毕业设计（论文）-基于PT100的温度测量系统的设计.doc

数字式温度计的设计 - I - 摘 要 本文简要介绍了铂电阻 PT100 的测温方法及它的特性，并运用这个原理阐述 了基于 PT100 的温度测量系统的设计。在这次设计中，是以铂电阻 PT100 作为温度 传感器，通过单片机进行控制，使用放大器对调理电路的微弱电压差进行放大、再 用 A/D 转换器进行温度信号的采集,从而实现温度系统的微机数字化控制。这次设 计的整个系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路， 提高了系统的可靠性和稳定性，使整个系统的性能得到提升。 关键词：51 单片机；A/D；PT100；温度测量 - II - ABSTRACT This article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method，And using this principle described the design of temperature measurement system based on PT100.In this design, it used a PT100 platinum resistance as temperature sensor and controled by single-chip,Amplifying the faint difference voltage of regulate circuit by amplifier, Collecting temperature signal by A/D converter, realizing the temperature system microcomputer digital control.This design of the entire control system, the hardware structure using a large number of IC module greatly simplifies the hardware circuit, improved the systems stability and reliability of the whole system performance is improved. Key words: 51MCU； A/D；PT100；Temperature measurement 数字式温度计的设计 目 录 第 1 章 概论 .1 1.1 课题背景.1 1.2 数字式温度计发展趋势.3 1.3 数字式温度计基本原理.3 第 2 章 数字式温度计总体方案论证 .4 2.1 系统设计原则.4 2.2 控制系统方案论证.4 2.3 显示部分方案论证.5 2.4 温度传感部分方案论证.5 2.5 键盘输入部分方案论证.5 第 3 章 数字式温度计硬件设计 .7 3.1 系统工作原理.7 3.2 传感器信号处理电路.10 3.2.1 热敏铂电阻 PT100 简介 .11 3.2.2 运算放大器 LM358 简介 .12 3.2.3 传感器信号处理电路原理 .13 3.3 AD 转换电路设计 .14 3.3.1 AD 转换电路原理.14 3.3.2 数模芯片 ADS7816 简介 .15 3.3.3 AD 转换接口设计.16 3.4 温度报警电路设计.17 3.5 电源电路设计.17 3.6 LED 数码显示电路 .18 3.6.1 LED 数码管简介.18 3.6.2 LED 数码显示接口电路.19 3.7 按键电路设计 .19 3.7.1 键盘原理 .20 3.7.2 键盘与单片机的接口电路 .20 3.8 电路板的制作 .21 3.8.1 电路板布线技巧.21 3.8.2 PCB 布局布线.22 3.8.3 设置中的问题及解决方法 .23 3.9 硬件抗干扰措施.24 3.9.1 干扰的来源 .25 3.9.2 具体抗干扰措施 .25 第 4 章 系统软件设计 .27 4.1 主程序设计.27 4.2 键盘处理函数.28 4.3 延时函数.30 4.4 数码显示函数.30 4.5 AD 转换相关函数 .31 第 5 章 系统调试与仿真 .33 第 6 章 结束语 .36 致谢 .37 参考文献 .38 附录 .39 附录-1 AT89S52 头文件 .39 附录-2 数字式温度计原理图.44 附录-3 数字式温度计程序.45 数字式温度计的设计 - 1 - 第 1 章 概论 随着“信息时代”的到来和科技技术的不断发展，传感器技术得到了明显的提 高，其应用领域越来越广泛，对其性能要求也越来越高，需求也越来越迫切。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。 传感器主要应用于控制系统和测量，传感器的性能好坏直接影响到系统的性能。 因此必须掌握各类传感器的性能指标、原理及其结构，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控制的要求、显示和处理，且只有通过对传感器应用 实例的原理和智能传感器实例进行分析了解，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 非常广泛，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也 就不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度非常快，以及其应 用非常广，具有有很大潜力1。 为了提高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。本文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及实现热电转换的原理过程。 本设计应用较强，该系统可以作为温度测量显示系统，如果稍微改装可以做成 温度调节控制系统、生产线温度监控系统等等。本课题主要任务是完成环境温度检 测并实时显示温度，超过某设定温度时及时报警。设计后的系统具有操作方便，控 制灵活移植性强等优点。 本设计系统主要包括温度传感器，信号放大电路，A/D 转换模块，键盘输入模 块，数据处理与控制模块，温度显示模块六个部分。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。 1.1 课题背景 - 2 - 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事 什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自 18 世纪工业革命以来，工业发展对 是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行 业，可以说几乎%80 的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重 要，由此推进了温度传感器的发展。 