机房监控系统温度检测部分的设计.doc

河南理工大学毕业设计说明书摘 要随着IT时代的到来，像计算机中心、设备间、配线室、基站等这些机房重地，我们必须为诸如供配电、UPS、空调、温湿度、漏水、消防、保安等设备提供正常的运行环境，否则，就会影响到整个系统的运行。机房温度检测部分的设计目的是为了保障中心机房重要系统的正常运行，实时监测机房环境温度过高或过低等紧急意外情况，并且能够及时记录、查询和显示。本文的硬件设计思路如下：采用AD590集成温度传感器检测机房温度，输出的温度模拟信号经过由ICL7650构成的测量放大电路进行模拟放大，选用CD4051作为多路选择模拟开关，并且经CD4040进行分频，再经过由ICL7135进行模数转换后输入单片机主控芯片AT89C52，输出的温度信号用3位LED动态显示，而输入设备选用4*4矩阵式键盘，单片机输出的温度信号经由DAC7611构成的数模转换电路转换成模拟信号，再经过OP-07进行模拟放大保持，而单片机与计算机之间的串行通信通过MAX232来实现。本文还对每一个硬件单元电路进行了相对应的软件框图设计，并且加入了相应的程序。关键词：机房温度检测；传感器；单片机The Design of the Detection Part of the Engine Room Monitoring SystemAbstractsWith the coming of IT, as the computer center, equipment rooms, wiring room, room powerhouse and base stations, which are the important places, we must provide normal operating environment for such as power supply and distribution, UPS, air-conditioning, temperature and humidity, water leakage, fire, security and other facilities, otherwise it will affect the operation of the entire system. Room temperature detection part is designed to protect the central room of the normal operation of critical systems, real-time monitoring of room ambient temperature too high or too low accident and other emergency situations, and able to record, query and display. Hardware design ideas in this article are as follows: using AD590 temperature sensor integrated testing room temperature, the temperature of the output analog signal through ICL7650 posed by the measurement circuit to simulate the zoom to enlarge and use as a multi-channel options CD4051 analog switches, and carried out by the CD4040 divider, and then been carried out by the ICL7135 ADC input single-chip microcomputer control chip AT89C52, the temperature of the output signal with 3 LED dynamic display, and the choice of input device 4 * 4 matrix keyboard, single-chip temperature output signal constituted by the DAC7611 digital-to-analog conversion circuit converts the analog signal, and then after OP-07 for analog amplification to maintain, and the MCU and the serial communication between computers through the MAX232 to achieve. This article is also a hardware module for