换为数字，速度更快;（7）测量，直接输出数字温度信号“总线”串行传送到CPU可以发送“儿童权利公约”，具有较强的抗干扰和纠错能力;（8）负的特点，电源反接，温度计不会因发热烧毁，但它不能正常工作;当该DS18B20的温度转换命令开始转换。转换完成后，温度值存储在内部存储器中的第一和第二个字节的符号扩展的二进制补码16。微控制器通过单线接口读取数据，读取前低的数据格式，高至0.0625/ LSB的表达形式。3.2.2热电偶温度传感器热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的温度检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。热电偶是一种感温元件 , 它把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端存在温度梯度时 , 回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端， 温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。 图3-3 热电偶工作原理当两种不同的导体A和B组成闭合回路时，若两端结点温度不同(分别为T0和T)，则回路中产生电流，产生热电势，这种由两种不同导体组成的热电偶的热电势一般情况下和两端点温度T0和T都有关。使T0为给定的恒定温度，如取为0，则热电势仅为T一端(称为测量端)温度T的单值函数。显然利用热电偶的这一特性可做成测温计用于测温，其大小和两端点温差有关，还和材料性质有关但要求材料的热性能要稳定，电阻系数小，导电率高，热电效应强，复制性好。热电偶冷端补偿计算方法： 从毫伏到温度：测量冷端温度，换算为对应毫伏值，与热电偶的毫伏值相加，换算出温度。 从温度到毫伏：测量出实际温度与冷端温度，分别换算为毫伏值，相减後得出毫伏值，即得温度 热电偶的主要种类区别在其热电偶芯（两根偶丝）的材质不同而不同，它所输出的电动势也不同，热电偶主要有以下几种（见下表）表3-1热电偶类型热电偶类别代号分度号测温范围允许偏差限铂铑30铂铑6WRRB018000.25%t铂铑10铂WRPS016000.25%t镍铬镍硅WRNK013000.75%t镍铬康铜WREE08000.75%t铂铑13-铂WRBR0-16000.25%t热电偶选型：根据本设计要求，测量温度范围为01300，因为窑炉温度一般约1000左右 ，所以由上表，选用k型热电偶即可。对热电偶的安装：应注意有利于测温准确,安全可考及维修方便,而且不影响设备运行和生产操作.要满足以上要求,在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点: 1、为了使热电偶的测量端与被测介质之间有充分的热交换,应合理选择测点位置,尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶。 2、带有保护套管的热电偶有传热和散热损失,为了减少测量误差,热电偶应该有足够的插入深度: (1)对于测量管道中心流体温度的热电偶,一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装).如被测流体的管道直径是200毫米,那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米。(2)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度),为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶.浅插式的热电偶保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;热套式热电偶的标准插入深度为100mm。(3)假如需要测量是烟道内烟气的温度,尽管烟道直径为4m,热电偶或热电阻插入深度1 m即可。 (4)当测量原件插入深度超过1m时,应尽可能垂直安装,或加装支撑架和保护套管。3.3测量放大电路由于k型热电偶在测温时输出的电压在mV级，0度对0mV ， 300度对12.207mV 500度对20.640 ，1000度对41.269 1200度对48.828 1300度对52.398，数值太小，因此在使用A/D转换器进行A/D转换之前，需要对mV级电压加以放大，测量放大器能够很好的实现此功能。测量放大器是信息检测和数据采集系统中常用的前置放大器，它具有高输入阻抗、高CMRR、闭环增益调整方便、第失调低漂移、平衡差动输入、输入电阻小等优点，对微弱信号能放大一定的倍数，因此，在数据采集和信号检测系统中得到越来越广泛的应用。3.3.1集成测量放大器AD521AD521是由美国Analog Devices公司提供的单片集成测量放大器芯片AD521的的工作原理与三运放测量放大器类似。AD512采用标准14引脚、双列直插封装，其引脚说明如图3(a)所示。引脚4、6之间接调零电位器（10K）的两个固定端；引脚10、13之间接电阻Rs,选用Rs=100ks时，可得到比较稳定的放大倍数；引脚9是补偿端，通常可以悬空。