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高精度、宽动态范围温度温差仪的研究 摘要 本文介绍了基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片的高精度、宽测温范围的温度温差测量仪 的研究。该测温仪具有精度高、测温范围宽、抗干扰能力强、稳定性好等特点， 具有良好的应用前景。 本文首先介绍了温度测量的方法和发展概况以及课题研究的现实意义，比较 了热电偶和热电阻的测温方法，说明了仪器的工作原理，采用桥式r v 电路和 2 4 位的a d 转换器实现了高精度、宽动态范围。接着本文详细介绍了硬件各功 能模块的原理、设计方案、芯片选择依据和调试方法，详细说明了采用模块化方 法设计的测温仪软件部分及其流程，同时介绍了最小二乘法拟合温度曲线的方 法，采用单总线数字温度计测室温拟合曲线增强了温度计的稳定性。最后本文说 明了一些实用的软硬件抗干扰措旌、系统调试过程以及数据的处理。 从调试和测试结果看，本温度温差仪达到了设计的预期目标，较以往的温度 计温差测量范围都要宽的多，实际测量可达到l o o 。 关键词：贝克曼温度计，单片机，温度温差仪，热电阻 t h es t u d yo nt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t w i t hh i g hp r e c i s i o na n dl a r g ed y n a m i cr a n g e t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tw i t h h i g hp r e c i s i o na n dl a r g e d y n a m i cr a n g eb a s e do nm s p 4 30 f 14 9c h i ph a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e lt h i s i n s t r u m e n tw a sc h a r a c t e r i z e db yh i g hp r e c i s i o n ，l a r g et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t r a n g e ，a n t i - e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ea n dg o o ds t a b i l i t y i tw i l lb ea p p l i e dv e r y w e l li nt h ef u t u r e f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h em e t h o da n dt h es i t u a t i o no ft h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t ，a n dt h em e a n i n go ft h i ss t u d y t h ed i f f e r e n c e o f t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tb e t w e e nh e a tt r a n s d u c e ra n dh e a tr e s i s t e n c ew a sc o m p a r e d ，a n dt h e p r i n c i p l eo ft h i si n s t r u m e n tw a sa l s oi n t r o d u c e d - - t h eh i g hp r e c i s i o na n dl a r g e d y n a m i cr a n g eo ft h i sm e a s u r e m e n tw a sa c h i e v e db ya d o p t i n gb r i d g er - vc i r c u i t s a n d2 4b i ta dt r a n s d u c e r t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dt h ed e s i g nm e t h o d so fe v e r y f u n c t i o n a lm o d u l a ra n dt h eb a s i so fc h o o s i n gt h ec h i p sa n dt h ed e b u g g i n gm e t h o d i nd e t a i l e d ，t h es o f t w a r ep a r to ft h ei n s t r u