基于PT100的温度测量系统设计.doc

I 摘摘 要要 本文首先简要介绍了铂电阻 PT100 的特性以及测温的方法，在此基础上阐述了基于 PT100 的温度测量系统设计。在本设计中，是以铂电阻 PT100 作为温度传感器，采用恒流测温 的方法，通过单片机进行控制，用放大器、A/D 转换器进行温度信号的采集。另外，还设计了 时钟电路模块，能实现对温度的实时测量。本设计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对 电路的设计，减小了测量电路及 PT100 自身的误差，使温控精度在 0100范围内达到 0.1。 本文采用 AT89S51 单片机，TLC2543 A/D 转换器，DS1302 时钟芯片，AD620 放大器，铂 电阻 PT100 及 6 位数码管组成系统，编写了相应的软件程序,使其实现温度的实时显示。该系 统的特点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。 关键词：关键词： PT100 单片机 温度测量 DS1302 II Abstract This article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method, on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100. In this design, it is use a PT100 platinum resistance as temperature sensor, in order to acquisition the temperature signal, it use of constant-current temperature measurement method and use single-chip control, Amplifier, A / D converter. In addition, it designs a clock circuit modules to achieve real-time measurement of temperature.It can still improve the perform used two-wire temperature circuit and reduce the measurement eror. The temperature precision is reached 0.1 between 0100. The system contains SCM(AT89S51), analog to digital convert department (TLC2543), DS1302 chip, AD620 amplifier, PT100 platinum, LED Digital tube with six, write the corresponding software program to achieve real-time temperature display. The system is simple , accurate , stable and wide range. Keywords: PT100 SCM Temperature Measures DS1302 III 目 录 前 言.1 第一章 方案设计与论证.2 第一节 传感器的选择 .2 第二节 方案论证 .3 第三节 系统的工作原理 .3 第四节 系统框图 .4 第二章 硬件设计.5 第一节 PT100 传感器特性和测温原理.5 第二节 信号调理电路 .6 第三节 恒流源电路的设计 .6 第四节 放大电路的设计 .7 第五节 A/D 转换器的选择与设计电路 .9 第六节 DS1302 时钟电路设计 .12 第七节 单片机控制电路.14 第八节 按键和显示电路 .14 第三章 软件设计.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第一节 系统软件设计说明 .16 第二节 软件的有关算法 .16 第三节 软件的流程图 .17 第四节 部分设计模块.19 第四章 电路仿真的设计与分析.24 第一节 Proteus 仿真软件介绍 .24 第二节 电路仿真设计 .24 第三节 仿真分析 .26 IV 结 论.27 参考文献.28 附录 A.29 附录 B:.30 致 谢.31 V 1 前前 言言 随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显 著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。因此，了解并掌 握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须 掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才 能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感 器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研 制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革 生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感 器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其 应用之广，并且还有很大潜力。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途， 基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合温度传感器技术而开发 设计了这一温度测量系统。文中将传感器理论与单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利 用热电阻作为温度传感器来测量实时的温度，以及实现热电转换的原理过程。 本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量显示系统，如果稍微改装可以做热水 器温度调节系统、生产温度监控系统等等。本课题主要任务是完成环境温度检测并显示温度 和实时的时间。设计后的系统具有操作方便，控制灵活移植性强等优点。 本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D 转换模块，时钟模块，数据处理与控 制模块，温度、时间显示模块六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整 个系统的核心是进行温度测量与显示，完成了课题所有要求。 