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广西科技大学（筹） 基于单片机的高温测量仪设计广西科技大学（筹）毕业设计（论文）说明书课题名称 基于单片机的高温测量仪设计 Design of high temperature measuring instrument base on MCU 系 别 电气与信息工程学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2012年5月 25 日摘要 人类社会已进入信息时代，人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。在工业生产这个领域内，广泛的应用检测技术，如生产过程中产品质量的检测、产品质量的控制、提高生产的经济效益、节能和生产过程的自动化等等。这些都要测量生产过程中的有关参数和（或）进行反馈控制，以保证生产过程中的这些参数在最佳最优状态。在科学研究领域，人们通过观察、实验，从而找出新的规律，再上升为理论。因而能否通过观察实验得到结果，而且是可靠的结果，决定于检测技术的水平，所以，从这个意义上讲科学的发展、突破是以检测技术的水平为基础的。现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。因此，检测技术装备的水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。热电偶在计量技术上是用得最多的温度传感器之一。它在测量学与各种生产技术上的应用十分广泛。热电偶的结构很简单，制造也容易，价格美廉，有着很高的准确度，测量的温度范围广泛。现在大部分热工仪表，都将热电偶作为温度传感器。本篇文章主要介绍在高温测量上，用MCS-51单片机系统与传统的温度测量元件热电偶结合做成的温度检测系统。此设计的测量原理简单，数学模型通俗,选用的是精密度好的元器件和有抗干扰、低温漂等精密度高的电子元器件。此测量仪器，有着使用方便、能稳定测量、可靠、测量的温度范围广等特点。关键词 温度检测 热电偶 温度补偿 单片机 Abstract The human society has entered the age of information, the peoples social activities relies mainly on the information resources development and access, transmission and processing. In the industrial production within this field, wide application of testing technology, such as production process of product quality inspection, product quality control, improve the production efficiency, energy saving and economic production process automation and so on. The measuring the parameters in the process of production and (or) feedback control to ensure production process of these parameters in the best optimal state. In scientific research fields, people through the observation, the experiment, as to find out the new rules, rise again for the theory. So if I can pass the watching the experiment results, and is reliable results, depending on the level of testing technology, so, in this sense the development of science, is the level of testing technology breakthrough for the foundation. The modern Peoples Daily life, also more and more without testing technology. Therefore, detection technology and equipment level in the largely reflects a countrys development of productive forces and the modernization level of science and technology.In measuring technology is on thermocouple most used one of the temperature sensor. It in surveying and various production technology used widely. The structure of the thermocouple is very simple, and easy to make, the price beauty, with high accuracy, measurement of the temperature range. Now in most of the thermal instruments, thermocouple are used as a temperature sensor.This article mainly introduced is high temperature measurement in, with MCS-51 SCM system and the traditional general temperature measurement components made of thermocouple