m e n ta n dt h ed e s i g nc o u r s eb ym o d u l a r m e t h o dw a si n t r o d u c e d a n dt h em e t h o do f s i m u l a t i n gt h ee q u a t i o nw i t ht h e l e a s t s q u a r em e t h o dw a si n t r o d u c e d a tl a s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t ss o m ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e so ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，f i l t e ra r i t h m e t i ca n dt h es y s t e md e b u g g i n gp r o c e s s f r o mt h er e s u l to fd e b u g g i n ga n dm e a s u r e m e n t ，t h i si n s t r u m e n ti sv e r yg o o dt o g e tt ot h eg o a l ，a n dt h er a n g eo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc a nc o m et o 10 0 1 a r g e rt h a no t h e ra n a l o g o u si n s t r u m e n t s k e yw o r d s ：b k mt h e r m o m e t e r ，s c m ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，h e a t r e s i s t e n c e 插图清单 图卜1 玻璃管式贝克曼温度计 图2 一lp t l 0 0 0 铂电阻温度传感器的结构 图2 2 温度温差测量桥式原理图 图2 - 3 测温仪工作原理图，。 2 7 8 9 图3 1 测温仪的硬件框图1 0 图3 2 单片机电路，1 2 图3 - 3 晶振操作模式电路1 2 图3 4 + 5 v 和+ 3 v 电源电路，。1 3 图3 - 5 5 v 电源电路。，。1 4 图3 6 复位电路1 4 图3 7 采集、滤波、放大电路15 图3 8a d 转换电路1 6 图3 - 9 显示接口电路18 图3 1 0 打印机接口电路。1 9 图3 1 1 通讯电路，。，。，。，2 0 图3 1 2d s l 8 8 2 0 工作电路，2 1 图3 一1 3d s l 8 8 2 0 管脚排列2 2 图3 - 1 4 键盘接口电路2 3 图3 一1 5 按键时抖动波长示意图2 4 图3 1 6 蜂鸣器电路，2 4 图4 1 测温仪的软件总流程图，3 0 图4 2a d 转换程序流程图3 0 图4 3 最小二乘法拟合曲线程序流程图3 1 图4 4d s l 8 8 2 0 的初始化时3 2 图4 5d s l 8 8 2 0 的读时序3 2 图4 6d s l 8 8 2 0 的写时序，。，。3 3 图4 7d s l 8 8 2 0 软件流程图，3 3 图4 8 数据处理程序流程图3 4 图4 9h d 7 2 7 9 的纯指令时序，3 5 图4 1 0h d 7 2 7 9 a 的带数据指令，3 5 图4 一l l 显示程序流程图，。，3 6 图4 1 2 打印程序流程图3 6 图4 1 3 通讯程序的用户界面3 7 图6 - 1 仪器仪表的调试流程图4 2 表格清单 表2 - 1 导体的电阻温度系数7 表3 1 打印机并行接口引脚信号1 9 表3 2 分辨率设置表。，2 3 表6 1 数据采集表4 4 表6 2 不同室温下的零点a d 值4 6 表6 - 3 不同室温下的拟台系数4 7 表6 4 系数表达式4 8 表6 5 温差差值对照表4 8 表6 6 温度测量值5 0 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆兰些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：叠嘲音签字日期：岳午月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目b 王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：立翔千 签字日期；2 - i 年年月为日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： f 导师签名； i中凌 签字日期：五彳年耳且知日 电话： 邮编： 致谢 经过两年半的学习和实践，终于完成了本课题的研究。