机械毕业设计（论文）-基于PT100的喷油泵温度测量仪设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题目：基于题目：基于 PT100PT100 的喷油泵温度测量仪设计的喷油泵温度测量仪设计 姓 名： 学 号： 2012090427089 学 院： 机电学院 专 业： 机械工程及自动化 指 导 教 师： 协助指导教师： 2014 年 5 月 8 日 毕业设计（论文）诚信承诺书毕业设计（论文）诚信承诺书 本人慎重承诺和声明,在毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定， 恪守学术规范，在本人的毕业设计（论文）内容除特别注明和引用外， 均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，不存 在伪造、篡改实验数据。如有违规行为发生我愿承担一切责任，接受学 校的处理，并承担相应的法律责任。 学生（签名）： 年 月 日 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 I 摘摘 要要 喷油泵在工作过程中油温将不断增加,甚至异常波动,温度变化对盆油泵性能有 着显著的影响,甚至造成重大事故。随着工业科技不断的发展进步，喷油泵的温度控 制日益受到现场操作人员的重视，因此关于喷油泵的温度检测方法和技术仍是业界 关注的焦点。 本文首先简单介绍了喷油泵温度监测仪的工作原理，在此基础上具体论述了基 于 PT100 喷油泵温度测量仪的设计。本温度监测仪采用 AT89S52 单片机作为控制核 心，辅以信号采集电路，信号调理电路，时钟电路，按键切换电路，LED 数码显示 电路以及串行存储器电路共同作用实现对喷油泵的温度进行实时监测。并采用恒流 源方法进行测温，将温度精度控制在 0120范围内0.1。还编制了相应的信号 采集子程序、时钟子程序、按键切换子程序、数码管显示子程序、异常温度值记录 存储子程序以及主程序配合硬件实现设计要求的控制功能。 该系统的特点是：测量范围宽，适用范围广，精度高，操作简单，稳定性高。 关键词：关键词： PT100 单片机单片机 恒流源恒流源 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 II Abstract Injection pump oil will continue to increase in the course of their work, or even abnormal fluctuations, temperature changes have a significant impact on the basin pump performance, and even cause a major accident. With the continuous development of industrial technology progress, fuel pump temperature control and more attention-site operator, so the temperature of the fuel pump on testing methods and techniques is still the focus of the industry. This paper first introduces the fuel pump temperature monitor works, on this basis are discussed in detail based on the injection pump PT100 temperature measuring instrument design. Monitor the temperature control using AT89S52 microcontroller as the core , supplemented by signal acquisition circuitry , signal conditioning circuits , clock circuits , key switching circuit , LED digital display circuit and serial memory circuits work together to achieve real-time monitoring of the temperature of the fuel pump . And the method of temperature measurement using a constant current source , the temperature is controlled within the range of accuracy 0 120 0.1 . Also prepared a corresponding signal acquisition subprogram, subroutine clock , key switch subroutine , digital display routine , abnormal temperature records are stored subroutines and the main program control functions with hardware design requirements . The system features are: measuring range, wide application range, high precision, simple operation and high stability. Keywords: PT100 SCM Constant Current Source 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 III 目目 录录 摘 要 . Abstract . 引 言 .1 1)课题任务与目的 .1 2)调研资料情况 .1 3)章节安排 .2 1.方案设计与论证 .6 1.1 系统框图及方案设计 .6 1.2 CPU 的选择 .6 1.3 传感器的选择 .6 1.4 A/D 转换器的选择 .9 1.5 运算放大器的选择 .9 1.6 时钟芯片的选择 .9 1.7 串行存储器的选择 .9 1.8 测温方案的确定 .9 1.8.1 方案一 .15 1.8.2 方案二 .15 2.硬件设计 .11 2.1 恒流源及信号调理电路 .11 2.2 放大电路 .11 2.3 A/D 转换器电路 .13 2.4 单片机控制电路 .14 2.5 按键和显示电路 .14 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 IV 2.5.1 显示电路 .15 2.5.2 键盘切换电路 .15 2.5.3 时钟电路 .16 2.5.4 串行存储器电路 .17 3.