temperature detection system combined. The design principle of measurement of the simple, mathematical model popular, chooses is precision good components and have anti-jamming, low temperature, high precision of the drift of electronic components. The measuring instrument, has a convenient use, can stabilize a measurement, reliable, measurement of the temperature range, etc.Key word Temperature detection thermocouple temperature compensation microcontroller目录第1章 绪论11.1 高温测量仪的应用及意义11.2 国内测温的发展研究概况11.2.1利用物体热胀冷缩原理制成的温度计11.2.2利用热阻效应技术制成的温度计21.2.3利用热辐射原理制成的高温计21.2.4利用声学原理进行温度测量21.2.5利用红外测技术温21.2.6利用热电效应技术制成的温度检测元件2第2章 高温测量仪的组成及硬件设计32.1 系统总体设计32.2 测温传感器的确定32.2.1常用热电偶介绍42.2.2 热电势的产生52.2.3 热电偶闭合回路电势的计算62.3 温度补偿设计62.4放大电路设计82.5 AD转换器的选择122.6 单片机简介142.7 LCD1602显示模块15第3章 控制器的软件设计173.1系统软件总体设计173.2 A/D转换子程序设计183.3 线性化标度变换程序设计193.4 DS18B20程序设计213.5 LCD1602程序设计23第4章 调试与误差分析254.1 软件调试254.1.1 PROTEUS简介254.1.2 软件调试过程及结果254.1.3 硬件调试过程及结果264.2 误差分析264.2.1 软件误差274.2.2 硬件误差27第5章 总结与展望295.1 总结295.2 展望29致谢3132第1章 绪论1.1 高温测量仪的应用及意义作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在当今社会的发展、各种新技术的带动下，已经进入了一个真正的智能、数字、网络全自动的时代。作为一个很重要的物理量之一温度，对于工业里的生产过程来讲，是最为普遍而且重要的一个工艺参数之一。随着社会、工业的不断发展，对测温的条件和要求也越来越高。所以，温度的测量和测量技术就演变成一个研究的重要课题。在各种行业里，如化工、机械甚至食品加工等等，都要对温度进行检查与控制。合理的温度范围，对各行业的生产发展，有着重要的、不可缺少的作用。温度的高低，都会影响企业产品的质量、性能等，会起到干扰的作用，甚至会损坏产品。所以，在各行业、各领域里，对于温度的测量不容忽视，对传感器与测量温度的仪器都有着严格的规定和特殊的要求。1.2 国内测温的发展研究概况国内外各工业的快速发展，温度的检测技术也越来越成熟的今天，温度检测的方法多种多样，范围也宽广，其中略分为下面几种：1.2.1利用物体热胀冷缩原理制成的温度计根据这个原理做成的温度计有以下三种：(1)玻璃温度计，通过使玻璃里面的一些液体的特性热胀冷缩的性质来达到温度测量的。液体有：水银、煤油、酒精等等。(2)双金属温度计，通过两种膨胀系数不相同的金属牢牢的黏在一起而做成的,将这两片金属片作为传温的元件。当有温度变化，由于两金属片的膨胀系数各不相同，所以弯曲的程度也不相同，这样就会产生一定的相位，从而带动相应的指针指示出相应的温度值。(3)压力式温度计，通过对一些温度敏感的物质，如水银、甲苯、氯乙烷等等，当温度发生变化的时，这些物质也随着温度变化而自身的压力也会变化。这样可以使用弹簧的压力仪表测量出压力的数值，由此算出被测物的温度值。1.2.2利用热阻效应技术制成的温度计用此技术制成的温度计大致可分成以下几种：(1)电阻测温元件，它是利用感温元件的阻值随温度变化的性质，并用仪表将其温度显示出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻(分度号为Ptl00、Ptl0两种)和铜热电阻(分度号为Cu50、Cul00两种)两种。(2)导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，它的阻值随温度的升高而降低。1.2.3利用热辐射原理制成的高温计这几年来，通过辐射来测量温度，相对于其他测温领域被用得更多。热辐射测温计可以分为：一种是单色辐射高温计；另一种是全辐射高温计。它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。这样被测物体释放出的能量与其自身的温度有一定关系。热辐射的高温计就是通过这原理做成的。1.2.4利用声学原理进行温度测量作为现在几年来最新发展的一项技术声学温度测量技术，它可以进行在线检测：如，对火炉内的烟雾温度与火焰的分布情况检测，从而能对火炉的燃烧情况进行判断，继而进行控制和调节。它的基本原理是利用测量声波通过声波传感器的时间，再以最小二乘法将温度重建而达到测量目的。1.2.5利用红外测技术温红外测温技术是利用物体表面的能量来达到检测温度的目的。1.2.6利用热电效应技术制成的温度检测元件通过这种技术做成的温度测量元件大部分是热电偶。热电偶的历史比较久，技术成熟，是目前使用最为广泛的测量元件。它有着结构简单、制作简便，测量温度范围广、精确度高等特点。第2章 高温测量仪的组成及硬件设计2.1 系统总体设计系统示意如图2-1所示。图2-1 系统示意图本系统以单片机为核心，主要由温度传感器、放大器、A/D转换、冷端温度传感器及显示部分组成。首先传感器输出的微弱信号经放大器放大，再送入A/D转换器转换为数字量，最后将所得数字量送入单片机处理；而冷端温度测量由DS18B20完成，其输出的结果为数字量，单片机处理可直接对其处理；最后在单片机内部对测量端和冷端所输入数据进行处理，其结果由LCD屏显示。其各部分硬件选择将在以下部分详细讨论。