在此，我要向曾 经帮助过我的老师和同学们表达我最衷心的感谢! 首先，我要感谢我的指导老师周汉义副教授! 我在从事课题研究及论文 撰写过程中，得到了他的悉心指导和帮助。在学业上，周老师以广博的学识 和丰富的经验，启发我的思路，帮助我建立信心和勇气，激励我在材料学和 电子领域里不断探索；在生活方面，周老师也给予我无微不至的关怀，而且 教会了我许多做人的道理，这些对于我来说都是非常宝贵的财富，使我终生 受益! 我要感谢材料学院里所有领导和教师们，感谢他们多年的栽培教育，感 谢他们在本科和研究生阶段给予我的谆谆教诲和指导，感谢他们在学习和生 活上给予的关怀和帮助! 我还要感谢我的学友们，感谢他们在诸多方面给予我的帮助和支持! 感谢所有给予我支持、启迪和帮助的老师和朋友们! 作者：孟丽平 2 0 0 6 年4 月 1 1 引言 第一章绪论 温度是表征物体冷热程度的物理量，在工农业生产和日常生活中，对温度 的测量及控制始终占据着重要地位“1 。物体的许多物理现象和化学性质都与温 度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。温度过高或过低都会 对产品的质量和产量造成影响，甚至还会使产品报废、设备损坏。因此，在国 防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的 作用妇”。在材料学领域里，由于温度是影响材料的组织结构和性能的一个十分 重要的工艺参数，精确有效地检测和控制温度，是十分有意义的。 科学的不断发展为测量仪器仪表不断提供新原理、新技术及新器件，同时， 随着科研和生产的高速发展，又对测量技术提出更新、更高的要求。近十几年 来，随着半导体、集成电路和微处理技术的迅速发展，推动了数字化测量技术 的进步，尤其是微处理器在测量技术和仪表中的应用，使仪表行业成为计算机 应用的一个重要领域。这类仪表用软件代替某些硬件，使整个仪表线路大为简 化，成本降低，体积减小，功能增强，精度提高，集测量、控制和数据处理为 一体，能方便接入计算机控制系统中”1 。当前，智能化测量仪器仪表越来越被 广泛地应用于各个生产部门，在生产过程中起着举足轻重的作用。 1 2 课题的现实意义 在工业生产中，有品种繁多功能各异的测控温度仪器仪表可供选择，但用 于实验室的高精度温度测量仪器却比较少，尤其是宽动态范围( 例如测温范围 为一5 0 c 5 0 0 。c ，温差范围为5 0 c ) ，温度分辨率达到0 0 l 、温差分辨率 达到0 0 0 1 的温度温差计较少报道，而其在科学研究中却很常用。在高精度 温度测量中常采用电位差计测量电势，查表外推得到温度。高精度温差测量采 用玻璃贝克曼温度计，其结构如图卜1 所示，由水银球、毛细管、水银贮槽、 刻度尺和温度标尺构成吩”。水银槽与水银贮槽由均匀的毛细管连通，其中除水 银外是真空。水银贮槽是用来调节水银球内的水银量的，水银贮槽管径较粗， 其中水银面对温度的变化反应非常迟钝，当水银贮槽中的水银与水银球中水银 完全相连时，水银贮槽中水银面所在的刻度( 温度标尺上) 表示温度粗值( 绝对温 度) ”。可见贝克曼温度计是精密测量温度差值的温度计，但不能精确测量温 度的绝对值，若要用来测量温度的绝对值，其误差比普通温度计要大很多。 毛纲馈 紫一 术镶贮稽 l 图1 - 1玻璃管式贝克曼温度计 这种贝克曼温度计的刻度有两种标法：一种是最小刻度刻在刻度尺的下端， 最大读数刻在刻度尺的上端：另一种恰好相反。前者用来测量温度的升高值，称 上升式贝克曼温度计；后者用来测量温度降低值，称下降式贝克曼温度计。在 使用时要先调节，而调节这个环节对于初学者来说是很难的，一次调节的时间 长，并且难以一次成功。 由此我们可以看出玻璃管式的贝克曼温度计在测量时存在很多的缺点，如 操作繁琐复杂，读数困难，精度低，误差比较大，太易损坏怕震等。因此研制 数字式、宽动态范围、高精度温度温差计有重要的实际意义。 本温度计用于高精度温度温差的测量。温度的测量可达到0 0 1 的分辨率， 主要用在水浴温控和相变点测量控制。温差的测量可达到0 0 0 1 的分辨率， 用于相变点、相变潜热的测量，如精确测量结晶温度、燃烧热、反应热等。 1 3 温度的测量方法 温度的测量方法可分为接触式和非接触式测温。前者是测温元件直接与被 测介质接触，根据热力学第零定律，当传感器与被测介质处于热平衡状态时， 传感器感受的温度，就是被测介质的温度”3 。接触式温度计主要有膨胀式温度 计、压力式温度计、电阻温度计和热电偶温度计等。后者是测温元件不直接与 被测介质接触，而是根据光和热辐射原理，将被测介质的辐射能量，通过适当 的方式聚集并投射在光敏或热敏元件上，热能转换为电信号输出以测定温度。 非接触式温度计主要有辐射高温计、光学高温计、比色高温计等。 现对接触式测温和非接触式测温的特点做一下简单比较。 接触式测温需将测温元件与被测物接触，会破坏被测物温度场，且测温 元件易发生化学反应，而非接触式测温就不存在此问题。 2 接触式测温使测温元件与被测物达到热平衡，因而测温时产生的时间滞 后较大。