引脚2、14之间接电阻RG，通过改变RG来调整电压增益。其基本连接方式如图3（b）所示。 （a） （b）图3-4 AD512引脚及连接（a） 引脚说明；（b）基本连接方式管脚（4、6）用于放大器的零点调整。调整的方法是将该两端子接到10 k电位器的两固定端，滑动端接负电源。放大倍数在11000范围内调整，选用Rs=1000k便可得到比较稳定的放大倍数。在使用AD521时，特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入端1和3必须与电源的地构成回路，可以与地直接相连，也可以通过电阻相连。AD521直接连接的电路图如图3-5所示。 图3-5 测量放大电路3.4 A/D转换器 A/D转换器把采集到的采样模拟信号量化和编码后，转换成数字信号并输出。由于逐次逼近式的转换器较双积分式的转换速度快，且8位的转换器满足不了设计的精度要求，所以本系统采用12位逐次逼近式的转换器AD574，它的突出特点是芯片内部包含微机接口控制逻辑电路和三态输出缓冲器，可以直接与8位、12位或16位微处理器的数据总线相连。AD574是美国AD公司生产的12位高速逐次逼近型模数变换器，下图所示片内自备时钟基准源，变换时间快(25 s)，数字量输出具有三态缓冲器，可直接与微机的总线接El，又可直接采用双极性模拟信号输入，有着广泛的应用场合，供电电源为1 5 V，逻辑电源为+5 VCS ：片选，低有效CE ：片允许，高有效8031的WR和RD相与非后接CE，以确保AD574A在被启动变换或读出变换结果的操作时，CE有效RC ：读变换，高为读AD变换结果，低为启动AD变换128 ：数据格式，高为12位并行输出，低为8位(或4位)并行输出本设计令其接地A0 ：字节地址短周期，高为8位变换输出低4位，低为12位变换输出高8位STS ：变换状态，高为正在变换，低为变换结束STS总共有三种接法：(1)空着：只能在启动变换，25 s以后读AD结果；(2)接静态端口线：可用查询方法，待STS为低后再读AD变换结果；(3)接外部中断线：可引起中断后，读AD变换结果本设计夸其接P1oREFIN ：基准输入REFOUT ：基准输出BIP OFF ：双极性方式时，偏置电压输入端DBIIDB0：12位数据总线10VSPAN ：单极性010 V模拟量输入；双极性0 5 V模拟量输入该设计采用双极性0 5 V模拟量输入20VSPAN ：单极性020 V模拟量输入；双极性0 10 V模拟量输入 图3-6 A/D转换器3.5数据存储器设计数据采集包括记录和存储数据，更重要的是能在失去电源的情况下，不丢失任何资料。3.5.1 DS1230工作原理 本系统采用DS1230芯片进行存储。DS1230 256k非易失(NV) SRAM为262,144位、全静态非易失SRAM，按照8位、32,768字排列。每个NV SRAM均自带锂电池及控制电路，控制电路连续监视VCC是否超出容差范围，一旦超出容差范围，锂电池便自动切换至供电状态、写保护将无条件使能、防止数据被破坏。DIP封装的DS1230器件可以用来替代现有的32k x 8静态RAM，符合通用的单字节宽、28引脚DIP标准关键特性： 部电源的情况下最少可以保存数据10年 掉电期间数据被自动保护 替代32k x 8易失静态RAM、EEPROM或闪存 没有写次数限制 低功耗CMOS操作 70ns的读写存取时间 第一次上电前，锂电池与电路断开、维持保鲜状态 10% VCC工作范围(DS1230Y) 可选择5% VCC工作范围(DS1230AB) 可选的-40C至+85C工业级温度范围，指定为IND JEDEC标准的28引脚DIP封装 Power Cap模块(PCM)封装 图3-7 DS1230与AT89S52连接电路图3.6 实时时钟的设计3.6.1 DS1302工作原理本设计采用DS1302芯片，DS1302是美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.55.5V。DS1302芯片采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302芯片内部有一个31x8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。该芯片可为掉电保护电源提供可编程的充电功能。DS1302芯片的引脚如图3-8所示。图3-8 DS1302芯片引脚图Vcc2 :主电源X1、X2 :振荡源外接32768Hz晶振GND :地线RST :复位/片选线I/O :串行数据输入/输出端(双向)SCLK :串行数据输入端Vcc1 :后备电源DS1302芯片主要由移位寄存器控制、命令与控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成，为了初始化任何数据的传送，RST引脚信号应由低变高，并且应将具有地址和控制信息的8位数据装入芯片的移位寄存器内，数据的读、写可以用单字节或多字节的突发模式方式进行。在时钟的下降沿DS1302芯片将数据输入到单片机中，而在时钟的上升沿，DS1302芯片接收单片机传来的数据。3.