高精度温度巡检仪设计毕业论文.docx

高精度温度巡检仪设计毕业论文目 录1 绪论11.1 课题研究的背景及目的11.2 国内外研究动态21.3 论文的主要研究内容：32 方案设计与选择42.1 系统设计要求42.2 设计方案42.2.1方案一42.2.2方案二42.2.3方案三42.2.4方案比较论证53 系统的硬件电路设计63.1 单片机主控制模块63.1.1单片机选型63.1.2最小系统电路设计93.2 温度信号处理模块103.2.1 温度传感器选型103.2.2 Pt100测温原理103.2.3 温度信号处理电路设计113.3 多路选择器模块113.3.1 多路选择器选型113.3.2 多路选择器电路设计123.4 模数转换模块123.4.1 A/D转换器选型123.4.2 A/D转换电路设计193.5 温度显示模块213.6 报警及键盘输入模块223.7 电源模块224 系统的软件设计254.1 主程序设计254.2 温度信号处理子程序设计274.3 显示子程序设计284.4 八位数据倒序处理子程序设计284.5 A/D7705读出子程序设计294.6 A/D7705初始化子程序设计294.7 单通道温度查询显示子程序设计295 调试与仿真30结 论32致 谢33参考文献34附 录35附录A 35附录B 49附录C 501 绪论1.1 课题研究的背景及目的随着“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。很多机械部件和结构构件在各种非常温环境下负载运行。特别是航空、航天、核工程、化工和动力等部门的很多设备、机械处于高温或低温下工作，特别在高温环境中，测量条件很恶劣，一般的变形测量仪表难于接近高温，采用专门的电阻传感器在非常温环境中进行测量是现实可行的一种方法。传感器能把被测物理量转换为有确定对应关系的电量输出的测量装置，满足信息的记录、显示、传输、处理和控制等要求。传感器是实现自动测量和控制的首要环节, 在工业生产自动化、 航空航天、能源交通、土建结构、环境保护及医疗卫生等领域,各种传感器在检测各种参数方面起到十分重要的作用。此外，用于工厂自动化制造系统中的机械手或机器人可实现高精度在线测量，保证产品的质量,因此国内外已普遍重视各种传感器的研制、生产和应用。传感器技术已经成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。在实际生产过程中温度的测量具有本身独特的特点：（1）温度的测量环境恶劣，常伴有巨大的冲击力或高温气体的高速流动，测量技术难度非常大。（2）测温环境半径大，覆盖面广，系统大，造成了测点分散。（3）许多工业产品对温度范围要求严格，对温度不仅要不断地测量而且还要进行控制。特别是遇到温度超过预设值时，要求系统会报警。在温度巡检仪没有普及之前，温度计测温被人们运用在大多数温度测量场合。由于温度计本身的结构和功能所限，它只能对一些要求精度不高的地方进行粗略检测，对于一些要求严格控温的场合没有办法检测。随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的高要求，人们开始关注具有温度自动巡检功能的多路温度巡检仪。多路温度巡检仪的出现和发展顺应了时代和工业的发展趋势，推动了经济技术指标的革新。它是由温度传感元件、转换元件、显示元件和控制元件构成。其测温原理是：多个传感器的输出电参数跟随温度的变化而变化，输出并变换成统一规格的电信号，由多路数据选择器选通，以采样、量化、编码和必要的辅助运算方法将模拟量转换成数字量。再经数字电路或微处理器及外围电路处理后，在显示元件上输出对应的温度值。重复上述过程，可以实现轮流周期性地采集被测信号并显示。当然，根据实际需求，也可以进行单通道温度的查询与显示。1.2 国内外研究动态我国仪器仪表行业总体的技术水平与国际水平相差l015 年, 少数产品接近或达到了国际水平。近年来。我国国民经济持续高速增长, 仪器仪表产品需求旺盛, 行业发展迅速。但在高技术、高附加值的产品方面和国外相比还有较大差距, 其主要体现在流程工业用仪器仪表和自动化系统方面。信息技术的进步推动了工业自动化仪表与控制系统的向前发展, 近年来, 计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及, 导致了仪表的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化, 形成了一类具有普通仪表的基本功能,又有一般仪表所没有的特殊功能的高档低价仪表。工业自动化仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表; 全面扩大服务领域, 推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化, 完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变。1、 智能化。从工业自动化仪表的发展趋势看, 智能化是其核心部分, 所谓智能化表现在其具有多种新功能。