非接触式测温是通过被测物的热辐射进行，反应速度较快。 接触式测温由于测温元件直接与被测物接触而达到相同的温度，因而测 量高温受到一定限制。非接触式测温元件不需达到与被测物相同的温度，故测 量的温度上限高。 接触式测温可测量低温和超低温且准确度高。而因为温度低辐射能量小， 致使非接触式测温不适宜测低温。 因为本温度计测量一5 0 5 0 0 范围内的温度，而精度要求较高，所以采 用接触式测温。 i 4 现代测温技术的发展 现代测温技术主要有红外非接触测温技术、基于彩色c c d 三基色的测温技 术、单总线数字式测温技术和激光测温技术等h 1 。与传统的温度测量技术相比， 现代测温技术的主要特点是：多为非接触式，对传感器耐热性能无特殊要求， 避免了传感器和被测目标的相互干扰，测温范围大，无热惯性，响应速度较快， 可以测量微小目标的温度，满足众多场合对温度测量范围和精度的要求。 l 。4 1 红外非接触测温技术 温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射，利用物体产生的红外辐射能 量的强度与物体温度的关系可以确定物体的温度。红外测温仪按不同设计原理 可分为全辐射测温仪、亮度测温仪和比色测温仪三类。全辐射测温仪灵敏度较 低，响应慢，受e 影响较大，而且精度不高，测量范围一般较小；亮度测温仪 不需要环境温度补偿，受e 影响较小，测量精度高但是仅仅使用于高温测量： 比色测温仪利用两个相近波段内单色光辐射能量的比值来确定目标温度，受烟 雾灰尘的遮挡影响较小，测量误差小。 红外检测仪器的响应波长应根据目标辐射的光谱分布选择合适的对应波 长。高温物体红外辐射能量集中在波长较短的区域，而低温物体红外辐射能量 集中在波长较长的区域，同时红外探测器的工作波段必须落在大气窗口中。一 般来说高温( 5 0 0k 以上) 测量选择波段在3 um 5 i im ，低温( 3 0 0 k 5 0 0 k ) 测量 选择波段在8um 1 4um 。 红外非接触测温技术比较成熟，在工业上应用较为广泛，但该技术总是摆 脱不了目标的e 变化对测量精度的影响，标定起来较为复杂。 1 4 2 基于彩色c c d 三基色的测温技术 彩色c c d 成像具有自扫描特性，以噪声低、灵敏度高、动态范围大、功耗 低、体积小、重量轻和寿命长等优点而被广泛应用。在彩色c c d 拍摄到的物体 图像中，每个像素以波长分别为7 0 0n m 、5 4 6 1i 3 n l 、4 3 5 8 n m 的红、绿、蓝三 基色值( 即r g b 值) 储存。由确定的算法对测量的r g b 值进行处理，求得物体的 温度场。彩色c c d 三基色测温方法在锅炉、内燃机等高温温度场的测量和诊断 中应用较为广泛。 1 4 3 激光测温技术 ( 1 ) 分布式光纤测温技术。分布式光纤测温技术是基于激光在光纤中的散 射特性，基于激光的干涉或衍射特性的激光测温技术。光纤温度传感器利用了 光信号在光纤中的散射效应，实现对携带温度信息的光信号的识别和起源位置 的确定。 ( 2 ) 基于干涉特性的激光测温技术。典型的利用激光干涉技术( l i t ) 测量 温度的方法被用于测量镀膜基板温度的测量中，该方法测温准确、响应迅速、 测量范围大，应用广泛。 ( 3 ) 基于衍射特性的激光测温技术。基于激光衍射技术的长周期光纤光栅 ( l p g ) 测温技术近年来得到较大发展，l p g 与布喇格光栅( f b g ) 相比，有较高的 精度，解调简单，灵敏度高等优点。 1 4 4单总线数字式温度测量技术 数字式温度传感器对传统的信号放大电路、采样电路和a d 转换电路进行 集成，可直接将传感器模拟信号转换为数字信号，并以总线方式传送到计算机、 微处理器或数字信号处理器进行数据处理。常见的数字式温度传感器有 d s l 8 2 0 、a d 7 4 1 6 、m a x 6 5 7 5 、d s l 8 8 2 0 等。 1 5 数字贝克曼温度计的发展概况 在国外早就出现了这种温度计，但造价很高。近二十多年，随着我国电子 技术的飞速发展，半导体材料的进步以及计算机技术的发展和应用，测温技术 得到了长足的进步和发展，国内也研制出了这种温度计。桑力公司已经有产品 在市场上销售。这种产品经验证，它的温差范围相对玻璃温度计是变宽了，但 还是比较窄只能达到1 0 1 2 ，在测量时操作( 尤其是调零) 麻烦，实际使用有 效读数只能达到0 o l 不能达到0 0 0 1 ，稳定性不好。从理论上分析响应速 度慢，不能用于快速测量，因为它们采用的a d 转换器是1 6 位，因此限制了它 的动态范围和分辨能力。 1 6 本文的研究内容 本课题研究的主要内容是：研制开发一种高精度、宽动态范围的测量温度 温差的仪器。具体进行以下工作： 4 1 、对本温度温差测量仪及m s p 4 3 0 芯片控制系统的特点与要求进行分析， 设计温度温差测量仪的总体结构。包括硬件部分、软件部分以及结构部分的总 体设计。选择合适的传感器和a d 转换器。 2 、对测温仪的电控部分进行原理性设计，并设计出合理的p c b 板，同时采 取适当的抗干扰措施。