each circuit block diagram corresponding to the software design, and adding the corresponding procedures.Keywords: Room temperature detection；Sensor；Single-chip microcomputer47目 录1 绪 论11.1 机房温度检测的设计意义11.2 机房温度检测技术的发展趋势12 机房温度检测部分的硬件设计32.1 温度检测部分的组成模块32.2 硬件电路所用器件的比较与选型42.2.1 温度传感器的选型42.2.2 温度信号处理所用滤波电路的选择102.2.3 温度信号的调制与解调132.2.4 温度信号所采用放大电路的选择162.2.5 温度信号所采用模数变换电路的选择202.2.6 温度信号的处理所选芯片的选型252.2.7 温度信号显示方式的选型272.2.8 输入设备的选型282.2.9 温度信号所需D/A转换及输出模拟放大电路的选择292.2.10 单片机与计算机接口电路的选型302.2.11 温度输出信号的线性化313 机房温度检测部分的软件设计323.1机房温度检测的主程序流程图323.2 单片机中断服务程序流程图323.3 温度信号的A/D转换模块流程图333.4 温度LED显示模块流程图343.5 键盘输入模块流程图353.6 温度信号的D/A显示模块流程图363.7 单片机与计算机间的串行通讯程序流程图374 总结与展望39致谢40参考文献41附录1: 电路各部分子程序设计42附录2：总电路图471 绪 论1.1 机房温度检测的设计意义1）机房温度检测技术是机房环境检测的重要对象之一。从传统检测技术基础上发展到了自动检测技术（使检测和自动控制同时进行，并且及时地处理检测结果以及对温度自动进行控制和调节，使之适应机房条件的变化或是自动地调整到最佳状态）。2）机房温度检测技术在大型设备（电力，石油，化工，机械等）安全经济运行监测中应用广泛。随着计算机技术的发展，现在已经发展到温度故障自诊断系统，可以采用计算机来处理检测信息，从而进行分析，判断，及时诊断出设备故障并自动报警或采取相应的对策。3）机房温度检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分，完成信息获取，信息转换，信息处理，信息传送及其信息执行等功能。在实现自动化过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作。4）机房温度检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。检测技术达到的水平愈高，提供的信息愈丰富，愈可靠，科学研究取得突破性进展的可能性就愈大，而且理论研究的一些成果，也必须通过实验或是观测来加以验证。1.2 机房温度检测技术的发展趋势随着科学技术的迅猛发展，对温度检测技术提出了更新更高的要求，同时，又为其本身的发展创造了条件。温度检测技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：1）不断提高温度检测系统的测量精度，量程范围，延长使用寿命，提高可靠性等。2）应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域。3）采用微型计算机技术，使检测技术智能化。4）不断开发新型，微型，智能化传感器（如智能传感器，生物传感器，高性能集成传感器等）。5）不断开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺，提高仪器的性能，可靠性，扩大应用范围，使测试仪器向高精度和多功能方向发展。6）不断研究和发展微电子技术，微型计算机技术，现场总线技术与仪器仪表和传感器相结合的多功能整合技术，形成智能化测试系统，使测量精度，自动化水平进一步提高。7）不断研究开发仿生传感器，主要是指模仿人或动物的感觉器官的传感器，即视觉传感器，听觉传感器，嗅觉传感器，味觉传感器，触觉传感器等。8）参数测量和数据处理的高度自动化。2 机房温度检测部分的硬件设计2.1 温度检测部分的组成模块温度检测部分其组成通常以信号的流程来划分。一般可以分为：信号的摄取传感器（变送器）；信号的调理、转换信号放大、滤波、A/D、D/A、及其他转换电路等；信号的处理微处理器、单片机、微机等，信号的显示及传输信号的显示有模拟显示、数字显示、屏幕显示、打印机、记录仪、绘图仪等，信号的传输有通过串行、并行口或采用产品线及太网技术的传输方式等。如下所示为温度检测模块以及所对应的硬件框图。图 2-1 检测框图图 2-2 温度检测硬件框图2.2 硬件电路所用器件的比较与选型2.2.1 温度传感器的选型传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易于处理的电量，与电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及转换电路三部分组成。