在工控方面, 过去控制的算法, 只能由调节器或DCS 来完成, 如今一台智能化的变送器或者执行器, 只要植入PID模块, 就可以与有关的现场仪表在一起, 在现场实现自主调节; 从而实现控制的彻底分散, 从而减轻了DCS 主机的负担, 使调节更加及时, 并提高了整个系统的可靠性。2、 高精度化。由于工业生产对成品质量的要求日益提高, 国家的政策和法令对节能减排也有具体的要求和规定, 因此提高测量仪表与控制系统的精度就被提上了议事日程。3、 总线化。过程控制系统自动化中的现场设备通常称为现场仪表。现场总线技术的广泛应用, 使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。目前现场总线已成为全球自动化技术发展的重要表现形式, 它为过程测控仪表的发展提供了千载难逢的发展机遇, 并为实现进一步的高精度、高稳定、高可靠、高适应、低消耗等方面提供了巨大动力和发展空间。4、 网络化。现场总线技术采用计算机数字化通信技术, 使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络, 成为企业信息网络底层, 可使智能仪表的作用得以充分发挥。5、 开放性。现在的测控仪器越来越多采用以Windows/CE、Linux、VxWorks 等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术, 未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密,Agilent 公司表示仪器仪表设备上应当具备计算机的所有接口, 如USB 接口、打印机接口、局域网网络接口等, 测量的数据也应通过USB 接口存储在可移动存储设备中, 使用这样的仪器仪表设备和操作一台简易电脑简直是如出一辙。齐备的接口可连接多种现场测控仪表或执行器设备, 在过程控制系统主机的支持下, 通过网络形成具有特定功能的测控系统, 实现了多种智能化现场测控设备的开放式互连系统。1.3 论文的主要研究内容：第一章 对测温系统做了概览介绍，讨论了课题研究的意义，国内外研究的动态。第二章 介绍了系统的设计要求、设计方案与方案选择。第三章 首先介绍了系统的结构框图，接着详细地介绍了系统的硬件选型、硬件介绍与硬件电路设计，最后给出了系统连接图，并分析了系统的工作原理。第四章 在软件方面首先对主程序进行设计，并绘制流程图。接着详细介绍各模块的程序设计，并绘制流程图。第五章 系统调试。2 方案设计与选择2.1 系统设计要求8路温度巡检仪可以测量0300范围内的8路输入温度值，并能在5位LED数码管上轮流显示，最高位显示通道数。测量最大分辨率为0.1。轮流显示8通道温度，可以查询单通道温度并显示。2.2 设计方案2.2.1 方案一采用热电偶温差电路测量温度，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有 A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是一般的 A/D 输入通道都只能接收大信号，所以还要设计相应的放大电路。此方案的软件简单，但硬件复杂，且检测点数追加时，各敏感元件参数的不一致，都将会导致误差的产生，难以完全清除，而且成本会有较大增长幅度1。2.2.2 方案二采用数字温度芯片 DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。DS18B20 的最大优点是之一是采用了单总线的数据传输，由数字温度计 DS18B20 和微控制器 AT89S52 构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简单，体积也不大。采用 52 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，且体积小，硬件实现简单，安装方便2。2.2.3 方案三采用热电阻Pt100的电桥电路测量温度，数据采集部分使用八选一数据选择器CD4051，数据转换使用A/D转换器A/D7705。电桥将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，再使用单片机进行数据处理，换算出相应温度。Pt100温度传感器的优点是：精度高，测温范围广，一般可测-200650，在工业测温上应用广泛，而且可以通过引线将铂电阻置于需要测量温度的环境中，满足不同点不同温度测量的需求。同时，A/D7705解决了对采集到的模拟信号进行放大和数字处理，而不需要另外增加信号放大滤波电路3。2.2.4 方案比较论证从以上三种方案，很容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽，但是线性误差较大，外围电路复杂。方案二电路简单、精确度较高、信号易于处理、传送和自动控制，但是DS18B20传感器测温范围为-55+125，测温范围偏窄。方案三外围电路不是太复杂，测温范围广，Pt100的电阻温度线性关系好。