其中原理图的设计主要包括供电电源电路的设计、放大 电路的设计、滤波电路的设计、a d 转换电路的设计、单片机电路的设计、人 机对话的硬件设计。 3 、采用模块化设计方法设计测温仪的控制系统软件，并用最小二乘法对数 据进行处理，建立数学模型，对测温值进行修正。软件主要包括：a d 转换模 块、数据处理模块、显示模块、打印模块、通讯模块以及控制模块等。 2 1 传感器的选择 第二章测温仪的工作原理 能够把特定的被测量信息( 如物理量、化学量、生物量等) 按一定规律转 换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器“3 。 热电偶与热电阻均属于温度测量中的接触式测温，尽管其作用相同都是测 量物体的温度，但是他们的原理与特点却不尽相同。 热电偶是温度测量中应用最广泛的感温器件，他的主要特点就是测温范围 宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，可直接产生电信号，便于自 动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或 半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势， 这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种 电势组成；温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而 产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同， 而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不 同所以产生一定的电子扩散，当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电 势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度。目前国际上 应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分 别为b ，r ，s ，k ，n ，e ，j 和t ，其测量温度的最低可测零下2 7 0 摄氏度，最 高可达1 8 0 0 摄氏度，其中b ，r ，s 属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属， 所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶 的结构有两种，普通型和铠装型。普通型热电偶一般由热电极，绝缘管，保护 套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电偶丝，绝缘材料和金属 保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但是热电 偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递，这种导线我们称为补偿导线。 不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电偶 的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的 特性。其优点也很多，可以远传电信号，灵敏度高，稳定性好，互换性以及准 确性都比较好，不需要补偿导线，而且具有极佳的性能价格比。但是需要电源 激励，不能够瞬时测量温度的变化，而且测温范围窄。工业上常用铂热电阻和 铜热电阻，铂热电阻比铜热电阻精度高，是目前国际上公认的高精度测温的标 准传感器”“a 本次实验采用p t l 0 0 0 铂电阻传感器。p t l 0 0 0 是一种最新研制出 来的热电阻传感器，铂的材料电阻值对温度的变化几乎是线性，这种特性使得 我们能够精确的依据事先定义的曲线计算待测物体的温度，并设计相应的电路： 6 铂的阻值大，对温度的变化有很灵敏的反应；铂的特性稳定不会因为高低温而 引起物理或化学变化；铂电阻元器件在一2 0 0 6 0 0 。c 宽动态范围内拥有长期稳 定性好的特点；高的可靠性，即使长期使用，铂电阻元件仍然十分稳定，在温 度为6 0 0 c 的条件下，电阻的变化 r 1 、r 2 时，则： v = i ( r 。一r ：) 2 即选择的r 值比测温电阻阻值r 。、r ：大很多时，输出电压v 与电阻差成正比。 我们采用p t l 0 0 0 作为传感器的热电阻，在小温度范围内其电阻与温度成线性关 系，则电压v 与温度值的关系是一定的，则用最小二乘法即可将a d 转换值拟 i 一；一 慧薹；黝麟戮豢 蒸幕一 燮瑟一i耋童嚣嚣篓囊 缀鋈篆鉴誊戮2感黧 怒鬻一黧 合成温度值。因此电压信号经放大器放大处理后，进行滤波、a d 转换，然后 由单片机经过处理后将温度值送入显示器显示。 