2.2 测温传感器的确定当前对高温的测量主要有两大类：接触法和非接触法。在接触法中，用得最多、技术最成熟当数热电偶。其结构简单、价格便宜、准确度高、测温范围广，目前大多数的测高温仪器仪表中都使用热电偶作为温度的传感器。2.2.1常用热电偶介绍热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。S分度号的特点:抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400，短期1600。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶;R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同;B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600，短期1800。可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。N分度号的特点:1300下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐射及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶;K分度号的特点;抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000，短期1200。在所有热电偶中使用最广泛;E分度号的特点:在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800;J分度号的特点:既可用于氧化性气氛(使用温度上限750)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950)，并且耐H_2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工;T分度号的特点:在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300以下的温度。近年来发展起来的N型热电偶。在本次设计中，选用的是N型热电偶，即镍铬硅镍硅镁热电偶。热电偶的正极（NP）为名义值13.714.7%的铬和1.21.6%的硅及0.01%的镁与镍合金，负极（NN）为名义值4.24.6%的硅和0.51.5%的镁及0.02%的铬与镍合金。N型热电偶为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的，它克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300500间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点,此外，作为消耗品，使用寿命长和非线性误差小等优点决定了它更受人青睐,是一种很有发展前途的热电偶。在国外，N型热电偶的到了广泛的应用，而在国内的应用仍旧不是很普遍，如我国火电厂主蒸汽温度的测量大都采用K型热电偶作为一次元件，存在着测温精度不高的问题。随着对加工产品质量控制要求的提高， N型热电偶取代K型热电偶必将成为一种趋势，由N型热电偶研制而成的高位温测量仪器将越来越多。本设计将探讨用N型热电偶设计的高温测量仪。2.2.2 热电势的产生在众多温度检测的方法中，利用热电偶作为敏感元件的应用最为广泛，其主要优点为：结构简单，它是由两种不同性质的导体或半导体相互绝缘并将一端焊接在一起而成的；测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50 C，高温可以达到+1600 C左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到-180 C，最高可达+2800 C的温度；具有高效的准确度；具有良好的敏感度；使用方便等。两种不同材料的导体（或半导体）A、B串接成一个闭合回路（如图1-1所示），并使结点1和结点2处于不同的温度T、T0，那么回路中就会存在电势，因而就有电流产生，这一现象成为热电效应或塞贝克效应。相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。回路中产生的电流称为热电流，导体A、B称为热电极。测温结点1置于被测的温度场中，称为测量端（工作端、热端）；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端（自由端、冷端）。由两种导体组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。热电偶产生的热电势是由两种导体的接触电势（又称玻尔帖电势）和单一导体的温差电势（又称汤姆逊电势）组成的。图1-1 热电效应示意图(1)珀尔帖效应珀尔帖效应是由于相互接触的两种金属导体内自由电子的密度不同造成的。当两种不同的金属A、B连接在一起时，在金属A、B的接触处就要发生电子扩散，电子密度大的金属的自由电子就要向电子密度小的导体扩散，电子扩散的速率和自由电子的密度及金属所处的温度成正比。这时失去电子的金属具有正电位；相反，获得电子的金属因拥有多余的电子而带负电，这种扩散一直到动态平衡为止。(3)汤姆逊效应在一根均质的金属导体中，如果两端的温度不同，则在导体的内部也会产生电势，这种电势称为温差电势（或称汤姆逊电势）。汤姆逊电势的形成是由于导体内高温端自由电子的动能比低端自由电子的动能大，这样高温端自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率要大，因此对导体的某一薄层来说，温度较高的一边因失去电子而带正电，温度较低的一边也因得到电子而带负电从而形成了电位差。2.2.3 热电偶闭合回路电势的计算热电偶产生的热电动势实际上是由接触电势和温差电势所组成。在图1.1所示的闭合回路中，两个接触点有两个接触电势ABT与ABT0，又因为TTo，在导体A和B中还各有一个温差电势。因此闭合回路总电动势EAB(T,T0)应为接触电势与温差电势的代数和，即EABT,T0=ABT-ABT0-T0TA-BdT （2.2.1）在总电动势中，接触电势较温差电势大得多，因此，它的极性也就取决于接触电势的极性。