故本次设计采用方案三。五位LED数码管八路Pt100铂热电阻电桥CD4051八选一数据选择器AT89S52单片机A/D7705模数转换元件S1、S2按键控制图2.1 系统总体方框图该系统主要由七个模块组成，分别为AT89S52单片机主控制模块、温度信号处理模块、多路选择器模块、模数转换模块、温度显示模块、按键输入模块和电源模块。模数转换模块由集成电路A/D7705组成，数据选择开关由CD4051组成，由地址线决定对哪一路进行数据转换。扩展的外围芯片采用串行接口芯片,使整个系统体积小、功耗低，有极好的可维护性和较强的抗干扰性能。单片机晶振为12M，A/D7705的时钟线接单片机的ALE端，它将产生2M的时钟。单片机P0口为数码管的段码，P2口为位选，P3.0为A/D数据输入端，采用串行通信的方式0进行数据的读入。P3.3和P3.4分别接入S1键和S2键，P3.5输出报警信号。3 系统的硬件电路设计3.1 单片机主控制模块3.1.1 单片机选型单片机选用AT89S52。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，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。8 位微控制器，8K 字节在系统可编程Flash4。AT89S52单片机有2根主电源引脚，2根外接晶振引脚，4根控制引脚，32根可编程输入/输出引脚，总共40根引脚。每根引脚都具备指定的功能。1、 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源。GND(Pin20)：接地线2、 外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：内部振荡器反向放大器的输入端，当采用外接振荡源时，此引脚接地。XTAL2(Pin20)：内部振荡器反向放大器的输入端和内部时钟发生器的输入。当采用外接振荡源时，此引脚接外部振荡信号。3、 控制引脚（4根）RST(Pin9)：当振荡器工作时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），使单片机复位。在VCC掉电期间，该引脚可接上备用电源，由VPD向内部RAM提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。ALE/PROG (Pin30)：地址锁存允许输出。在片外数据存储器工作时，ALE为低8位地址锁存允许输出信号。在片外数据存储器未工作时，ALE输出频率为振荡频率1/6的固定频率，可以用于外部时钟或外接定时器。但当执行片外数据存取指令时，将少一个ALE脉冲。对于内置了EPROM的单片机，在写EPROM时，通过ALE接收编程脉冲（PROG 功能）PSEN (Pin29)：片外程序存储器读选通信号输出端。在读取片外数据存储器中的指令时，PSEN 在每个机器周期内2次有效，但每次访问片外数据存储器时，要少2个 PSEN 脉冲；在执行片内程序存储器的指令时，PSEN 无效。EA/VPP (Pin31)：当EA/VPP为高电平且PC值小于0FFFH（4KB）时，CPU执行片内程序存储器中的程序；当EA /VPP为低电平时，CPU执行片外程序存储器中的程序。4、 可编程输入/输出引脚（32根）P3口（Pin10Pin17）：是一个带上拉电阻的8位准双向I/O口，名称为P3.0P3.7。可以驱动4个LSTTL负载，不用外接上拉电阻即可驱动MOS输入。除此以外，P3口还提供了一些第二功能，如表3.1所示表3.1 AT89S52单片机P3口的第二功能引脚第二功能说明P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0定时器0外部事件计数输入P3.5T1定时器1外部事件计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通P2口（Pin21Pin28）：是一个8位准双向I/O口，名称为P2.0P2.7。 引脚上拉电阻同P1口，在结构上P2口比P1口多一个输出控制部分。在访问外部存储器时，P2口作为高8位地址的输出端口。P2口可以驱动4个LSTTL负载，不用外接上拉电阻即可驱动MOS输入。P1口（Pin1Pin8）：是一个具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，名称为P1.0P1.7。P1口的每位口线能独立作为输入线或输出线。P1口可以驱动4个LSTTL负载，不用外接上拉电阻即可驱动MOS输入4。P0口（Pin39Pin32）：是一个8位漏极开路的双向I/O口，名称为P0.0P0.7。在对外部存储器进行存取操作的时候作为低8位地址及数据总线（此时内部上拉电阻有效），该口作为通用I/O口使用时，需要外接上拉电阻。作为输入口使用时，需要对每个引脚写入1成为高阻抗输入口，这时该口为准双向I/O口。P0口能驱动8个LSTTL负载。P0口可作地址/数据总线使用，也可作通用I/O端口使用2。