电 坑 识 图2 - 2温度温差测量桥式原理图 如图2 3 为测温仪的工作原理图： 图2 - 3 测温仪工作原理图 第三章测温仪的硬件设计 3 1 测温仪的硬件设计概述 如图3 - 1 所示，测温仪由传感器和电路部分组成，其中电路部分包括桥式 电路、供电电源电路、放大电路、滤波电路、单片机电路、a d 转换电路、显 示电路、键盘电路、打印机电路以及报警电路。 3 2 测温仪电路部分的设计 图3 - i 测温仪的硬件框图 3 2 1 测温仪的微处理控制芯片选择 单片机是整个系统的核心，本课题研制开发的是具有高精度的测温仪器。 在测温过程中，需要对大量的数据进行存储，同时还要对它们进行复杂和快速 的处理，这就要求微处理控制芯片应具备大的存储容量、高速的运算能力以及 快速的指令执行速度，考虑到功能实现、设备性价比以及开发周期等因素，我 们选用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片。 3 2 1 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 的优点 t i 公司的m s p 4 3 0f 1 4 9 单片机，是一种具有超低功耗特性的功能强大的单 片机。它具有f l a s h 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出比 较明显的优点。 超低功耗 m s p 4 3 0 f 1 4 9 运行在1 m h z 时钟条件下，工作电流视工作模式不同为0 1 1 0 4 0 0 u a 。工作电压为1 8 3 6 v 。 强大的处理能力 m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有丰富的寻址方式( 源操作数7 种，目的操作数4 种) ，但 只需简洁的2 7 条指令；片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算；有高效的 查表处理方法。这些特点保证了可以编出高效的程序。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统 处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6 u s 。 丰富的片上外围模块 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的片上外围模块功能相当丰富，其中包含：1 2 位a d ，精密模 拟比较器，硬件乘法器，2 组频率可达8 m h z 时钟模块，2 个带有大量捕获比较 寄存器的1 6 位定时器，看门狗，2 个可实现异步、同步及多地址访问的串行通 信接口，数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口等。 方便高效的开发方式 m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有f l a s h 存储器，这一特点使得它的开发工具相当的简便。 利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内b o o tr o m ，可以在一台p c 及一个j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试。 综合以上特点可见：采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为该温度计的处理器，可简 化系统电路设计、缩短系统制作的时间、同时又能提高系统性能。 3 2 1 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 的组成 m s p 4 3 0 f 1 4 9 主要由以下几部分组成： 基础时钟模块，包括一个数控振荡器( d c o ) 和2 个晶体振荡器。 看门狗定时器w a t c h d o gt i m e r ，可用作通用定时器。 带有3 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra 3 。 带有7 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e rb 7 。 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p 1 与p 2 。 4 个8 位并行端口：p 3 、p 4 、p 5 与p 6 。 1 2 位a d 转换器a d c l 2 。 两个串行通信接口u s a r t o 与u s a r t i 。 一个硬件乘法器“。 