如下图所示：图 2-3 传感器传感器是检测系统与被测对象之间发生联系的桥梁。它的作用是感受被测参量的变化，直接从对象中获取反应被测量变化的信息，并转换成一个相应的，便于显示或传递输出信号。例如半导体应变片传感器能把被测对象受力后微小的变形感受出来，通过一定的桥路转换成相应的电压信号输出。这样，通过测量传感器的输出电压便可以知道被测对象的受力情况。传感器的输出是检测系统的信号源，它优劣直接影响检测系统的精度和其他指标，是检测系统中十分重要的环节。提高传感器性能的技术途径：采用线性化技术；采用闭环技术；采用补偿和校正技术；采用差动技术。通常对传感器有如下要求：1）准确性：传感器的输出信号必须准确地反应其输入量，即被测量变化。因此，传感器的输出与输入必须是严格的单值函数关系。即只有被测量的变化对传感器有作用，非被测量的变化则没有作用。真正做到这一点是十分困难的，一般要求非被测量参数对传感器的影响很小，可以忽略不计。2）稳定性：传感器的输入，输出的单值函数关系不随时间和温度变化，且受外界其他因素的干扰影响很小，工艺上可准确地复现。3）灵敏度：即要求较小的输入量便可得到较大的输出信号。4）其他：如经济性、耐腐蚀性、低能耗等。由于本设计中要以测量温度为例，所以现在先将简单介绍热电阻型温度传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻测温原理及材料：热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻的结构：（1）铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小、内部无空气隙、热惯性上、测量滞后小；机械性能好、耐振、抗冲击；能弯曲、便于安装；使用寿命长。（2）端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。（3）隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于BlaB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。（4）其结构如下图所示：图 2-4 热电阻从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统的组成：热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：热电阻和显示仪表的分度号必须一致。为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。针对电阻应变片传感器，要比较好地测量应变片的输出必须引入电桥：电桥是将电阻，电容，电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。由于电桥电路简单可靠，且具有很高的精度和灵敏度，因此被广泛地用作仪器测量电路。要想比较好地测量应变片的输出，必须采用电桥的方式。用来平衡掉一般没有用的常值分量，突出与外界被测量有关的变化量。电桥有直流电桥和交流电桥之分。直流电桥：下面介绍三种常见的直流电桥连接形式：半桥单臂，半桥双臂和全桥连接，如下图分别所示：图 2-5 半桥单臂上图为半桥单臂连接形式，在工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量变化，设该电阻为R1,其变化量为R，则： 实践中常设相邻桥臂的阻值相等，亦即：R1=R2=R0,R3=R4=R0又若R0=R0, 则上式变为: 一般 , 因此上式可简化为:可见，电桥输出U0与激励电压Ex成正比，且在Ex和R0固定的条件下，与变化桥臂的阻值变化量成单调线性变化关系。图 2-6 半桥双臂上图为半桥双臂连接形式，工作时有两个桥臂（一般为相邻桥臂）随被测量变化，图中R1R1,R2R2，当R1=R2=R0,R3=R4=R0, R1=R2=R且R0= R0时，可得电桥输出电压:图 2-7 全桥上图所示的全桥连接法中四个桥臂的阻值均随被测量变化，即R1R1，R2R2 R3R3 R4R4，同样，当R1=R2= R3=R4=R0，且R1=R2=R3=R4=R时，计算得输出：电桥的灵敏度定义为:则半桥单臂灵敏度为S=1/4Ex，那么全桥的灵敏度为半桥的4倍。直流电桥的优点是采用直流电源作激励电源，而直流电源稳定性高。电桥的输出U0是直流量，可用直流仪表测量，精度高。电桥与后接仪表间的连接导线不会形成分布参数，因此对导线连接的方式要求较低。另外，电桥的平衡电路简单，仅需对纯电阻的桥臂进行调整即可。可以看出，无论是串联，并联，差动的还是非差动的，实质都是调节桥臂的电阻值来达到电桥的平衡，实现起来比较容易。