整个系统采用串行通信方式0进行数据的读入，特殊功能寄存器 SCON用于串口操作方式选择和对它进行控制，下面对其进行简单介绍。其字节地址为 98H，寄存器各位内容如表3.2 所示。表3.2 SCON 特殊功能寄存器a) RI：接收中断标志。在方式 0 中，当串行接收到第 8 位结束时由硬件置位；在其他方式中，在接收到停止位的中间时刻由硬件置位。当 RI=1 时，申请中断，要求 CPU 取走数据。在方式 1 中，SM2=1，若未收到有效的停止位，则不会 RI 置位，在任何方式下必须由软件清零。b) TI：发送中断标志。在方式 0 中，串行发送完第 8 位数据时由硬件置位，在其他方式中，发送停止位的开始由硬件置位。当 TI=1 时，申请中断，CPU 响应后，发送下一帧数据。任何方式下必须由软件清零。c) TB8：是在方式 2 和 3 中要发送的第 9 位数据，可由软件置位或清零。d) RB8：是在方式 2 和 3 中已接收到的第 9 位数据。在方式 1 中，若 SM2=0，RB8转载接收到的停止位。在方式 0 中 RB8 不被使用。e) REN：允许串行接收，由软件置位或清零，允许接收或禁止接收。f) SM2：允许方式 2 和方式 3 进行多机通信。g) SM0、SM1：串行口操作方式选择位。两个选择位对应于四种状态，所以串口能以四种工作方式工作，如表 3.3所示。表3.3 串口方式选择SM0SM1方式功能说明波特率000移位寄存器方式fosc/120118位UART可变1029位UARTfosc/32或fosc/641139位UART可变注：系统复位时，SCON 中的所有位都被清零3.1.2 最小系统电路设计图3.1是单片机最小系统电路，该电路是以AT89S52为核心构成，包括晶振电路和复位电路两部分。晶振频率选取12MHZ，采用上电和手动两种复位方式。P0口、P2口用于对五位LED数码管的控制。P1.0P1.2控制多路数据选择器的数据输出。P3.0P3.2控制A/D7705的输入输出。图3.1 单片机模块电路1、 复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把 PC 机初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。单片机在启动运行时都需要复位，使 CPU 和其它部件处于一种确定的初始状态，并从这个状态开始工作。复位引脚 RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，在引脚上出现 2 个机器周期以上的高电平，使机器复位，RST 为低电平后，退出复位，CPU 从初始状态开始工作。2、 晶振电路单片机的晶振电路是一种典型电路，本设计使用比较常用的内部时钟方式。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时钟电路是单片机心脏，典型值有 6MHz 与 12MHz。单片机内部有一个高增益反相放大器，XTAL1 和 XTAL2 分别为反相放大器的输入与输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机的内部各个部件。而在芯片外部，XTAL1和 XTAL2 之间跨接振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡。晶体振荡频率选择12MHz，电容值选择33pF，电容值的大小可对频率起微调的作用。3.2 温度信号处理模块3.2.1 温度传感器选型测温传感器选用Pt100，此型号的铂热电阻测温范围达到-200650，线性度也相当不错，完全符合本设计的设计要求。铂电阻是用很细的铂丝 (0.030.07mm)绕在云母支架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。因此铂电阻在中温 (-200650)范围内得到广泛应用。目前市场上已有用金属铂制作成的标准测温热电阻，如 Pt100、Pt500、Pt1000等。它的电阻温度关系的线性度非常好，如图3.2 所示是其电阻温度关系曲线，在 -200650温度范围内线性度已经非常接近直线。图3.2 Pt100的电阻温度关系曲线3.2.2 Pt100测温原理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，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1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3。方案2设计一个电桥，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， 如图3.3所示。换 算 温 度A/D 转 换信 号 转 换电 阻 变 化温 度 变 化图 3.3 Pt100测温原理3.2.3 温度信号处理电路设计本设计采用方案1，采用恒流源为信号获取电路的测温方案，恒流源通过 Pt100热电阻，温度变化引起 Pt100电阻值的变化，从引起电压的变化。