3 2 1 3 单片机电路的设计 如图3 - 2 为单片机的接口电路，其中p 1 1 p 1 3 接显示电路，p 2 1 、p 2 3 、 p 2 5 接键盘接口电路，p 3 3 接测室温电路，p 3 4 、p 3 5 接通讯电路，p 4 0 p 4 4 接a d 转换电路，p 4 5 p 5 7 接打印电路，5 4 到5 8 脚接仿真器接口电路， x i n 和t c l k 接晶振。 3 2 2 时钟电路的设计 图3 - 2 单片机电路 幽3 - 3 晶振操作模式电路 基础时钟模块对于达到低廉的系统成本和微弱的系统功耗的设计目标是非 常重要的。它可以在各种情况下工作：无任何外接元件、无外接电阻、用1 个 或2 个晶体、用一个外接电阻或者是上述的各种时钟发生方式的任意组合。基 础时钟模块可以作为一个字节模块由c p u 访问，它有3 个时钟源： l f x t i c l k 低频高频时钟源。它可以用低频钟表晶体、标准晶体、陶瓷 1 2 谐振器或外接时钟源工作。 x t 2 c l k 高频时钟源。它可以用标准晶体、陶瓷谐振器或外接4 5 0 k h z 8 m h ：的时钟源工作。 d c o c l k 时钟源。可以实现数控( d c o ) 的r c 振荡器。 基础时钟模块可以提供3 种时钟信号： a c l k 辅助时钟。a c l k 是l f x t l c l k 信号经1 、2 、4 或8 分频后得到的。 可用软件选择分频因子。 m c l k 主时钟。m c l k 可由软件选自l f x t l c l k 、x t 2 c l k 或d c o 信号，经l 、 2 、4 或8 分频后得到的。可用软件选择分频因子。 s n i c l k 子时钟。s 赫c l k 可由软件选自l f x t l c h f 、x t 2 c l k 或d c o 信号，经 1 、2 、4 或8 分频后得到的。可用软件选择分频因子。 本课题采用l f x t i c l k 时钟源，可在x i n 和t c l k 引脚之间连接一只4 m h ：晶 体和两个电容，利用芯片内部的振荡电路组成并联谐振电路，产生与外加晶体 同频率的时钟信号。电容c 1 、c 2 通常在1 0 3 0 p f 之间选择，它们可对时钟频 率起到微调作用。则l f x t l c l k 信号4 分频后得到l l h ：的主时钟频率，完全能 满足实验要求。如图3 - 3 为晶振操作模式电路。 3 2 3 电源电路的设计 m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片的供电电压为3 v ，f 1 a s h 编程电压和所有i o 口电压均为 3 v ，芯片的有些外围器件需要5 v ( 如：放大器) 和+ 5 v ( 如：l e d 驱动芯片) 的供电电压，因此需要设计能够产生3 v 和+ 5 v 电压的电源电路。另外，还需要 设计能够产生5 v 电压的电源电路。我们采用由闻亭公司提供的5 v 稳压电源 来作为总供电电源，它的输入电压为2 2 0 v 交流电，输出为+ 5 v 直流电压。3 v 电压g l + 5 v 电压由如图3 4 所示的电路提供，5 v 电压由如图3 - 5 所示的电路 提供。+ 5 v 电压由芯片m c 7 8 0 5 产生，- 5 v 电压由芯片m c 7 9 0 5 产生，+ 3 v 由芯片 t p s 7 6 3 0 l 产生。 图3 - 4 十5 v 和+ 3 7 电源电路 3 2 4 复位电路的设计 图3 - 5 5 v 电源电路 以往的实验多采用r c 复位电路，r c 复位电路的成本 较低，一般情况下能够保证系统正常复位。但其功耗比较 大，可靠性差：当电源出现瞬态降落时，由于r c 电路的响 应速度较慢，无法产生符合要求的复位脉冲。另外电阻、 电容受工作环境特别是温度的影响较大，会给复位门限值 的设计带来困难。为了克服这些缺点，除了在软件上做一 图3 - 6 复位电路 些保护措施以外，硬件上最有效的保护措施就是采用具有 监视功能( w a t c h d o g ) 的自动复位电路。由于t c m 8 0 9 片内自带有w a t c h d o g 模 块，因此不必外接自动复位模块。如图3 6 为复位电路 看门狗定时器( w a t c h d o g ) 的功能是监视软件和硬件的操作，在c p u 工作 异常或软件操作掉入陷进时实现系统复位。通过看门狗的监视功能，增强了系 统的工作可靠性，确保了系统运行的安全和不间断。 看门狗计数器是一个8 位的增值计数器，它的计数源由预定标器的输出来 提供。当系统工作正常时，在计数器溢出前，通过给复位关键字寄存器写入一 个正确值( 先写5 5 h ，紧接着写a a h ) 去除计数器，使它从头开始计数而不会 产生溢出及复位操作。当系统工作不正常时，不能给复位关键字寄存器写入一 个正确值使计数器清除，则计数器将计满溢出，并在一个计数器时钟周期后发 生复位操作，使系统返回到起始状态重新工作。 