直流电桥的缺点是易引入工频干扰，由于输出为直流量，故需对其作直流放大，而直流放大器一般都比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。因此直流电桥适合于静态量的测量。交流电桥：其结构与直流电桥相似，所不同的是：交流电桥的激励电源为交流电源，电桥的桥臂可以是电阻，电感或电容（如图所示，图中的z1z4表示四桥臂的交流阻抗）。图 2-8 交流电桥的结构若将交流电桥的阻抗，电流及电压用复数表示，则直流电桥的平衡关系式也可用于交流电桥。由图可知，当电桥平衡时有： 式中：为各桥臂的复数阻抗；，为复数阻抗的模；为复数阻抗的阻抗角。代入上式可得到： 这表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即：两相对桥臂的阻抗模的乘积相等，其阻抗角的和相等。由于阻抗角表示桥臂电流与电压之间的相位差，而当桥臂为纯电阻时，电流与电压同相位；若为电感性阻抗或为电容性阻抗时，不同相位。由于交流电桥平衡必须同时满足模及阻抗角两个条件，因此，桥臂结构可采取不同的组合方式，以满足相对桥臂阻抗角之和相等这一条件。由于交流电桥的平衡必须同时满足幅值与阻抗角两个条件，因此较之直流电桥其平衡调节要复杂得多。即使是纯电阻交流电桥，电桥导线之间形成的分布电容也会影响桥臂阻抗值，相当于在各桥臂的电阻上并联了一个电容（如图2-9所示）。为此，在调电阻平衡时尚需进行电容的调平衡。图 2-9 电桥的分布电容在交流电桥的使用中，影响交流电桥测量精度及误差的因素较之直流电桥要多得多，如电桥各元件之间的互感耦合，无感电阻的残余电抗，泄漏电阻，元件间以及元件对地之间的分布电容，邻近交流电路对电桥的感应影响等，对此应尽可能地采取适当措施加以消除。另外，对交流电桥的激励电源要求其电压波形和频率必须具有很好的稳定性，否则将影响到电桥的平衡。针对热电阻型温度传感器存在的缺点，本文将选择使用集成温度传感器（AD590）。它是单片集成两端感温电流源。其主要特性：1.流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；2.AD590的测温范围为-55+150；3.AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏；4.输出电阻为710MW；5.精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。图 2-10 AD5902.2.2 温度信号处理所用滤波电路的选择在传感器获得的测量信号中，往往含有许多与被测量无关的频率成分需要通过信号滤波电路滤掉。滤波器可以用R、L、C一些无源元件组成，也可以用无源与有源元件组合而成，前者称为无源滤波器，后者称为有源滤波器。有源滤波器中的有源元件可以用晶体管，也可以用运算放大器。特别是由运算放大器组成的有源滤波器具有一系列优点，可以做到体积小，重量轻，损耗小，并且可以提供一定的增益，还可以起到缓冲作用。因此以下介绍几种有源滤波器。通常分为四种：低通滤波器（LPF）；高通滤波器（HPF）；带通滤波器（BPF）；带阻滤波器（BEF）。以下为四种滤波器的幅频特性。图 2-11 幅频特性1）低通：功能是让直流信号在指定截止频率的低频分量通过，而使高频分量有很大衰减。图 2-12 二阶LPF 2）高通：让高于指定截止频率的频率分量通过，而使直流及在指定阻带频率以下的低频分量有很大衰减。图 2-13 二阶压控型HPF3）带通：由低通RC环节和高通RC环节组成。将高通的下限截止频率设置成小于低通的上限截止频率。只允许通过某一频段，而在此频段两端的信号将被抑制或衰减。图 2-14 带通滤波器(BPF)4）带阻：带阻是专门用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段迟延的信号通过。可以将带通滤波器和减法电路合起来，就是一个带阻滤波器。图 2-15 带阻滤波器（BEF）2.2.3 温度信号的调制与解调1）调幅及其解调：调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。结果就相当于把原始信号的频谱由原点平移到载波频率f0处，其幅值减半，所以调幅过程相当于频谱“搬移”过程。图 2-16 AM信号的波形和频谱图中：(a) 调制信号；(b) 叠加直流的调制信号；(c) 载波信号；(d) 已调信号若把调制波再次与原载波信号相乘，同频域图形将再二次进行“搬移”，用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频部分，将可以复现原信号频谱，称为同步解调。调幅使缓变信号便于放大和传输，解调（检波）则恢复原信号。相敏检波电路的判别信号相位和频率的能力高，抗干扰能力强。 图 2-17 相敏检波原理：采用相敏检波时，对原信号不必再加偏置。电路设计使变压器B二次边的输出电压大于A二次边的输出电压。