Pt100接入电桥采用三线制可进一步减小导线对测量结果的影响。三线制接法增加了用于 A/D采样的补偿线，三线制接法消除了连接导线电阻引起的测量误差。温度信号处理电路如图3.4 所示图3.4 温度信号处理电路3.3 多路选择器模块3.3.1 多路选择器选型多路选择器选择CD4051。CD4051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A、B、C来决定。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，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。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。3.3.2 多路选择器电路设计该系统选用两快CD4051，作为8路通道的选择，因为A/D7705的模拟输入是以差分信号的方式输入，所以将两块CD4051的地址线（A、B、C）分别连到一起，使输入的差分信号同时选通6。U2与U3的第3管脚分别接A/D7705的模拟输入端。该模块的具体电路图如图3.5所示，在实际应用中，为了使得它们的导通特性相同，要选择同一型号的CD4051。图3.5 多路选择器电路3.4 模数转换模块3.4.1 A/D转换器选型A/D7705是用于低频测量系统的前端器件，它分辨率高，且有节电模式，能够满足高精度和低功耗的要求。此外，A/D7705片内还有数字滤波电路、校准电路和补偿电路，因而能更好地保证高精度的实现温度测量7。要想使用A/D7705，必须先了解其16个引脚的功能，其功能表述如下：1、 SCLK 串行时钟，施密特逻辑输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问 A/D7705 的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据 。反之 ，它也可以是非连续时钟 ，将信息以小批型数据发送给A/D77052、 MCLK IN为转换器提供主时钟信号。能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接在MCLK IN 和MCLK OUT 二引脚之间。此外，MCLK IN 也可用CMOS 兼容的时钟驱动，而MCLK OUT 不连接。时钟频率的范围为500kHz5MHz3、 MCLK OUT当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLK IN 和MCLK OUT之间。如果在MCLK IN 引脚处接上一个外部时钟，MCLK OUT 将提供一个反相时钟信号。这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个CMOS 负载。如果用户不需要，MCLK OUT 可以通过时钟寄存器中的CLK DIS 位关掉。这样，器件不会在MCLK OUT 脚上驱动电容负载而消耗不必要的功率4、 CS 片选，低电平有效的逻辑输入，选择A/D7705。将该引脚接为低电平，A/D7705 能以三线接口模式运行 （以SCLK、DIN和DOUT与器件接口）。在串行总线上带有多个器件的系统中，可由CS对这些器件作出选择，或在与 A/D7705 通信时，CS 可用作帧同步信号5、 RESET 复位输入。低电平有效的输入，将器件的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器和模拟调制器复位至上电状态6、 AIN2(+) 对于A/D7705，差分模拟输入通道2 的正输入端7、 AIN1(+) 对于A/D7705，差分模拟输入通道1 的正输入端8、 AIN1(-) 对于A/D7705，差分模拟输入通道1 的负输入端9、 REF IN（+） 基准输入端。A/D7705 差分基准输入的正输入端。基准输入是差分的，并规定REF IN（+）必须大于REF IN（-）。REFIN（+）可以取VDD 和GND 之间的任何值10、 REF IN（-） 基准输入端。A/D7705 差分基准输入的负输入端。REF IN（-）可以取VDD 和GND 之间的任何值，且满足REF IN（+）大于REF IN（-）11、 AIN2（-） 对于A/D7705，差分模拟输入通道2 的负输入端12、 DRDY 逻辑输出。这个输出端上的逻辑低电平表示可从A/D7705 的数据寄存器获取新的输出字。完成对一个完全的输出字的读操作后，DRDY 引脚立即回到高电平。如果在两次输出更新之间，不发生数据读出，DRDY 将在下一次输出更新前500 tCLKIN 时间返回高电平。当 DRDY 处于高电平时，不能进行读操作，以免数据寄存器中的数据正在被更新时进行读操作。当数据被更新后，DRDY 又将返回低电平。DRDY 也用来指示何时A/D7705 已经完成片内的校准序列13、 DOUT 串行数据输出端。