t c m 8 0 9 高精度v d d 监控电路，可对额定电压为2 5 v 、3 o v 、3 _ 3 v 和5 0 v 的系 统电源进行监控 1 4 0 m s 最小复位超时周期 1 4 输出有效直至v d d = 1 0 v 主时钟 低供电电流，9 u a ( 典型值) v d d 瞬问变化不会导致复位 小型3 引脚s c 一7 0 和s o t - 2 3 b 封装 无需外部元件 推挽式复位输出 温度范围： 商业级， s c 7 0 ( e ) ：4 0 c + 8 5 工业级，s o t - 2 3 b ，s c 一7 0 ( v ) ：一4 0 。c + 1 2 5 t 2 6 3 2 5 前向测量通道电路的设计 前向测量通道也即模拟量输入通道，它对检测点进行数据采集，滤波，放 大，并转换为计算机便于处理的数字量，作为处理、控制及显示之用。“。由于 对象的过程参数是由前向测量通道进入仪表的，因此，仪表测量、控制精度也 与通道的质量密切相关。前向测量通道主要包括：模拟量的采集电路、滤波电 路、放大电路以及模数转换电路。如图3 7 所示为模拟量的采集、滤波、放大 电路，3 8 图为n o 转换电路。 图3 7 采集、滤波、放大电路 3 2 5 1 电阻桥电路的设计 电阻桥电路是目前测温电路中测温范围最宽的一种，它可以通过铂电阻传 感器和r 1 6 两侧的可变电阻器来动态调节电压值。如图3 7 左边部分为桥式采 集电路。 3 2 5 2 滤波电路的设计 由电阻桥电路出来的是一对电压信号，由于传输过程中存在不可避免的干 扰，且输入信号为小电流信号，故必须对该组信号进行滤波处理，以滤除高频 信号。本课题采用r c 滤波器。如图3 7 中间部分为滤波电路。 3 2 5 3 放大电路的设计 由于信号比较小，需要放大器将小信号放大到与a d 电路输入电压相匹配 的电平，才能进行a d 转换。在前向测量通道电路中，放大器是很重要的部分 之一。因此，放大器的好坏将直接影响到采样数据的真实性和可靠性 3 4 】。为了 保证在放大阶段不再次引入的干扰，我们选用了i n a l 2 8 芯片。该芯片有如下特 点： 低初始失调电压：最大为5 0uv ； 低失调电压漂移：最大为0 5uv ； 低输入偏置电流：最大为5 n a ； 高共模抑制比：最小为1 2 0 d b ； 低电源电流：典型值为0 7 m a ： 低等效输入噪声电压：典型值为8 v j 瓦z ； 如图3 7 右边部分为放大电路。 3 2 5 4 a d 转换电路的设计 图3 - 8a d 转换电路 由于c p u 只能够识别和处理数字信号，故信号经模拟放大后，还必需经过 模数转换器转换成数字信号。通过模数转换器可以把输入的模拟量信号转换为 对应的数字量信号输出。如图3 - 8 为a d 转换电路。 在单片集成的a o 转换器中采用分辨率来描述转换精度。分辨率以输出二 进制或十进制数的位数表示，它说明a d 转换器对输入信号的分辨能力。从理 论上讲，n 位二进制数字输出的a d 转换器应能区分输入模拟电压的2 “个不同 等级大小，能区分输入电压的最小差异位( 1 2 ”) f s r ( 满量程输入的1 2 。) 。 由于温度计的测温范围是一5 0 5 0 0 ，温差范围是5 0 ，面精度要求温度 达到0 0 1 ，温差到达0 0 0 l 。则5 5 0 0 0 l = 5 5 0 0 0 ，l o o o 0 0 l = 1 0 0 0 0 0 0 ， 所以要求a d 转换器的分辨率至少要达到l 1 0 0 0 0 0 0 ，因此要选择至少2 0 位或 2 0 位以上的a d 转换器。我们选择的是2 4 位的a b s l 2 5 5 芯片。在课题中分辨 率可达2 2 位，则5 5 0 2 “= 5 5 0 4 1 9 4 3 0 4 = 0 0 0 0 l ，1 0 0 4 1 9 4 3 0 4 = 0 0 0 0 0 2 ，可见完全能满足精度要求。 a d s l 2 1 0 是高精度、宽动态特性的一模拟数字转换器。它的差动输入 端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的a 一结构可确保它的宽 动态特性和2 4 位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器，可以在转换速度 为1 0 8 ：时获得2 3 位的有效分辨率；借助于其内部独特的调制器加速操作模式， 在转换速度为1 k h ：时仍可达到2 0 位的有效分辨率。该转换器动态特性的大大 提高主要依赖于其前期的低噪声程控放大器，其放大倍数可从1 到1 6 进行设定， 以2 倍步长增加。该a d 转换器都有一个灵活的同步串行接口，它与s p i 兼容 并且可以提供双线控制模式。该a d 转换器为单一+ 5 v 供电，有内外参考电压 和内部自校准系统。主要用于工业过程控制、仪器仪表、色谱分析、灵巧传感 器、便携式仪表、称重仪器、压力传感器、高分辨率测量场合”“。 3 2 6 显示接口电路的设计 过去点亮l e d 的方法主要有两种：动态驱动法和静态驱动法”。动态驱动 法使用硬件较少，但显示过程需要用软件不停地扫描l e d 来维持，一旦显示予 程序不再执行，显示内容亦即消失，因此，其应用受到一定的限制。静态显示 法则可以克服这一问题，它能保持