当TTo时，eAB(T)与总热电动势的方向一致，而eAB(T0)与总电动势方向相反。所以总热电动势可表示成如下形式： EABT,T0=eAB(T)-eABT0=eABT+eBAT0 (2.2.2)由此可见，热电偶回路的总热电动势等于各接点分电动势的代数和：E=e(T)对于己选定的热电偶，当参考端温度恒定时，eAB (To)为常数C，则总电动势就变成测量端温度T的单值函数： EABT,T0=eAB(T)-C=f(T) (2.2.3)上式表明，当T0恒定不变时，热电偶所产生的热电动势只随测量端温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。在热电偶分度表中，参考端温度均为0 C。所以，测量热电动势的办法能够测温，这就是热电偶的测温原理。2.3 温度补偿设计由热电偶的测温原理可知热电偶的输出电压为 EABT,T0=eAB(T)-eABT0 (2.3.1)由此可知，热电偶因温度变化产生的热电动势等于测量端温度与参考端温度函数的差。如果参考端温度恒定，那么，热电动势就变成测量端温度的单值函数。因此，为了测量的方便，利用此原理得出了不同型号热电偶的分度表（N型热电偶的分度表见附表1）。在使用分度表时，需注意的是，其默认参考端温度为0 C，否则就不能直接应用分度表。当参考端温发生变化时，将会引入测量误差。由此可见，参考端温度的变化直接影响测量的准确度。但在实际测温时，因热电偶受到被测介质与环境温度的影响，不仅其参考端温度难以保持0，而且往往是波动的，因此，就要对变化很大的参考端温度所带来的误差采取补偿措施。根据热电偶回路性质中的中间温度定律, 由两种不同材料的导体组成热电偶回路, 当被测温度( 又称热电偶的工作端温度或热端温度) 为t , 冷端温度为t0时, 热电偶输出的热电势为 EAB( t , t0) = EAB ( t , 0)- EAB (t0, 0) (2.3.2)其中 AB表示组成热电偶的两种不同性质的导体; EAB ( t , 0) 表示热电偶热端温度为t , 冷端为0 C 时的热电势; EAB (t0, 0) 表示冷端补偿热电势。由中间温度定律知, 如果冷端温度恒定, 则只要测出热电偶输出的热电势EAB( t , t0) , 通过查被测热电偶分度表得到EAB (t0, 0) , 即可算出热电偶冷端温度为0 C 时的热电势, 再查该热电偶分度表得到实际热电偶热端温度; 如果冷端温度波动, 则通过补偿导线, 根据中间导体定律, 将冷端引到温度恒定的位置, 然后采用上述方法得到热电偶被测端温度。 本系统采用的是数字传感器DS18B20作为冷端测温元件，其方法是: 将数字传感器DS18B20 置于热电偶的冷端, 根据热电偶的型号运行相应的补偿软件, 数字式温度传感器输出的反映热电偶冷端温度的数字量读入单片机, 由相应公式计得到对应的冷端温度的热电势EAB (t0, 0) , , 再将热电偶两端输出的热电势经放大和滤波, 由A/ D 转换器输入单片机, 将其数字量转换成热电偶在冷端温度为t0 时实际输出的热电势EAB ( t , t0) , 按温度定律公式EAB ( t , 0) = EAB ( t , t0) - EAB (t0, 0) 进行计算, 再将单片机运算后得的值通过程序存储器的数据表格查出对应温度t , 得出被测温度的真实值。当改变热电偶的型号时, 系统硬件测量电路及测量方法不变, 只需查阅不同型号热电偶的分度表即可。DS18B20 使用方便, 不需外接任何其它电路, 能够完成温度的检测和A/ D 转换, 转换时间短, 功耗低, 能够满足各种领域温度测量的要求。实验将其接入图2-2 电路。图2-2温度补偿电路2.4放大电路设计N型热电偶输出的电压信号很弱，所以需经过放大电路的放大使之能达到A/D转换器的满量程，由ADC0832的电路图可知，设计中采用单极性模拟量输入，满量程为0+5V，因此各热电偶测得的温度转变成微弱的电压信号后，经过放大后都要达到10V左右。经查询N型热电偶的分度表可知，该热电偶在01300 C的温度范围内的输出电压为047.513mV,若经过放大后要达到05V，则第二级放大倍数应为 (2.4.1) 在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大，因此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言信号源内阻是变量，放大器的放大能力将随信号的大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器输入电阻加大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。此外，传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大的共模部分，期数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器具有较强的共模信号抑制能力。根据以上要求，试设计了以下几种常用的放大器并加以论证：（1）同相放大电路 如图2.3所示。输入电压ui 接至同相输入端，输出电压uo 通过电阻RF连接到反相输入端。R2的阻值应为R2=R1/RF。根据虚短和虚断的特点，可知I-=I+=0,则有 (2.4.2)且 u-=u+=ui，可得： (2.4.3) (2.4.4)同相比例运算电路输入电阻为： (2.4.5)输出电阻：ROF=0因此选择同相放大电路满足输入阻抗足够大，只要改变RF的大小，可以达到需要的放大倍数。但是其对共模信号抑制较差，容易出现波形失真等问题图 2.3 同相放大器（2）差分放大电路图 2.4所示是基本的差分放大器，信号电压同时从双端输入，可实现减法运算。根据理想运放条件，得 uo=1+RFR1R3R2+R3ui2-RFR1ui1 (2.4.6) uo=RFR1(ui2-ui1) (2.4.7)当R1=R2=R3=RF，则uo=ui1-ui2。 （2.4.8）图 2.4 差分放大器 该电路的反馈对同相输入端是电压串联负反馈，对反相输入端是电压并联负反馈，它的主要缺点是输入阻抗低，运放的高内阻没有发挥作用；而且对不同信号源，差分放大器的内阻不同，外接电阻的平衡条件也要随之改变，因此使用很不方便。