2 第一章 方案设计与论证 第一节 传感器的选择 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直 接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放 射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的 是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触 式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器， 将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简 称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、 物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如 PT100、PT1000 等。近年来各半 导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如 DALLAS 公司 DS18B20，MAXIM 公司的 MAX6576、MAX6577，ADI 公司的 AD7416 等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简 单，如 DS18B20 该温度传感器为单总线技术，MAXIM 公司的 2 种温度传感器一个为频率 输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而 ADI 公司的 AD7416 的数字接口则为近 年也比较流行的 I2C 总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方 便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55+125，而且温度的测量精 度都不高，好的才0.5,一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方 便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂 铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场 合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差 等。 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温 方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既 可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是 价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被 测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。 3 由于本设计的任务是要求测量的范围为 0100，测量的分辨率为0.1，综合价格 以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的 PT100 作为本课题的温度传感器，具体的型 号为 WZP 型铂电阻，该传感器的测温范围从200650。具体在 0100的分度 特性表见附录 A 所示。 第二节 方案论证 温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的 智能型传感器。 方案一：采用模拟分立元件 如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便 宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 方案二：采用温度传感器 通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到 A/D 转换芯片，将模拟量 转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过 LED 显示温度。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方 便，测量范围为-200650，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所 以我们设计最终选择铂电阻 PT100 作为传感器。该方案采用热电阻 PT100 做为温度传感器、 AD620 作为信号放大器，TLC2543 作为 A/D 转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、 高精度的特点。相对与方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。在这里我 选用方案二完成本次设计。 第三节 系统的工作原理 测温的模拟电路是把当前 PT100 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值， 经过放大器放大信号后送给 A/D 转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机 AT89S51， 单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到数码 管进行显示。另外，外接一个时钟芯片 DS1302 产生时钟信号送入到单片机中进行处理控制， 并将时间显示出来，以实现温度的实时监控。 4 第四节 系统框图 本设计系统主要包括温度信号采集单元，时间信号采集单元，单片机数据处理单元，时 间、温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电 路（采样） 、放大电路、A/D 转换电路。 系统的总结构框图如图 1-1 所示。 信号放大 调理电路 PT100 温 度传感器 A/D 转换 电路 时钟电 路 按键控 制电路 AT89S51 单片机 LED 数码 管显示 电路 图 1-1 系统的总结构框图 5 第二章 硬件设计 第一节 PT100 传感器特性和测温原理 电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一种物质材料作成的电阻, 它会随温度的改变而改变电阻值。 