若原信号x(t)为正，调幅波xm(t)与载波y(t)同相，当载波电压为正时，V1导通，电流的流向：d-1-VD1-2-5-C-负载-地-d。当载波电压为负时，变压器A和B的极性同时改变，电流的流向是d-3-VD3-4-5-C-负载-地-d。若原信号x(t)为负，调幅波xm(t)与载波y(t)异向。这时，当载波为正时，变压器B与A的极性相反。这时VD2导通，电流的流向是5-2-VD2-3-d-地-负载-C-5。当载波电压为负时，电流的流向是5-4-VD4-d-地-负载-C-5。因此在负载Rf上所检测的电压Uf就重现X(T)的波形。2）调频及其解调：调频即用调制信号去控制产生载波信号的振荡器频率。下图为调频波波形： 图 2-18 调频波波形下面为一种间接的调频电路：它将受调制信号控制的变容管作为振荡回路的一个元件。Lc1、Lc2为高频扼流圈,分别防止高频信号进入直流电源及调制信号源中。 CLCjic图 2-19 单回路变容管调相器鉴频是对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号即将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。下面为一种鉴频电路：晶体鉴频器图 2-20 晶体鉴频器电容C与晶体串联后接到调频信号源。VD1、R1 ,C1和VD2、R2、C2为两个二极管包络检波器。为了保证电路平衡，通常VD1与VD2性能相同，R1=R2,C1=C2。2.2.4 温度信号所采用放大电路的选择被测量经温度传感器转换后变换成电信号，在进入记录仪器或者分析仪器之前，通常都要进行某些处理，以便提高信噪比，或者把信号变换成便于处理，接收和显示的形式，这就是信号的调理。温度信号调理在检测系统中作用是对传感器输出微弱信号进行滤波，放大，线性化，传递和转换，以便于显示或是供进一步处理。例如，工程上觉的热电偶型温度检测系统（仪表）其传感器输出信号（即热电偶电势）仅为mV级且夹杂着50Hz等的噪声电压，故后续电路通常包括滤波，放大，冷端补偿，线性化等环节。若是数字显示仪表，还应加上A/D转换环节，把模拟电压转换成数字信号。若需要远传，通常采取D/A转换后，再转换成标准的420mA或010mA信号远传。检测系统各类繁多，简单，复杂差异很大，信号的形式也多种多样，各系统的精度，性能指标要求各不相同，它们所配置的信号调整电路也不尽一致。对信号调理电路的一般要求是能准确，稳定，可靠地传输，放大和转换信号；二是抗干扰性能好。测量放大器：被测量由传感器转换为电信号，在没有干扰的情况下，信号源为单一有效信号，直接加到放大器上将微弱信号放大。但在许多场合，传感器输出的微弱电信号还包含有工频，静电和电磁耦合等干扰信号，有时甚至是与有效信号相同频率的干扰信号。称上述干扰为共模干扰。对这种含有共模干扰的信号的放大需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益，低干扰和高输入阻抗的特点。习惯上，将具有上述特点的放大器称做测量放大器。其工作原理：通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放大器进行放大，如下图所示：图 2-21 用运算放大器实现信号放大此时：运算放大器了可以接成同相输入的形式。由于传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两个输出端上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的共模干扰信号。虽然运算放大器对直接输入到差动端的共模信号有较强的抑制能力，但对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构不对称，抵御共模干扰的能力很差。我们可以采用运算放大器的差动接法，从较大的共模信号中检出差值信号并加以放大。图 2-22 差动测量放大器从电路图可知： 其增益为： 这种电路是由三个放大器组成的，差动输入端U1与U2是两个输入阻抗和电压增益对称的同相输入端。由于性能对称，其漂移将大大减小，加上高输入阻抗和高共模抑制比，对微小差模电压很敏感，并适于测量远距离传输信号。 程控增益放大器：经过处理的模拟信号送入微机前，必须进行量化，即A/D转换。在A/D输入的允许范围内，输入的模拟信号尽可能达到最大值。在模拟系统中，为放大不同的模拟信号，需要使用不同的放大位数。为了解决上述问题，工程上采用改变放大器倍数的方法解决。在微机控制的测试系统中，希望用软件控制实现增益的自动变换。具有这种功能的放大器称作程控放大器。得用程控增益放大器与A/D转换器组合，配合软件控制实现输出信号的增益或量程变换，间接地提高输入信号的分辨率。程控增益放大器应用广泛，与加法A/D转换电路配合构成减法器电路；与乘法D/A转换器配合构成程控低通滤波器电路，用以调节信号和抑制干扰等。图 2-23 程控增益放大器原理图当开关K1、K2、K3中之一闭合，其余两个则断开。放大器增为： 因此，本设计采用ICL7650作为测量放大电路。