（3）仪表放大器 图2.5是仪用放大器的结构，第一级电路由U1和U2组成，第二级运放由U3构成，其放大倍数为1。根据运算电路的基本算法分析： Ui1-Ui2=R22R1+R2(Uo1-Uo2) (2.4.9)即 Uo1-Uo2=(1+2R1R2)(Ui1-Ui2) (2.3.10)所输出的电压： UO=-RfRUo1-UO2=-RfR(1+2R1R2)(Ui1-Ui2) (2.4.11)设 UId=UI1-UI2,则 UO=-RfR1+2R1R2UId (2.4.12)当UI1=UI2=UIC时，由于UA=UB=UIC，R2中的电流为零，UO1=UO2=UIC，输出电压UO=0。可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数值越大，共模抑制比越高。当输入信号中含有共模噪声，也讲被抑制。因此，在本次设计中采用的是仪表放大器。图 2.5 仪表放大器设计选择高精度型运放OP07作为放大器芯片，OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其设计电路如图2.6所示。图 2.6 热电偶与放大器电路当取R1=R2=5K,R3=R4=1K,RF=R5=9K时，其放大倍数为 (2.4.13)当RG=1K时，G=99，所以，可以通过调节RG的大小使之得到相应的放大倍数。2.5 AD转换器的选择AD转换器是把模拟量转换为数字量的器件，能把输入模拟电压转换成它成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。集成A/D转换器品种繁多，选用时应综合考虑各种因素选取集成芯片。一般逐次比较型A/D转换器用得较多，本设计中选用的ADC832, 它是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。本次设计采用它来实现模数转换功能，它能将变送器传送到的模拟信号转换为可让STC89C52接收的数字信号，以方便后续工作的进行。该芯片的引脚及,STC89C52连线如图2.7所示，相应的引脚功能如下：CS_片选使能，低电平芯片使能；CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；GND 芯片参考0 电位（地）；DI 数据信号输入，选择通道控制；DO 数据信号输出，转换数据输出；CLK 芯片时钟输入；Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）；图 2.7 A/D转换器与单片机接口ADC0832可以接收CH0与CH1两路模拟信号，它的选通引脚CS端受单片机的STC89C52的P2.0控制，时钟CLK信号由单片机的P2.1引脚提供，P2.3引脚输出针对CH0与CH1的通道选择信号，经过处理后，在DO端输出转换后的数字信号，通过P2.3引脚发送给STC89C52。正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。如图2.8所示，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图 2.8 ADC0832时序图在该设计中，ADC0832连接成单极输入电路，输入电压为VIN=0V5V，输出数字量为无符号二进制码，计算公式为 n=256VIN/VFS （2.5.1）式中VIN为放大后的输入模拟电压，VFS为满量程输入电压，在此设计中VFS=5V。系统分辨率为 1LSB=VFS256=5256=19.53mV （2.5.2） 2.6 单片机简介单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有内存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络等复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。世界上不同国家的很多芯片厂商都在生产各种单片机，由于厂商和芯片型号太多，在此不能一一列举，在本设计上，采用的是基于51内核的STC89C52单片机，其接口设计如附图1所示。STC89C52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。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。 具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，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。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，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。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。和Atmel的对比，STC89C52RC单片机还具有一下特点：8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带4K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载。根据本系统的设计需要，选用STC89C52作为主控芯片足以满足要求。STC89C52主要功能如下表2.1所示。表2.1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能I/O口引脚:P0口、P1口、P2口、P3口。P0口：P0口是一个漏极开路的双向8位三态IO口，每个口可独立控制。51单片机内部没有上拉电阻，为高阻态，所以不能正常地输出高/低电平，因此该组I/O口在使用时务必要外接上拉电阻，一般我们选择接入10K上拉电阻。P1口：P1口是一个内带部上拉电阻的准双向8位I0口，每个口可独立控制，内带上拉电阻，这种接口输出没有高阻态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。