PT100 温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数, 其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示： 在 0650范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在-2000范围内： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) 式中 A、B、C 为常数， A=3.9684710-3； B=-5.84710-7； C=-4.2210-12； 由于它的电阻温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的 关系式如下：R=Ro(1+T) 其中 =0.00392, Ro 为 100(在 0的电阻值),T 为华氏温度，因此铂做成的电阻式温度 传感器，又称为 PT100。 PT100 温度传感器的测量范围广：-200+650，偏差小，响应时间短，还具有抗振 动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计即采用 PT100 作 为温度传感器。 主要技术指标：1. 测温范围：-200650 摄氏度；2. 测温精度：0.1 摄氏度； 3. 稳定性：0.1 摄氏度 Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变 化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相 应温度。采用 Pt100 测量温度一般有两种方案： 方案一：设计一个恒流源通过 Pt100 热电阻，通过检测 Pt100 上电压的变化来换算出 温度。 6 方案二：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用 Pt100 热电阻， 当 Pt100 电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。 两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。 第二节 信号调理电路 调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中 A/D 转换器能识别的 信号，作为本系统，由于温度传感器是热电阻 PT100，因此调理电路完成的是怎样将与温度 有关的电阻信号变换成能被 A/D 转换器接受的电压信号。 第三节 恒流源电路恒流源电路 从上述关于 PT100 传感器测温原理可知，由 PT100 构成信号的获取电路常用的方 法有 2 种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般 采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电 压即反映温度的变化。上述两种电路的结构形式见图 2-1 所示。 A 图单臂桥式 B 图恒流源式 图 2-1 两种信号获取的结构电路 根据测试技术的有关知识，图 2-1 中的 A 图的输出与电阻的阻值不是个正比的关系，因 而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非线性的问题；而图 B 的由于恒流 7 源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采用恒流源电路来获取温 度信号。 恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通 过比较巧妙的设计构成的，本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理 想，系统设计的恒流源电路见下图 2-2 所示。 R161.5k 1 3 2 7 LM 336-2.5V 8 5 3 2 6 74 1 U1 OP-07 VR3 10k R17 500 R11 PT100 +12V -12V VCC 2 3 图 2-2 由运放构成的恒流源电路 上图中，由于运放虚地的结果，造成 OP-07 的反相输入端为 0V，而图中 1.5K 电阻的下 端由于运用精密的电压源 LM336-2.5，外加调整电路，该点电压可调整为 2.500V，而由于运 放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此从 1.5K 电阻上流过的电流大小固定 而且一定等于 OP-07 输出端流入温度传感器 PT100 的电流，从而达到恒流的效果，连接 PT100 两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的放大器。 这里值得注意的是恒流效果的好坏与下面几个因素有关，图示 1.5K 电阻的精度及温度 稳定性要好，我们采用的是高精度高稳定的电阻；还有是一定要选择输入阻抗高的运放，包 括产生虚地处的运放（图中 OP-07）和后级的放大器（图中的 AD620） ，否则较大的输入电 流也将直接影响恒流的效果；最后一点是参考电压（图中是2.5V）的稳定性要高，这里的 参考电压采用是 LM336-2.5V 作为参考电压基准。 第四节 放大电路的设计 放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在放大器电路 精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自 制的三运放结构，如下图 2-3 所示，三运放中由 A1、A2 构成前级对称的同相、反相输入放 8 大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致 性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件 R1 与 R2、R3 与 R4、R5 与 R6，还包括 A1 与 A2 放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。随着微电子技术的 发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内部核心结构还是三运放，但是，采 用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题。 + - A1 + - A2 + - A3 R2R1 R7R6 R3 R5 R4 V IN V OUT 图 2-3 三运放结构的高性能放大器原理图 随着近年来微电子技术的发展，市面上出现了不少专用的高性能的芯片， AD620、AD623 就是具有上述描述的三运放结构，在本设计中我们根据手中的元器件材料最 终选择了 AD620 作为放大器电路的首级放大。 AD620 是低价格、低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置 11000 倍的 放大增益，它具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度，特别适合于精确的 数据采集系统，如称重和传感器接口，也非常适合医疗仪器的应用系统（如 ECG 检测和血 压监视） 、多路转换器及干电池供电的前置放大器使用。 AD620 的内部结构是由 OP-07 组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放 IC 电路 设计，其基本接法是在 1 脚与 8 脚之间外接一 RG 电阻，增益由式 G=1+49.4K/RG 确定， 由于它的外围电路十分简单，所以它在本系统中的应用见下图 2-4 所示。 由于我们的温度测量范围是 0100，而此时的温度传感器的电阻值根据分度表为 100 欧姆138.51 欧姆，由于我们设计的恒流源为 5/3 毫安，因此 AD620 的输入端为 166.7 毫伏，假设考虑我们的 TLC2543 的最大输入为 5.000V，我们设计的放大器的增益在尽量保 证分辨率的条件下，则为 20 倍，假设我们只用一个 AD620，则 AD620 的输出为 2V5V(TLC 只能转换 5V)，这样 12 位的 A/D 转换器的分辨率则大于题目的要求 0.1，因 此，我们必须将 100 欧姆以下的值通过偏置的方法将其减掉，然后通过增加放大倍数来尽量 9 提高分辨率，这里我们设计的偏置电路同样见下图 2-4 所示。这里设计的首级放大器的倍数 是 20 倍，而后级放大则为 4 倍，合计的放大倍数为 80 倍，这样就完全满足设计分辨率的要 求。 R9 10k R7 40k 8 5 3 2 6 74 1 U3 AD620 8 5 3 2 6 74 1 U2 op-07 VR1 2k R8 2k VR2 4k VCC +12V -12V +12V -12V R10 10k A0 2 3 传传传传 传传传1传传传2传传传传传 传传传传传传传传 图 2-4 放大电路 第五节 A/D 转换器的选择与设计电路 在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理， 则需要将其转换成数字量，A/D 转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的 数字量。根据 A/D 转换器的工作原理，常用的 A/D 转换器可分为两种，双积分式 A/D 转换 器和逐次逼近式 A/D 转换器。 1. 双积分 A/D 转换器工作原理 双积分 A/D 转换器采用间接测量的方法，它将被测电压转换成时间常数 T，双积分 A/D 转换器由电子开关，积分器，比较器，计数器和控制逻辑等部分组成。 所谓双积分就是进行一次 A/D 转换需要两次积分。电路先对被测的输入电压 Vx 进行固 定时间(T0)的正向积分，然后控制逻辑将积分器的输入端通过电子开关接参考电压 Vr，由于 参考电压与输入电压反向且参考电压值是恒定的，所以反向积分的斜率是固定的，从反向积 分开始到结束，对参考电压进行反向积分的时间 T,正比于输入电压。输入电压越大反向积分 时间越长，用高频标准脉冲计数测此时间，即可得到相应于输入电压的数字量。特点：可以 有效的消除干扰和电源噪声，转换精度高，但是转换速度慢。 10 2. 逐次逼近型 A/D 转换器工作原理 逐次逼近型 A/D 转换器由 D/A 转换环节，比较环节和控制逻辑等几部分组成。 其转换原理为：A/D 转换器将一待转换的模拟输入电压 Ui 与一个预先设定的电压 Ui（预定 的电压由逐次逼近型 A/D 转换器中的 D/A 输出获得）电压相比较，根据预设的电压 Ui 是大 于还是小于待转换成的模拟输入电压 Uin 来决定当前转换的数字量是“0” 还是“1”，据此逐 位比较，以便使转换结果（相应的数字量）逐渐与模拟输入电压相对应的数字量接近。 在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用德州仪器公司生产的 12 位开 关电容型逐次逼近模数转换器 TLC2543，它具有三个控制输入端，采用简单的 3 线 SPI 串行 接口可方便地与微机进行连接，是 12 位数据采集系统的最佳选择器件之一。 TLC2543 与外围电路的连线简单，三个控制输入端为 CS(片选)、输入/输出时钟 (I/O CLOCK)以及串行数据输入端(DATA INPUT)。片内的 14 通道多路器可以选择 11 个输 入中的任何一个或 3 个内部自测试电压中的一个，采样保持是自动的，转换结束，EOC 输出变高。 3、TLC2543 的主要特性 (1) 11 个模拟输入通道； (2) 66ksps 的采样速率； (3) 最大转换时间为 10s； (4) SPI 串行接口； (5) 线性度误差最大为1LSB； (6) 低供电电流(1mA 典型值)； (7) 掉电模式电流为 4A。 TLC2543 的引脚排列如图 2-5 所示。 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 A8 9 GND 10 A9 11 A10 12 R- 13 R+ 14 /CS 15 DO 16 DI 17 CLOK 18 EOC 19 VCC 20 TLC2543 图 2-5 TLC2543 的引脚 11 AIN0AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对 4.1MHz 的 I/O CLOCK，驱动源阻 抗必须小于或等于 50。 CS：片选端，CS 由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能 DATA OUT、DATA INPUT 和 I/O CLOCK。CS 由低到高的变化将在一个设置时间内禁止 DATA INPUT 和 I/O CLOCK。 DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以 MSB 为前导并在 I/O CLOCK 的前 4 个上 升沿移入 4 位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后 I/O CLOCK 将余下的几位依次输入。 