传感器主要大体经过了三个发展阶段2： 模拟集成温度传感器该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅 传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差 小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控 温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一 种集成传感器，典型产品有 AD590、AD592、TMP17、LM135 等。 模拟集成温度控制器模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度 控制器，典型产品有 LM56、AD22105 和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器 (例如 TC652/653)中还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器 有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要 区别。 智能温度传感器能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在 20 世纪 90 年代 中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温 度传感器内部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和 接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM) 和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制 量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能 的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。 进入 21 世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准 标准化、高 可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方 向迅速发展。传感器在温度测控系统中的应用。目前市场主要存在单点和多点两种 温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又 以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用3。 数字式温度计的设计 - 3 - 此种产品测温范围大都在-200800之间，分辨率 12 位，最小分辨温度在 0.0010.01 之间。自带 LED 显示模块，显示 4 位到 16 位不等。有的仪表还具有存 储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需 要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温 度的测控，但价格昂贵。 1.2 数字式温度计发展趋势 全球温度正呈现上升的趋势，更加有效地利用能源成为当务之急。降低能耗的 主要对象之一是电机。据粗略统计，电机消耗了美国一半以上的能量。在家庭中使 用的电机数量一般不下 50 台，一部汽车里通常有 70 至 80 台电机，至于在工业领 域，工厂自动化中应用的电机更加比比皆是。 当前，单片机（MCU）技术取得的进步能够比以往任何时候都更加有效地控制 电机，而成本却更低。这种进步对市场的影响一方面加速了从机电控制到电子式控 制的转变，另一方面可以实现电机的变速控制，优化电机的运行。而且，对整个市 场而言，降低了元器件的整体成本。 随着控制算法在各个市场领域中复杂程度的不断提高，数字电机控制器的处理 能力需要从单片机的性能水平提升到数字信号处理器（DSP）的性能水平。数字信 号控制器（DSC）性能更高而价格适中，采用设计人员熟悉的单片机技术，适用于 更加复杂的电机控制设计，包括矢量控制设计。DSC 的运行速度高达 30MIPS，并 具有高达 144KB 的闪存和电机控制专用的集成外设，可实现先进的新型电机控制 应用。有了基于单片机和 DSC 的电子电机控制，家用电器、工业控制及汽车不仅 运行效率更高、功能更丰富，而价格也适中。 1.3 数字式温度计基本原理 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，经过运算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 AT89S52，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。 - 4 - 第 2 章 数字式温度计总体方案论证 2.1 系统设计原则 数字式温度计的设计一般应遵循以下原则： （1）稳定性和可靠性：在考虑技术先进的同时，应当确保系统可靠稳定的运行。 （2）先进性和实用性：所设计的智能化对讲系统应该在体现实用的原则下，尽可 能的采用先进的技术和方法，力求物尽其用，不虚设浪费。 （3）可扩展性和易维护性：为了适应用户要求，必须充分考虑系统的扩展能力和 升级能力。同时系统应当便于维护，而且尽可能的降低系统的运行和维护费用。 （4）具有高性价比，能够做到物有所值，追求物超所值。 2.2 控制系统方案论证 方案一：凌阳 16 位单片机中断源和时基丰富。它的准确度很高，而且 C 语言 和汇编兼容的编程环境也方便来实现一些递归调用。I/O 口功能也较强大。用凌阳 16 位单片机做控制器的最大特色就是它的可编程音频处理，可进行语音的录制播放 和识别。这些都方便对设计进行扩展，使设计更加完善。成本也相对低一些。但在 控制与显示的结合上有些复杂，显示模组资源相对有限，且单片机的稳定性不是很 高。目前广泛使用的单片机有 8 位，16 位和 32 位。考虑到楼宇对讲系统所使用的 单片机要求不高，将单片机的型号局限在 8 位单片机中以降低成本。 方案二：可采用 ALTERA 公司的 FLEX10K 系列 PLD 器件。设计起来结构清 晰，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，控制与显示的模块间的连接也会比较 方便。但是考虑到本设计的特点，EDA 在功能扩展上比较受局限，而且 EDA 占用 的资源也相对多一些。从成本上来讲，用可编程逻辑器件来设计也没有什么优势。 方案三：采用 ATMEL 公司的 51 系列单片机。AT89S52 是一种低功耗、高性 能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高 数字式温度计的设计 - 5 - 密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧 的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 经过比较和筛选和综合考虑，数字式温度计这个不太复杂的设计不必用凌阳 16 位单片机或 PLD 逻辑器件来完成，采用 51 单片机既能够实现既定功能，成本也不 高。 