这种放大电路的输入阻抗高，易与各种信号源相匹配；它的输入失调电压和输入失调电流及偏置电流小，时间漂移小，稳定性好；共模抑制比大，适用于在大的共模电压背景下对微小差模信号的放大。ICL7650是一种自稳零高精度放大器。通过改变Rs和Rg来改变它的放大倍数。输入端的箝位二极管起到保护作用，避免输入线路出现故障时瞬时尖峰干扰损坏测量放大器。图 2-24 ICL7650电路图2.2.5 温度信号所采用模数变换电路的选择采样保持器（S/H）：主要用途：1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换；2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；3）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；4）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。它是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样保持器。具有采取速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特点。采用双极型输入状态可获得低偏差电压和宽频带。使用一个单独的端子实现输入偏置电压的调整，允许带宽1MHz，输入电阻为。当保持电容为1时，其下降速度为5mV/min。结型场效应管比MOS电路抗干扰能力强，而且不受温度影响。其中，逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样保持器的工作方式。当引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合，电路工作在采样状态。反之，当引脚8为低电平时，则天关S断开，电路进入保持状态。图 2-25 LF198原理图而CD4051是最常用的多路选择模拟开关，相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。其使用要点：1.使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连。2.强烈建议A，B，C三路片选端要加上拉电阻。3.CD4051的公共输出端不要加滤波电容（并联到地），否则不同通道转换后的电压经电容冲放电后会引起极大的误差。4.禁止输出端（INH）为高电平时，所有输出切断，所以在应用时此端接地。作音频信号切换时，最好在输入输出端串入隔直电容。图 2-26 CD4051转换电路的比较：1.差动输入U-I变换电路：该电路的负载电流与负载电阻无关，仅与两输入电压之差成比例，此电路可看成差动输入三信号的加减运算电路，R为输出采样电阻，RL为负载电阻，R1=R4,R2=R4,IORL为负载端电压，负载端电压经运算放大器隔离后送运放A1的基准端。图2-27为电路结构图：图 2-27 差动输入U-I变换电路2.通用精密I/U变换器：该图是采用RCV420组成的精密I/U变换器电路，它能将420mA输入电流转换成05V的电压输出。即当输入电流为4mA时，变换器输出电压为0V；当输入电流为20mA时，输出电压为5V。其性能良好，增益，失调及共模抑制比都不必调整，并且有一个低温漂的10V基准电压源。图 2-28 通用精密I/U变换器3.用U/F转换器实现ADC：U/F转换器是把电压信号转换成频率信号，精度和线性度较好，采用积分输入，应用电路简单，对外围部件性能要求不高，对环境适应能力强，转换速度不低于双积分型A/D转换，且价格较低。图 2-29 用U/F实现A/D转换4.由LM331-U/F转换器构成的F-U转换电路：频率信号Fin经C-R网络接比较器阈值端（6），频率信号的脉冲下降沿使比较器的触发定时器工作。经脚1输出的电流经R1,C1滤波电路，获得与频率信号Fin成正比的输出直流电压U0。图3-30是频率-电压转换电路。经R1,C1滤波后纹波峰值小于10mV；对时间常数，转换精度为0.1需要建立时间0.7s。图 2-30 由LM331-U/F转换器构成的F-U转换电路 本文将利用ICL7135作为模数转换器，它的“busy”端，用I/O口和C52内部的一个定时器就可以把ICL7135的数据送入单片机。ICL7135是以双积分方式进行A/D转换的电路，每个转换周期分为自动调零阶段，被测电压积分阶段，对基准电压进行反积分阶段三个阶段，选取ICL7135的转换速率为每秒12.5次，一方面照顾ICL7135A/D转换的精度，另一方面为了尽量少占用单片机的资源。“BUSY”端为转换状态标志输出端。积分器在积分过程中busy输出为高电平，积分器反向过零后输出低电平。“POL”为极性输出端。输入信号为正时，输出高电平，反之。“R/H”为启动转换保持控制端。“ST”为数据输出选通脉冲输出端。