从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。根据通讯寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可容纳来自通讯寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息14、 DIN 串行数据输入端。向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。根据通讯寄存器中的寄存器选择位，输入移位寄存器中的数据被传送到设置寄存器、时钟寄存器或通讯寄存器15、 VDD 电源电压，+2.7V+5.25V16、 GND 内部电路的地电位基准点AD7705片内也包括8 个寄存器，这些寄存器可通过器件的串行口进行访问。对AD7705进行初始化时，需要向指定的寄存器中赋值。本设计在初始化程序中，我们只需要设置通信寄存器、时钟寄存器和设置寄存器这三个寄存器。下面对这三个寄存器简单介绍：通信寄存器，它管理通道选择，决定下一个操作是读操作还是写操作，以及下一次读或写哪一个寄存器。所有与器件的通信必须从写入通信寄存器开始。上电或复位后，器件等待在通信寄存器上进行一次写操作。所有的寄存器 （包括通信寄存器本身和输出数据寄存器）进行读操作之前，必须先写通信寄存器，然后才能读选定的寄存器。此外，通信寄存器还控制等待模式和通道选择，此外DRDY 状态也可以从通信寄存器上读出。通信寄存器是一个8 位寄存器，既可以读出数据也可以把数据写进去。所有与器件的通信必须从写该寄存器开始。写上去的数据决定下一次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。一旦在选定的寄存器上完成了下一次读操作或写操作，接口返回到 通信寄存器接收一次写操作的状态。这是接口的默认状态，在上电或复位后，AD7705 就处于这种默认状态等待对通信寄存器一次写操作。在接口序列丢失的情况下，如果在DIN 高电平的写操作持续了足够长的时间（至少32个串行时钟周期），AD7705 将会回到默认状态。下表3.4 是通信寄存器各位的说明表3.4通信寄存器0/DRDYRS2RS1RS0R/WSTBYCH1CH0a) 0 / DRDY 对于写操作，必须有一个“0”被写到这位，以便通信寄存器上的写操作能够准确完成。如果“1”被写到这位，后续各位将不能写入该寄存器。它会停留在该位直到有一个“0”被写入该位。一旦有“0”写到0 / DRDY 位，以下的7 位将被装载到通信寄存器。对于读操作，该位提供器件的 DRDY 标志。该位的状态与 DRDY 输出引脚的状态相同。b) RS2-RS0 寄存器选择位。这3 个位选择下次读/写操作在8 个片内寄存器中的哪一个上发生，见表3.5（附寄存器大小）。当选定的寄存器完成了读/写操作后，器件返回到等待通信寄存器下一次写操作的状态。它不会保持在继续访问原寄存器的状态。表3.5寄存器选择RS2RS1RS0寄存器寄存器位数000通信寄存器8位001设置寄存器8位010时钟寄存器8位011数据寄存器16位100测试寄存器8位101无-110偏移寄存器24位111增益寄存器24位c) R/W 读/写选择。这个位选择下次操作是对选定的寄存器读还是写。“0”表示下次操作是写，“1“表示下次操作是读。d) STBY 等待模式。此位上写“1”，则处于等待或掉电模式。在这种模式下，器件消耗的电源电流仅为10A。在等待模式时，器件将保持它的校准系数和控制字信息。写“0”，器件处于正常工作模式。e) CHI-CH0 通道选择 这2个位选择一个通道以供数据转换或访问校准系数，如表3.6所示。器件内的3对校准寄存器用来存储校准系数。如表3.7所示指出了哪些通道组合是具有独立的校准系数的。当CH1 为逻辑1 而CH0 为逻辑0时，由表可见对AD7705是AIN1(-)输入脚在内部自己短路。这可以作为评估噪声性能的一种测试方法（无外部噪声源）。在这种模式下，AIN1(-)/COMMON 输入端必须与一个器件允许的共模电压范围内的外部电压相连接。表3.6 AD7705 的通道选择CH1CH0AIN(+)AIN(-)校准寄存器对00AIN1(+)AIN1(-)寄存器对001AIN2(+)AIN2(-)寄存器对110AIN1(-)AIN1(-)寄存器对011AIN1(-)AIN2(-)寄存器对2设置寄存器，决定校准模式、增益设置、单/双极性输入以及缓冲模式。（RS2、RS1、RS0=0、0、1）；上电/复位状态：01Hex设置寄存器是一个8 位寄存器，它既可以读数据又可将数据写入。表3.7 为设置寄存器各位的说明。表3.7 设置寄存器的位MD1MD0G2G1G0BUFFSYNCa) MD1-MD0工作方式选择 MD1 MD0 的值决定AD7705的工作方式，如表3.8所示表3.8工作方式MD1MD0工作方式00正常模式，在这种模式下，转换器进行正常的模数转换01自校准。在通信寄存器的CH1 和CH2 选中的通道上激活自校准。这是一步校准，完成此任务后，返回正常模式，即MD1 和MD0 皆为0。