2.3 显示部分方案论证 方案一：采用 8 段数码管虽操作比液晶显示来说略显繁琐，但本系统显示要求 不是太高，而且选用数码管经济实惠。 方案二：采用液晶显示方式。液晶显示效果出众，可以运用菜单项来方便操作， 比较简单，所以，最后选择数码管显示方案。 2.4 温度传感部分方案论证 方案一：采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片 封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空 间设备数字测温和控制领域。但其精度只能达到 0.5。 方案二：采用 pt100 是铂热电阻 。Pt100 常应用于医疗、电机、工业、温度计 算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛。所以，最后温度传感器部分 选择采用 PT100。 2.5 键盘输入部分方案论证 方案一：采用独立式键盘结构。独立式键盘占用 I/O 口较多，但如果设计成三 键调整式对于用户操作用十分麻烦。 方案二：采用矩阵式。采用矩阵式用户可以非常方便的设置报警温度的门限值。 矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的 交叉点上。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立按键键盘相比，要节 - 6 - 省很多的 I/O 口。所以我们选择矩阵式键盘。 数字式温度计的设计 - 7 - 第 3 章 数字式温度计硬件设计 3.1 系统工作原理 本数字式温度计主要由 AT89S52 单片机、信号调理电路、键盘输入电路和显 示电路等部分组成。如图 3-1 所示。 AT89S52 键盘键盘 PT100 温温 度传感器度传感器 信号调理信号调理 温度显示温度显示 超限报警超限报警 图 3-1 数字式温度计原理图 系统工作原理: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，以实现温度的实时监控。 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编 程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适 于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定 时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全 双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作， - 8 - 支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻 结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89S52 外形结构如图 3-2 所示。 图 3-2 AT89S52 外形结构图 P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻 辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程 序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， P0 不 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时， 输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 数字式温度计的设计 - 9 - P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流（IIL） 。 此外，P1.0 和 P1.1 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时 器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） 。 在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位 地址字节。 引脚号第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流（IIL） 。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储 器（例如执行 MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据 存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p3 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流（IIL） 。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下 表所示。 在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口) - 10 - P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断 0) P3.3 INT1(外中断 1) P3.4 TO(定时/计数器 0) P3.5 T1(定时/计数器 1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 是单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许） 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当 访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 FLASH 存储器编程期间，该引脚 还用于输入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中 的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序 时，应设置 ALE 禁止位无效。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效， 即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H- FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程， 复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部 程序存储器的指令。