“OVERRANGE”为过量程标志输出端。“UNDER”为欠量程标志输出端。 此时利用CD4040（十二位二进制串行计数/分频器）的分频计数功能，作为二次分频，经开关二极管设定的与门输出各档的频率，可实现高精确度，高稳定性的时基脉冲。图 2-31 ICL71352.2.6 温度信号的处理所选芯片的选型针对一些简单的检测系统，用户只要求被测量不要超过某一上限值，一旦超限，送出声（喇叭或蜂鸣器），光（指示灯）信号即可。这种系统的信号处理电路，只需设置一个比较电路，比较电路一端为被测信号，另一端为表示上限的固定电平，当被测信号小于设定固定电平值时，比较器输出为低，声光报警器不动作，一旦被测信号电平大于固定电平，则比较器翻转，经功率放大器驱动扬声器，指示灯工作。这种系统只要一片集成比较器芯片和几个分立元件就可构成。但对于像热处理炉温检测控制系统来说，其信号处理电路将很复杂。因为热处理炉温检测控制系统，用户不仅要求系统高精度地实时测量炉温，而且需要系统根据热处理工件的工艺制订出时间温度曲线进行实时控制（调节）。由于微处理器，单片机和大规模集成电路的迅猛发展和这类芯片价格不断降低，对稍复杂一些检测系统（仪器）都应采用微处理器或单片机，使所设计的检测系统具有较高的性能价格比。本文将采用芯片AT89C52：其有8位CPU，4K字节的ROM程序存储器，128字节RAM数据存储器，32根I/O线，两个16位的定时器/计数器，一个全双工的异步串行口，五个中断源，两个中级优先级，64K程序存储空间，内震荡器，频率范围为1.2M12M,管脚为双列直插方式封装，有40个引脚。VCC接电源，VSS接地端，P0P2三个端口为并行口，P3口为串行口。SM0,SM1选择模式，SM2为多机通信时允许标志位。REN=0时禁止接收。TB8为发送数据位。RB8为接收数据位。RI为串行口接收中断标志。PCON为电源控制寄存器。在PCON中只有一位SMOD与串行口的工作方式有关，该位是串行口波特率系数的控制位。SMOD=1时波特率加倍。PCON不可位寻址，初始化时需要字节传送。复位引脚RST/VPD通过片内的施密特触发器与片内的复位电路相连。复位电路在每个周期的S5P2去采样期的施密特触发器的输出。欲使单片机可靠复位，要求RST/VPD复位端保持2个机器周期以上的高电平。XTAL1和XTAL2分别提供振荡电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接时钟石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号，若采用外部振荡电路，则XTAL1用于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL2悬空。下图中加入了时钟和复位电路。图 2-32 AT89C52及其复位和时钟电路2.2.7 温度信号显示方式的选型通常人们都希望知道被测量的瞬时值，累积值或其随时间的变化情况。因此，一般的检测系统均有各种形式的显示，记录设备或两者兼而有之。显示器和记录设备是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般可分为指示式，数字式和屏幕式三种。1）指示式显示，又称模拟式显示。被测量数值大小由指示器或指针在标尺上的相对位置来表示。指示式仪表结构简单，价格低廉，显示直观，一直被大量应用。有的还带有记录机构，以曲线形式给出被测量随时间变化的数据，但这种仪表读数的精度和仪器的灵敏度等受标尺最小分度的限制，且读数会引入主观误差。2）数字式显示：直接以数字形式给出被测量的数值大小，也可附加打印设备，打印出数据。数字式显示减少了读数主观误差，提高了读数的精度，还能方便地与计算机连用。这种仪表正越来越多地被采用。3）屏幕显示：它结合了上述两种显示方式的优点，具有形象性和易于读数的优点，又能同时在屏幕上显示一个被测量或多个被测量的大量数据，有利于对它们进行比较分析。因此，本文将选用3位的LED显示方式。下图为3位LED数码管显示电路，接入8个200欧姆的电阻用来分压。显示由三位0.8英寸的高亮的共阳极LED数码管构成。P00P07口作为段选信号，控制a-h端的亮灭；P1.2P1.4作为位选信号，决定三位数码管是否被选中。图 2-33 LED数码管显示2.2.8 输入设备的选型输入设备是操作人员和检测系统联系的另一主要环节，用于输入参数，下达有关命令等。常用输入设备是各种键盘，拨码盘等，也有通过磁带机，录音机接口输入信息和数据的。最简单输入设备是开关，按钮。模拟量输入控制，往往借助电位器进行。本设计中的电路采用的是4*4矩阵式键盘电路，它的I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上。按键按下时，行线与列线连通。图中有4根行线和4根列线，经限流电阻接+5V电源上，4*4行列结构可连接16个按键，组成一个键盘。因此适用于按键较多的场合。