开始校准时 DRDY 输出脚或 DRDY 位为高电平，自校准后又回到低电平，这时，在数据寄存器产生一个新的有效字。零标度校准是在输入端内部短路（零输入）和选定的增益下完成的；满标度校准是在选定的增益下及内部产生的VREF/选定增益条件下完成的10零标度系统校准。在通信寄存器的CH1和CH2选中的通道上激活零标度系统校准。当这个校准序列时，模拟输入端上的输入电压在选定的增益下完成校准。在校准期间，输入电压应保持稳定。开始校准时 DRDY 输出或 DRDY 位为高电平，零标度系统校准完成后又回到低电平，这时，在数据寄存器上产生一个新的有效字。校准结束时，器件回到正常模式，即MD1 和MD0 皆为011满标度系统校准：在选定的输入通道上激活满标度系统校准。当这个校准序列时，模拟输入端上的输入电压在选定的增益下完成校准。在校准期间，输入电压应保持稳定。开始校准时DRDY输出或DRDY位为高电平，满标度系统校准完成后又回到低电平，这时，在数据寄存器上产生一个新的有效字。校准结束时，器件回到正常模式，即MD1和MD0皆为0b) G2-G0 增益选择位。这些位负责片上的PGA 的增益设置，如表3.9。表3.9增益选择G2G1G0增益设置0001001201040118100161013211064111128c) B/U单极性/双极性工作。“0”表示选择双极性操作，“1”表示选择单极性工作。d) BUF 缓冲器控制。“0”表示片内缓冲器短路，缓冲器短路后，电源电流降低。此位处于高电平时，缓冲器与模拟输入串联，输入端允许处理高阻抗源。e) FSYNC 滤波器同步。该位处于高电平时，数字滤波器的节点、滤波器控制逻辑和校准控制逻辑处于复位状态下，同时，模拟调制器也被控制在复位状态下。当处于低电平时，调制器和滤波器开始处理数据，并在3（1/输出更新速率）时间内（也就是滤器的稳定时间）产生一个有效字。FSYNC 不影响数字接口，也不使 DRDY 输出复位（如果它是低电平）。时钟寄存器，包括滤波器选择位和时钟控制位。（RS2、RS1、RS0=0、1、0）；上电/复位状态：05Hex,时钟寄存器是一个可以读/写数据的8 位寄存器。表3.10为时钟寄存器各位的说明。表3.10时钟寄存器ZEROZEROZEROCLKDISCLKDIVCLKFS1FS0a) ZERO 必须在这些位上写零，以确保AD7705正确操作。否则，会导致器件的非指定操作。b) CLKDIS 主时钟禁止位。逻辑“ 1” 表示阻止主时钟在MCLKOUT 引脚上输出。禁止时，MCLKOUT 输出引脚处于低电平。这种特性使用户可以灵活地使用MCLKOUT 引脚，例如可将MCLKOUT 做为系统内其它器件的时钟源，也可关掉MCLKOUT，使器件具有省电性能。当在MCLKIN上连一个外部主时钟，AD7705继续保持内部时钟，并在CLKDIS 位有效时仍能进行正常转换。当在MCLKIN 和MCLKOUT 之间接一个晶体振荡器或一个陶瓷谐振器，则当CLKDIS 位有效时，AD7705 时钟将会停止，也不进行模数转换。c) CLKDIV 时钟分频器位。CLKDIV 置为逻辑1 时，MCLKIN 引脚处的时钟频率在被AD7705使用前进行2 分频。例如，将CLKDIV 置为逻辑1，用户可以在MCLKIN 和MCLKOUT 之间用一个4.9152MHz 的晶体，而在器件内部用规定的2.4576MHz 进行操作。CLKDIV置为逻辑0，则MCLKIN 引脚处的频率实际上就是器件内部的频率。d) CLK 时钟位。CLK 位应根据AD7705 的工作频率而设置。如果转换器的主时钟频率为2.4576MHz（CLKDIV=0）或为4.9152MHz（CLKDIV=1），CLK 应置“0”。如果器件的主时钟频率为1MHz（CLKDIV=0）或2MHz （CLKDIV=1），则该位应置“1”。该位为给定的工作频率设置适当的标度电流，并且也（与FS1 和FS0 一起）选择器件的输出更新率。如果CLK 没有按照主时钟频率进行正确的设置，则AD7705的工作将不能达到指标。e) FS1-FS0 滤波器选择位，它与CLK 一起决定器件的输出更新率。表3.13 显示了滤波器的第一陷波和-3dB 频率。片内数字滤波器产生sinc3（或sinx/x3）滤波器响应。与增益选择一起，它也决定了器件的输出噪声。改变了滤波器的陷波以及选定的增益将影响分辨率。器件的输出数据率（或有效转换时间）等于由滤波器的第一个陷波选定的频率。例如，如果滤波器的第一个陷波选在50Hz，则每个字的输出率为50Hz，即每2ms 输出一个新字。当这些位改变后，必须进行一次校准。达到满标度步进输入的滤波器的稳定时间，在最坏的情况下是4（1/输出数据率）。例如，滤波器的第一个陷波在50Hz，则达到满标度步进输入的滤波器的稳定时间是80ms（最大）。如果第一个陷波在500Hz，则稳定时间为8ms（最大）。通过对步进输入的同步，这个稳定时间可以减少到3（1/输出数据率）。换句话说，如果在FSYNC 位为高时发生步进输入，则在FSYNC位返回低后3（1/输出数据率）时间内达到稳定。