FLASH 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 数字式温度计的设计 - 11 - 3.2 传感器信号处理电路 3.2.1 热敏铂电阻 PT100 简介 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。 正温度系数热敏电阻 PT100 温度系数约为 0.4/。PT100 温度-阻值对应关系 如表 3.1 所示。 表 3.1 PT100 温度-阻值对应关系 温度0123456789 电阻值(） -4084.2783.8783.4883.0882.6982.2981.8981.581.180.7 -3088.2287.8387.4387.0486.6486.2585.8585.4685.0684.67 -2092.1691.7791.3790.9890.5990.1989.889.489.0188.62 -1096.0995.6995.394.9194.5294.1293.7393.3492.9592.55 010099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.48 0100100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.51 10103.9104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.4 20107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.9111.29 30111.67112.06112.45112.83113.22113.61114114.38114.77115.15 40115.54115.93116.31116.7117.08117.47117.86118.24118.63119.01 50119.4119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.86 60123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.69 70127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.52 80130.9131.28131.66132.04132.42132.8133.18133.57133.95134.33 90134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.99137.37137.75138.13 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) - 12 - 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 工作原理 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。 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。 3.2.2 运算放大器 LM358 简介 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作 条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模 组,音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所可用单电源供电的使用运算放大 器的场合。 LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。其引脚功能图如图 3-3 所示： 数字式温度计的设计 - 13 - 图 3-4 LM358 引脚功能图 LM358 主要特性(Features)如下： 内部频率补偿。 直流电压增益高 (约 100dB) 。 单位增益频带宽 (约 1MHz) 。 电源电压范围宽：单电源 (330V)；双电源(1.5 一15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（ 0 至 Vcc-1.5V) 。 主要参数如下： 输入偏置电流 45 nA 输入失调电流 50 nA 输入失调电压 2.9mV 输入共模电压最大值 VCC1.5 V 共模抑制比 80dB 电源抑制比 100dB 3.2.3 传传感器信号感器信号处处理理电电路原理路原理 温度变化反映在热敏电阻的阻值变化上，可以采用电桥电路将电阻的变化转化 为电压的变化。由于热敏电阻的温度系数很小，其上的电压变化就很小。因此还需 - 14 - 要对热敏电阻上的电压进行放大，再送入 AD 转换，然后输出给单片机。如图 3-4 显示了所采用的方案。将热敏电阻和三个 100 电阻串并联形成单臂桥，取热敏电 阻上的分压，通过运算放大器放大 20 倍6。 图 3-4 传感器信号处理电路 这样得到的信号可能含有噪声，因此需要进行滤波和稳压处理，如图 3-2 所示。 经过 R6、C8、C9 组成的滤波电路滤波处理后，电压信号即可进入 AD 转换器转化 为数字信号。 3.3 AD 转换电路设计 3.3.1 AD 转换电路原理 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 数字式温度计的设计 - 15 - 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。 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8：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 TI 公司的 12 位串行 AD 转换器 ADS7816，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。 ADS7816 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(DCLOCK)以及串行数据输入端(Dout)。采样保持是自动的，转换结束，EOC 输出变高。 3.3.2 数模芯片 ADS7816 简介 ADS7816 是 TI 公司的 12 位串行 AD 转换器，采样频率高达 200 kHz，转换 所需时间短，转换精度高。ADS7816 外形结构如图 3-5 所示。 - 16 - 图 3-5 ADS7816 外形结构图 由于它的输出形式为位串行，因此在对 ADS7816 进行读数据操作时需注意数 据转换过程中的时序。当 ADS7816 的片选端下降沿到来时，开始启动一次 AD 转换，保持转换时钟输入和片选信号低电平，最初的 152 个时钟时间里，完成 模拟信号的采样，这段时间 ADS7816 的输出呈高阻状态(HI-Z)。紧接着的 1 个时钟 周期里，DOUT 输出 1 个空位(NULL BIT)。