之所以称之为“准双向”是因为该口在作为输入使用前，要先向该口进行写1操作，然后单片机内部才可正确读出外部信号，也就是要使其先有个“准”备的过程，所以才称之为准双向口。对52单片机P1.0引脚的第二功能为T2定时器/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。 P2口：准双向I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻，与P1口相似。P3口：准双向I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻。作为第一功能使用时就作为普通I/O口，与P1口相似。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表2.2所示。表2.2 P3口各引脚第二功能定义口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0（外部中断0）P3.313INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）2.7 LCD1602显示模块LCD1602字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，显示的容量是2行16个字。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，其代码与标准的ASCII字符代码一致。因此，我们只要写入显示字符的ASCII码即可，这种标准化的设计给使用带来很大的方便。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。1. LCD1602主要技术参数： 显示容量:162个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm2. 引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2.3所示。第3引脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4引脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5引脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6引脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。表2.3 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2双向数据线2VDD5v电源正极10D3双向数据线3VL液晶显示偏压11D4双向数据线4RS数据/命令选择12D5双向数据线5R/W读/写选择13D6双向数据线6E使能信号14D7双向数据线7D0双向数据线15BLA背光源正极8D1双向数据线16BLK背光源负极从上述对LCD1602的简介中了解到了它的引脚功能，下面是根据本设计要实现的功能来将其各引脚与单片机进行连接。连接图如下图2.9所示。图2.9 LCD1602与单片机连接图第3章 控制器的软件设计3.1系统软件总体设计软件系统的设计与开发是系统的灵魂，也是本课题研究的主要内容。本章将介绍系统软件开发的设计思想、程序设计和编写、各功能模块的实现以及各功能模块的流程图。对于51单片机，现有4中语言支持，即汇编、PL/M、C和BASIC。汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言，易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植，代码的可重用性较低。而使用c51可以很好地解决这些问题，本系统的所有软件都采用C51语言编写，提高了系统的可移植性和可读性。采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，可分别各模块进行设计、调试，增强了程序的可移植性。整个软件系统主要有以下几部分：数据采集、非线性数据标度变换处理、LCD显示程序、冷端温度补偿程序设计。本设计要求热电偶线性化显示器能够实现的功能及相应的硬件设备如下：(1)温度的采集与放大，通过热电偶与放大电路实现；(2)模拟量的转换，通过ADC0832实现；(3)实时分析与线性化功能，通过STC89C52实现；(4)冷端温度补偿，通过DS18B20实现；(5)实际温度值的显示，通过LCD1602实现。该热电偶温度显示器的编程采用模块化结构设计。按照上述的功能要求，可得该显示器的软件设计总体流程图如图4.1所示。图3.1 主程序流程图由图可知，软件部分的设计由硬件的初始化程序、ADC0832采样程序、DS18B20程序、线性化标度变换程序和显示程序构成。数字式温度传感器DS18B20输出的反映热电偶冷端温度的数字量读入单片机, 由相应公式计算出对应的冷端温度的热电势E1； 再将热电偶两端输出的热电势经放大和滤波, 由A/D 转换器输入单片机, 由于单片机接收到的是数字量，须将其数字量用相应公式转换成热电偶在冷端温度为t0 时实际输出的热电势E2；按中间温度定律将E1和E2相加即得到热电偶对应冷端温度为0 C的热电势E。再经线性化标度变换后可得被测温度的真实值t , 最后将其在LCD屏显示出来。3.2 A/D转换子程序设计按照ADC0832的工作方式，可以得到如图3.2所示的程序流程图。在将ADC0832的端口定义好后，用CS=0选通ADC0832，之后，将DI端置1，开始AD转换，然后送入通道0或者1的选择信息，在DO端先输出D7-D0数据，再输出D0-D7数据，然后比较两次输出的数据值是否相等，若不相等，继续采样，若相等，返回采样值。图 3.2 A/D转换子程序流程图3.3 线性化标度变换程序设计一般测温仪表所采用的线性化方法大致有以下几种：1.计算方法：即先用数学上的曲线拟合方法对热电势和对应温度进行拟合，得出误差最小的近似表达式 。为简化起见，常常是分段表达式，然后用计算机程序进行分区计算得到温度。2.直接查表法：对分度表不经处理，直接按一定的排列形式存入，用测得的A/D转换值靠软件搜索来查的相应的温度值。3.数据压缩法：即将分度表进行压缩处理，