DATA OUT：A/D 转换结果三态输出端，在 CS 为高时，该引脚处于高阻状态；当 CS 为低时，该引脚由前一次转换结果的 MSB 值置成相应的逻辑电平。 EOC：转换结束端。在最后的 I/O CLOCK 下降沿之后，EOC 由高电平变为低电平并保 持到转换完成及数据准备传输。 VCC、GND：电源正端、地。 REF、REF：正、负基准电压端。通常 REF接 VCC，REF接 GND。最大输入 电压范围取决于两端电压差。 I/O CLOCK：时钟输入/输出端。 TLC2543 每次转换和数据传送使用 16 个时钟周期，且在每次传送周期之间插入 CS 的 时序。根据 TLC2543 时序图可以看出，在 TLC2543 的 CS 变低时开始转换和传送过程， I/O CLOCK 的前 8 个上升沿将 8 个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换 的数据的其余 11 位移出 DATA OUT 端，在 I/O CLOCK 下降沿时数据变化。当 CS 为高时， I/O CLOCK 和 DATA INPUT 被禁止，DATA OUT 为高阻态。 TLC2543 与单片机的连接如图 2-6 所示。 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 A8 9 GND 10 A9 11 A10 12 R- 13 R+ 14 /CS 15 DO 16 DI 17 CLOK 18 EOC 19 VCC 20 TLC2543 VCC 5V CLOK D1 D0 /CS A0 图 2-6 TLC2543 电路 12 第六节 DS1302 时钟电路设计 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM 的实时时钟电 路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压 为 2.5V5.5V。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 内部有一个 318 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源 /后 背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。本设计中采用 DS1302 时钟芯片产生时钟信号，通过单片机进行处理控制，并显示出实时的时间，可以 用于对温度进行实时的数据采集。 1. 引脚功能及结构 DS1302 的引脚排列,其中 Vcc1 为后备电源， VCC2 为主电源。在主电源关闭的情 况下，也能保持时钟的连续运行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc10.2V 时，Vcc2 给 DS1302 供电。当 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。X1 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。 RST 输入有两种功能：首先， RST 接 通控制逻辑，允许地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供终止单字节或多字 节数据的传送手段。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302 进行操作。如果在传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此次数据传送， I/O 引脚变 为高阻态。上电运行时，在 Vcc2.5V 之前，RST 必须保持低电平。只有在 SCLK 为低 电平时，才能将 RST 置为高电平。 I/O 为串行数据输入输出端 (双向)，后面有详细说明。 SCLK 始终是输入端。 DS1302 的引脚功能图 如图 2-7 所示。 Vcc2 1 X1 2 X2 3 GND 4 RST 5 I/O 6 SCLK 7 Vcc 8 DS1302 图 2-7 DS1302 引脚图 2. DS1302 的控制字节 13 DS1302 的控制字如图 2.8 所示。控制字节的最高有效位 (位 7)必须是逻辑 1，如果 它为 0，则不能把数据写入 DS1302 中，位 6 如果为逻辑 0，则表示存取日历时钟数据， 为 1 表示存取 RAM 数据;位 5 至位 1 指示操作单元的地址输入或输出。最低有效位 (位 0)如为 0 表示要进行写操作，为 1 表示进行读操 作，控制字节总是从最低位开始输出。 3. 数据输入输出 (I/O) 在控制指令字输入后的下一个 SCLK 时钟的上升沿时，数据被写入 DS1302，数据 输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的 下一个 SCLK 脉冲的下降沿读出 DS1302 的数据，读出数据时从低位 0 位到高位 7。 4. DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为 BCD 码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见图2.8 所示。 图 2.8DS1302 的控制字节 此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与 RAM 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器 内容。 DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM 单元，共 31 个， 每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 C0HFDH，其中奇数为读操作， 偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM 寄存 器，此方式下可一次性读写所有的RAM 的 31 个字节，命令控制字为 FEH（写）和 FFH（读） 。 5.DS1302 与单片机的连接 DS1302 与 CPU 的连接需要三条线，即 SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。这三条线分别 接到 CPU 的 I/O 线上。 1 RAM /CK A4A3A2A1A0 RD /WR 14 第七节 单片机控制电路 本设计是采用 AT89S51 单片机作为主控电路，其中 P1 口为 A/D 转换器和 DS1302 时钟 芯片的通信端口，P3.0,P3.1,P3.2 为按键控制，P0 口接数码管的段码，P2 口接数码管的片选 端，用于对数码管进行片选。