随后，ADS7816 在 12 个连续的时钟周 期内把 12 位的 AD 转换结果输出，其中先输出最高位(MSB)，最后输出最低位 (LSB)。如果 12 位数据送出后仍有转换时钟且 ADS7816 的片选仍保持低电平，那 么转换器会从最低位起逐位重复输出之前转换的结果。当下一个片选信号的下降沿 到来时，AD 转换器开始启动下一次 AD 转换。 3.3.3 AD 转换接口设计 ADS7816 和单片机之间的连接如图 3-6 所示。其中 AD 的参考电压采用外部输 入 2.5V，其外部基准有高精度基准源 TL431 提供。AD 的数据口和 AT89S52 的 P1.7 相连接，AD 的时钟端口和单片机的 P3.7 相连接。 数字式温度计的设计 - 17 - 图 3-6 AD 转换接口 3.4 温度报警电路设计 温度报警电路如图 3-7 所示，当被测温度超过设定值时，单片机 P2.7 口发出高 电平，三极管 S8050 导通，蜂鸣器和 LED 警报指示灯点亮。 图 3-7 温度报警电路 3.5 电源电路设计 电源电路如图 3-8 所示，直流电源从 CON2 接口引入,经过 LM1117 稳压到 5V。经过稳压和滤波，从而给系统稳定供电。按下开关 SP 电源接通，指示灯 LED 点亮，系统开始工作。 - 18 - 图 3-8 电源电路 3.6 LED 数码显示电路 3.6.1 LED 数码管简介 LED 显示器件是通过发光二极管显示字段的器件。在单片机控制系统中常用的 是由 7 段 LED 数码管，它的显示块中有 8 个发光二极管，7 个发光二极管组成字符 “8”，1 个发光二极管构成小数点，因此有人称 7 段 LED 数码管为 8 段显示器。 LED 数码管的管脚配置如图 3-9 所示。 图 3-9 LED 数码管管脚配置 LED 数码管有共阴极和共阳极两类，如图 3-10 所示。共阴极 LED 数码管的发 光二极管的阴极共地，如图 3-10（a）和图 3-9，当某个发光二极管的阳极电压为高 电平时，二极管发光；而共阳极 LED 数码管是发光二极管的阳极共接，即将图 3-9 的管脚 3 和管脚 8 都接到 5V，共阳极数码管如图 3-10（b），当某个二极管的阴极 电压为低电平时，二极管发光。 数字式温度计的设计 - 19 - 图 3-10 两类 LED 数码管 3.6.2 LED 数码显示接口电路 随为了实时显示当前温度，引入了三个数码管。单片机测得当前温度，控制数 码管相应的管脚，以数字形式显示。 由于本系统只需显示三位和一位符号位，而单片机刚好有三组 I/O 口余留，从 产品性价比考虑我们采用三位共数码管的静态显示方式，符号位有一颗一字 LED 完成显示。三个数码管的 8 段分别连接单片机 P0、P1、P2 口。当控制端为高，数 码管阴极和地断开，该数码管对应段选不亮；当控制端为低，数码管阴极和地接通， 该数码管对应段选点亮。显示电路如图 3-11 所示。 图 3-11 显示电路 3.7 按键电路设计 - 20 - 3.7.1 键盘原理 键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预主要 手段。键盘分两大类:编码键盘和非编码键盘。 （1）：编码键盘:由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。按一 次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具 有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任 务繁重之情况，采用 8279 可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘统是很实用的 方案。 (2)非编码键盘:只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如:键的识别，决定 按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用 CPU 较多时间。它主要有: 独立式按键结构、矩阵式按键结构。键盘按键所用开关为机械弹性开关，利用了机 械触点的合、断作用。由于械触点的的弹性作用，一个按键开关在闭合和断开的瞬 间均有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为 51Oms， 这是一个很重要的参数，抖动过程引起电平信号的波动，有可能令 CPU 误解为多 次按键操作，从而引起误处理。为了确保 CPU 对一次按键动作只确认一次按键， 必须消除抖动的影响。按键的消抖，通常有软件、硬件两种消除方法，本文采用的 是软件消抖动。 3.7.2 键盘与单片机的接口电路 本系统在键盘中按键数量较多时，为了减少 I/O 口的占用，通常将按键排列成 矩阵形式，如图 1 所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连 通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如 P1 口）就可以构成 4*4=16 个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比 如再多加一条线就可以构成 20 键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9 键） 。 由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。设计采用的是 矩阵式按键结构按键，其电路图如图 3-12 所示： 数字式温度计的设计 - 21 - 图 3-12 键盘接口电路 3.8 电路板的制作 3.8.1 电路板布线技巧 随着电子技术的迅猛发展，大规模、超大规模集成电路的使用使 PCB 的布线 越来越精密和复杂，PCB 布线设计的好坏对系统性能的影响非常大。在进行 PCB 设计时，不但要考虑 PCB 设计的基本规则，还要考虑如何降低电板的电磁干扰性 能。在 PCB 布线设计时，通过合理的信号布线设计、电源布线设计，这也是提高 电磁兼容的好办法。主要用到的方法如下: (l)为了抑制导线之间的串扰，在布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽量拉 开线与线之间的距离，信号线与地线和电源线尽可能不交叉，在一些对干扰十分敏 感的信号线之间设置一根接地的印制线，这样可以有效地抑制信号串扰。 (2)导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度以及流过它们的电流值 决定。当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 1-3mm 时，可通过 2A 的电流。对于集成电 路、数字电路，通常选 0.25-0.4mm 导线宽度。当然，只要条件允许，还是尽可能 用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由线间绝缘电阻和击穿电压决 定。对于集成电路和数字电路，只要工艺允许，可使间距小至 5mm。 (3)导线拐弯处一般取圆弧形或 45 度角