显示和键盘电路的设计3.7.1 键盘模块设计在该设计中需要使用键盘来输入数字或命令，这其中包括0到9个阿拉伯数字，“查询”, “删除”，“取消”，“确定”，“显示”，“设定时间”，共16个键，因此设计了一个4*4行列扫描式键盘。需8个I/O口线就可识别16个按键。通过键盘控制显示方式。键盘扫描程序的工作机制是这样的：首先，让所有的行输出0，检测列信息，如果列信息全为1，则无键按下，如果有一列为零，则有键按下。判断有键按下后，进入消除抖动程序，再判断是否有键按下，如果此时仍有键按下，开始判断到底是那个键按下。逐行输出0，读列信息，如果列值全为1，扫描下一行，如果有一列为0，则行值和列值就确定了改键的具体位置。将每个键的行值和列值信息经过某种运算存到一个表中，在键盘扫描过程中，根据查询该表所得的信息即可判断该键的体功能。为了减少I/O口的使用，本设计也采用74LS164来驱动键盘。电路图如图3-9所示。设计时，为了降低系统的功耗，在满足功能的情况下，键盘的上拉电阻应尽可能大。图3-9 键盘电路3.7.2 显示模块设计LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。左图是LED的引脚定义。共阴和共阳极数码管的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。 图3-10 LED数码管LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为动态式和静态式两类。A、静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位驱动器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O口来驱动，要知道一个89S52单片机可用的I/O口才32个。故实际应用时必须增加位驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。B、动态显示驱动：数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a、b、c、d、e、f、g、dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。本设计选用LED数码管为显示器，从而使系统结构更简单，成本更低，更可靠不易被损坏。由于要显示年、月、日、时、分、秒，所以需16个LED数码显示管 图3-11 显示电路 74LS164芯片由于系统环境的特殊性和复杂性，作为LED的位驱动程序。普通的共阳极LED显示屏，CPU频率扫描显示无使用静态扫描和动态扫描相比，节省CPU时间显示。静态显示，显示电路，亮度大于动态显示。显示使用串行口输出段码用1474LSl64驱动，这样可以减少使用的微控制器接口。3.7.3 74LS164工作原理74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器。并带有清除端。如下图; Q0Q7 并行输出端 。 A,B串行输入端。 MR 清除端， 为0时，输出清零。 CP 时钟输入端。 表3-2 74LS16474LS164 引脚定义74LS164逻辑表真值表如下:表3-3 真值表74LS164串行输入带锁存 时钟输入,串行输入带缓冲 异步清除 最高时钟频率可高达36Mhz 功耗：10mW/bit 74系列工作温度： 0C 至 70C Vcc最高电压：7V 输入最高电压：7V 最大输出驱动能力： 高电平：0.4mA 低电平：8mA在单片机系统中，如果并行口的IO资源不够，而串行口又没有其他的作用，那么我们可以用74LS164来扩展并行IO口，节约单片机资源。根据本温度检测系统，由于并行口用于扩展片外存储器，而串行口没有得到另外利用，所以通过串行口来利用74LS164扩展键盘和显示部分。3.8 电源电路设计系统电源设计是单片机应用系统设计的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统是否正常运行起着至关重要的选用，电源设计应该同时考虑功率、电平、抗干扰等问题，电源功率必须能满足系统的需要。电源必须有足够的耐冲击性，这就要求电源设计时留有充分的余量。本系统中涉及模拟部分电源和数字部分电源，为了尽量减少数字系统部分的影响，对两个比分采用独立供电的策略，模拟部分和数字部分之间的接口通过光隔离电路建立连接。市电220v电源经过变压器变压，输出幅值大约为13V，其中一路接入数字系统，一路接入模拟系统，然后对变压后的交流信号经过桥式整流、滤波、然后接入集成三端稳压器件。（三端集成稳压器件的外部只有三个端子：输入、输出和公共端。在三端稳压电源器件内有过流、过热及短路保护电路） 本系统采用CW7815和CW7805进行稳压，电路如下：图3-12 电源电路第四章系统软件设计第四章系统软件设计第四章 系统软件设计4.1主程序流程图系统初始化开始始读采样间隔“开始”是否按下延时10ms“开始”是否按下启动A/D转换温度值是否大于40数据采集模块数据存储模块数据显示模块延时“停止”是否按下延时10ms“停止