如图 2-9 所示。 EA/VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST/VPD 9 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P1.0/T 1 P1.1/T 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 P3.1/TXD 11 P3.0/RXD 10 Vcc 40 Gnd 20 AT 89S 5X AT89S51 R20 VCC a b c d e f g dp 1 2 3 4 5 6 Y2 12M C3 102 C12 104 C13 10uF R15 0.1K S1 VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 RP1 VCC P3.0 P3.1 P3.2 CLOCK D1 D0 /CS SCLK I/O RST 图 2-9 单片机控制电路 第八节 按键和显示电路 1. 按键电路 本设计共设计 3 个按键，用来设置和修改时间。设置键，接单片机的 P3.2 脚用于申请 中断，以执行键盘中断修改设置时间；加键，用于修改时间使时间按增形式调整；减键，用 于修改时间使时间按减形式调整。其电路图如下图 2-10 所示。 15 KEY1 KEY2 KEY3 R12 10K R13 10K R14 10K VCC P3.0 P3.1 P3.2 图 2-10 按键电路 2. 显示电路 本设计采用 6 个 LED 共阳极数码通过三极管驱动来进行时间温度数据的显示。其中数 码管的段码位分别接单片机的 P0 口，公共端通过三极管接到单片机 P2.0P2.5 端对数码管 进行位选。其电路图如下图 2-11 所示。 Q1Q2Q3Q4Q5Q6 R1R2R3R4R5R6 VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 VCC a bf c g d e dp LED2 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 VCC a bf c g d e dp LED3 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 VCC a bf c g d e dp LED4 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 VCC a bf c g d e dp LED5 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 VCC a bf c g d e dp LED6 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 VCC a bf c g d e dp LED1 a a aa aa b bb bb b c c c c cc dd d d d d e e e e e e ffff f f g g gg g g dpdpdp dp dp dp 1 2 3 4 5 6 传传传传传传 传传传传传传 图 2-11 数码管显示电路 16 第三章 软件设计 第一节 系统软件设计说明 进行微机测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测 量对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。 对于本系统，软件设计更为重要。 在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理 包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进 行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。 软件设计主要是对温度进行采集、显示,通过按键操作，进行时间的设置与修改。因此， 整个软件可分为温度采集子程序、时钟读取程序、按键子程序、显示子程序、及系统主程序。 第二节 软件的有关算法 1、最小二乘理论获取温度电阻公式 根据误差理论，我们要获得较高精度的温度测量值，办法一般有 2 个，要么采用查表法， 要么建立高精度的数学模型。如果用查表法，主要有 2 个问题，如果要提高测量精度，则需 要建立大量的表格，而且得提前做大量得试验来进行多点校正，还有一个问题是程序的通用 性差，这台仪器上校正好得数据可能在另一台上不合适。而采用已知的分度表，建立数学模 型，然后通过工程量（标度）变换，通过测量 A/D 转换的结果后计算得到。这里我们考虑 第 2 种方法的优点，首先采用分段的方法，将测量范围分段，然后查出该段的数学模型的各 个系数，然后计算出温度值，这里，由于时间的关系，我们对整个测量范围分了 3 段，分别 为 049、5070、71100，利用分度表进行离线的数学拟合，得到各段的数学模 型系数。同时，可通过再将标度值代入可粗略估计在各个测量段内的最大误差值。 我们通过最小二乘法进行线性拟合，得到如下的数学模型为： T1=2.5772R-257.7708 0-49 T2=2.6366R-267.01 5070 T3=2.7206R-281.90 71100 上述 3 个数学模型中，最大的理论误差值都小于 0.1，能够满足精度要求，实际上如 17 果有足够的时间，我们完全可以分得再细一些，这样理论的误差将会变得更小。 2. 标度变换公式的获取 根据上述的线性拟合结果：T=AR-B，这里的 A、B 是上述不同温度段的系数，而 R 值 由于在输出为 0V 时，实际上有个对应于 100 欧姆的偏置电路，因此根据 R-R0=U/I，而 I=2.500V/1.500K，而 AD/U/G=4096/4.900V，这里的 AD 值为 A/D 转换得结果 G 为放大器的 增益，本设计中的二级放大器放大的倍数为 80 倍。将上述条件代入得： T=A(4.9AD/4096/G/I+100)-B 第三节 软件的流程图 开始 系统初始化 DS1302 时钟信号采集 PT100 温度数据采集 处理读到的数据 结束 图 3-1 系统总流程图 18 Key1=0 ? N Y Y N N Y 开始 初始化 按键扫描 调用加键调时 调用显示程序调用减键调时 调用显示程序 返回主程序 Key2=0 ? Key3=0 ? 图 3-2 按键流程图 19 开始 初始化函数 DS1302 数据的写入 DS1302 数据的读取 返回 开始 初始化函数 A/D 转换器进行 A/D 转换 将转换后的电压转换为温度 返回 图 3-3 DS1302 时钟流程图 图 3-4 温度转换流程