-3dB 频率取决于可编程的第一个陷波频率，按照以下关系式：滤波器3dB 频率=0.262滤波器第一个陷波频率表3.11录波器频率选择CLKFS1FS0输出更新率滤波器-3dB截止频率00020HZ5.24 HZ00125 HZ6.55 HZ010100 HZ26.2 HZ011200 HZ52.4 HZ10050 HZ13.1 HZ10160 HZ15.7 HZ110250 HZ65.5 HZ111500 HZ131 HZ注：假定MCLKIN 脚的时钟频率正确，CLKDIV 位的设置也是适当的。3.4.2 A/D转换电路设计A/D7705使用5V单电源，它有两个模拟差分输入通道，在电源为5V、参考电压为3.3V. A/D7705可直接接收传感器产生的小信号以进行A/D转换并输出串行数字信号。它采用技术来实现16位A/D转换。采样速率由MCLKIN端的主时钟和放大器的可变增益来决定。实际上，A/D7705同时可以对输入信号进行片内放大、调制转换和数字滤波处理。其数字滤波器的阻带可编程控制，以便调节滤波器的截止频率和输出数据更新速率7。关于A/D7705基准电压的选择中，为了测量的精度，没有直接将电源电压作为基准电压，而是选用专门的稳压集成芯片ASM1117，并且要进行去耦处理。A/D转换电路如图3.6所示。图3.6 模数转换模块电路整个系统采用串行通信方式0进行数据的读入，从该模块电路上可以看出，引脚1 接单片机AT89S52的引脚11，使TXD每一个机器周期向SCLK输入一个同步移位脉冲。引脚2 MCLK IN接单片机的引脚30 ，当ALE不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率输出正脉冲，为A/D7705提供主时钟信号。AIN1(+)、AIN1(-)作为差分模拟输入通道的正负端，分别与多路选择器的两个输出口连接，以AIN1(-)作为输入信号的参考点，在电源电压5V、基准参考电压3.3V下，可处理0+26.4mV到0+3.3V的单极性输入信号。引脚13 和引脚14 接单片机的RXD，DOUT/DIN输出或输入串行数据，而RXD接收或输出串行数据。串行数据的输入输出，要通过软件控制TI和RI的状态。这两个引脚要接入10K的上拉电阻，同样保证所读电平状态稳定，不会发生跳跃现象。引脚12接单片机的引脚12，当DRDY=0时，表示此时可以从A/D7705的数据寄存器中获取新的输出字。在从读出字节的子程序中，往往需要判断 DRDY 的状态，当低电平时才准许读取数据，而且完成输出字节的读操作后，DRDY 自动回到高电平状态。在程序运行中，必须先对A/D7705进行初始化处理，而在初始化程序中，我们只需要设置通信寄存器、时钟寄存器和设置寄存器这三个寄存器。在通信寄存器中，先写入0x20，DRDY =0，通信寄存器上的写操作能够准确完成；RS2-RS0=010，设置下一个寄存器指向时钟寄存器；R/W =0，表示下次操作是写；STBY=0，使器件处于正常工作模式；CH1-CH0=00，选择通道AIN(+)和AIN(-)。再者，对时钟寄存器进行设置，写入0x0c。ZERO-ZERO-ZERO=000，确保A/D7705正确操作；CLKDIS=0，使MCLK OUT 输出引脚处于低电平；CLKDIV=1，使，MCLK IN 引脚处的时钟频率在被A/D7705 使用前进行2 分频；接2M主时钟频率，设置CLK=1；FS1-FS0=00，置输出更新率为50Hz。然后再次设置通信寄存器，写入0x10，设置下一个寄存器指向设置寄存器。最后，写0x7e到设置寄存器中。MD1-MD0=01，置自动校准；G2-G0=111，增益设置为128；/U=1，表示选择单极性工作；BUF=1，此位处于高电平时，缓冲器与模拟输入串联，输入端允许处理高阻抗源；FSYNC=0，滤波器同步。同时，注意在对A/D7705初始化时需对数据进行倒序处理3.5 温度显示模块该系统用动态扫描的方式进行显示。在硬件设计中将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。动态扫描显示的原理是轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。该方案与静态显示相比，硬件电路比较复杂，成本较高。动态显示模块电路图如图3.7所示.在该电路中选用限流电阻为330,但一定要加上它，因为每一个段码的发光二极管所能承受的最大电流为10mA-20mA。在电源电压为5V时，如果不加限流电阻，则流过发光二极管的电流会有几百毫安，这样很快会烧坏发光二极管5。图3.7 显示电路还需要说明的一点是，该系统选用共阳极数码管，这样在段码控制端口（P0口）为低电平时数码管导通点亮。为什么选用共阳极数码管呢？因为51单片机中或者是其它的一些集成电路中，它的灌电流要大于其输出电流，所以要选用共阳极数码管，让P0口以灌电流的方式提供驱动电流，以提高驱动能力。还需要特别说明的一点是，用端口不能直接去驱动每个数码管的位选端口，因为51单片机的每个端口只能提供20mA的电流，如果去驱动的话，会很快烧坏单片机的端口。3.6 报警及键盘输入