图 2-34 4*4矩阵式键盘电路2.2.9 温度信号所需D/A转换及输出模拟放大电路的选择本设计采用的是DAC7611数模转换芯片和OP-07放大保持电路。DAC7611是一个高性能12位D/A转换芯片，串行，占用I/O口较少，功耗低，性能满足要求。该芯片为8脚DIP封装。VDD接电源，为片选信号，CLK为同步时钟串行输入，SDI为串行数据输入，读取DAC内部寄存器信号，为异步输入清除DAC寄存器信号。接做片选信号，CLK与连接做时钟信号，SDI与T1连接做串行信号输入口，与P1.2连接做下载选通信号，与连接作异步清零信号，DAC7611输出电压范围为04.095V，而RF感应加热器由010V电压调节，所以输出电压需要放大处理，下图所用的是同相放大电路，C9、C10、C17、C18为滤波电容，R20是调零电阻，R26为放大倍数调节电阻。图 2-35 D/A转换及其放大2.2.10 单片机与计算机接口电路的选型MAX232把单片机和计算机连接，实现远程通讯功能。它是一种把电脑的串行口RS232信号电平（-10 ，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0 ，+5）的芯片。下图为实现两者之间的串口通讯电路图。图 2-36 用MAX232实现单片机和计算机之间的串口通信2.2.11 温度输出信号的线性化多数检测系统中往往会出现一些非线性环节而导致系统输出特性为非线性。解决这种问题一般可采用三种办法：一是减小测量范围，以使非线性误差限制在允许的范围内；二是采用差动结构，如差动传感器；三是增设非线性校正电路（有模拟与数字之分）。在智能检测系统中，可以采用模拟非线性校正与数字非线性校正相结合的方法来实现非线性校正。即将非线性严重的输入信号首先经由非线性运算电路进行模拟非线性校正，待非线性误差较小时，再进行A/D转换。然后用数字校正法进一步修正非线性误差。此刻，我们介绍模拟非线性校正的关键器件：非线性运算电路（以AD538为例，如图：2-37）。运算放大器A1A2A3能成对数放大电路，A5能成的电路为减法电路，A4组成的电路为反对数放大电路，AD538还提供了两个参考电压输出：+10V和+2V。接地端也有两个：引脚14为信号基准地；引脚15为芯片工作电流地，又称为功率地。图 2-37 AD538电路原理图3 机房温度检测部分的软件设计3.1机房温度检测的主程序流程图主程序中涉及到单片机的初始化程序，中断子程序，以及对4*4矩阵式键盘的扫描子程序，3位LED显示子程序，以及信号的输入与输出子程序。图 3-1 主程序3.2 单片机中断服务程序流程图 CPU响应中断，自动将断点压入堆栈，然后将不断源和入口地址装入程序计数器PC,从第一条指令开始到执行RETI返回指令。图 3-2 中断服务3.3 温度信号的A/D转换模块流程图本设计选用ICL7135的串行工作方式，利用其“BUSY”端，也即忙状态输出端。在不执行MOVX指令的情况下，ALE是稳定的2MHz频率，经过4分频可得到50KHz的稳定频率，传给ICL7135时钟输入端，使其转换频率为每秒12.5次。“REF”为基准电压输入端，“IN”和“IN”分别为被测信号负正输入端，“CRF+”和“CRF-”分别为基准电容正负端，“INTOUT”为积分器输入端，接积分电容，”AUTO0”为积分器和比较器反相输入端，接自零电容，“BFOUT”为缓冲器输出端，接积分电阻。图 3-3 A/D转换3.4 温度LED显示模块流程图 LED显示方式包括静态和动态两种，为了减少硬件成本，采用动态显示的方式，动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起，共8段，由一个8位I/O口控制，而每一位的公共端由另一个I/O口控制，而要想显示不同的内容，必须采取轮流显示的方式，即在某一瞬时，只让某一位的字位线处于选通状态，其他各位的字位线处于开断状态，同时字段线上输出该位要显示的相应字符的字段码，在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位暗。同样，在下一瞬时，单独显示下一位，这样依次循环扫描，轮流显示。图 3-4 LED显示3.5 键盘输入模块流程图本设计中选用的是程序控制扫描方式，即在CPU工作空余，调用键盘扫描子程序，响应键输入信号要求，程序控制扫描方式的键处理程序固定在主程序的某个程序段，当主程序运行到程序段时，依次扫描键盘，判断有否键输入，若有，则计算按键编号，执行相应键功能子程序，这种工作方式，对CPU工作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。图 3-5 键盘显示3.6 温度信号的D/A显示模块流程图DAC7611是一个串行的，低功耗的12位D/A转换芯片，性能满足要求。在A/D换的全周期，首先是置高，片选信号置低，数据载入内部寄存器，然后进行D/A转换，由端输出，然后置高关使能。 图 3-6 D/A转换3.7 单片机与计算机间的串行通讯程序