软件设计 .19 3.1 系统软件设计 .14 3.2 软件的算法 .14 3.2.1 最小二乘法获取温度-电阻公式 .15 3.2.2 标度变换获取公式 .15 3.3 软件的流程图 .14 3.3.1 主程序流程图及分析 .21 3.3.2 子程序流程图及分析 .22 3.4 程序设计 .23 4.电路仿真设计 .24 4.1 仿真内容 .24 4.2 仿真分析 .25 结 论 .26 致 谢 .27 参考文献 .28 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 -1- 引言引言 1）课题任务与目的）课题任务与目的 本课题的主要任务是基于 PT100 喷油泵温度测量仪的设计，使测量仪对喷油泵 的温度进行实时检测并将结果进行传输。本系统采用恒流源的测温方法，以 AT89S52 单片机作为核心，对喷油泵中的 PT100 温度传感器进行控制。通过采集 PT100 上电压差计算温度，然后由模数转换器将传感器采集到的油温数据传送到单 片机，经过滤波器滤波和放大处理等信号调理，将最终的采集数据送到 LED 动态显 示，从而实现对喷油泵的温度进行动态检测。 由于课题源于喷油泵试验台中的一部分且服务于喷油泵试验台的测温系统。因 此通过本次设计可以更好地对喷油泵温度测量部分进行加强和改善。通过此次的设 计对于温度检测系统有了更深入的了解和认识，而且在社会实践中温度检测系统对 于喷油泵温度的检测具有重要的意义。然而喷油泵的油温对柴油机的影响不仅仅是 经济性、动力性、可靠性、耐久性方面，也应该包括其降低排污、噪声、烟度等环 保方面。使用单片机来做这个系统，使设计过程变得简单化，又具备完善的检测和 传输作用，且控制性能强大便捷，成本极低。同时通过本次毕业设计将大学四年所 学与实际结合，可以锻炼自己解决具体实际问题的能力。 2）调研资料情况）调研资料情况 为了课题的深入，调查了一些国内外基于 PT100 喷油泵温度检测仪的资料。随 着工业生产和科学研究的发展，人们对温度测量及控制的要求越来越高，具体表现 在温度测量控制的精度、稳定性、可靠性等方面。特别是在高性能、高精度的器件 的生产、标准检测领域的应用、高要求的实验环境的建立等方面，都有高精度温度 控制仪表的需求。高精度的温度控制仪表实现就必然离不开前端电路中高质量的温 度传感器的使用。铂电阻 PT100 测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好； 在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定, 是中低温区（- 200650）最常用的一种温度检测器。不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各 种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。基于 PT100 传感器 以单片机作为控制单元的温度测量控制系统可以实现温度的高精度测量控制被广泛 的应用于化工、冶金、电力、电子、轻工、纺织以及其他公共场合的供水、饮水装 置等行业中，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本， 简化了设计，是一种不错的温度测量选择 。 近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如美国 DALLAS 公司生 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 -2- 产的 DS18B20，美国 MAXIM 公司的 MAX6576、MAX6577，美国 ADI 公司的 AD7416 等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如 DS18B20 该温度传感 器为单总线技术，MAXIM 公司的 2 种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输 出，其本质均为数字输出，而 ADI 公司的 AD7416 的数字接口则为近年也比较流行 的 I2C 总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便， 但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55+125，而且温度的测量 精度都不高，好的才0.5,一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的 需要。此外国内也有一些厂家成产的温度传感器也是不错的，比如西安蓝田恒远水 电设备有限公司的 WP-C80, 适用于温度、湿度、压力、液位、瞬时流量、速度等多 种物理量检测信号的显示及控制，并能对各种非线性输入信号进行高精度的线性校 正。 采用最新无跳线技术,使输入端口具备单通道和万能信号输入功能,只需通过仪 表菜单的简单选定，即可实现多种输入信号（各种热电偶、热电阻、标准电压/标准 电流信号）之间的轻松切换，提高了仪表的通用性和可靠性。可应用与现实生活中 的各个领域。 目前热电阻传感器的应用在现实生活中已无处不在，所以温度检测系统的重要 性不言而喻，它不单单对于喷油泵具有实际意义，同样其他方面也具有重大意义。 3）章节安排）章节安排 第 1 章引言：简单介绍本课题的任务目的及意义、设计要求，论文工作。 第 2 章 系统设计方案及论证：对不同元器件方案进行介绍了解，通过比较选择， 最终选出最适合本课题设计的搭配，并且确定系统方案。 第 3 章 系统硬件设计：详细介绍本温度测量仪系统各个硬件电路的结构，解释 说明各个电路选择确定的方法，通过对电路计算分析，确定相应参数的电子元器件。 第 4 章 系统软件设计：详细介绍软件设计，解释说明主程序及子程序的功能， 在仿真软件中对其进行调试分析，达到系统设计要求功能，得到结论。 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 5 - 1.方案设计与论证方案设计与论证 1.11.1 系统框图及方案设计系统框图及方案设计 随着微控制处理技术的快速发展，喷油泵温度测量仪的功能及性能远远超过当 前。随着精度更高，稳定性更好的元器件不断更新，喷油泵温度测量方面的研究达 到了前所未有的高度，因此元器件的选择搭配成为衡量一个温度测量仪性能的关键。 经过对课题的研究讨论，将喷油泵测量仪系统设计划分为几个部分，并对各个部分 进行分析设计，从各部分中选取最优方案对系统进行组合。本系统的结构框图如图 1-1 所示。 图图 1-11-1 系统结构框图系统结构框图 该测量仪系统包括：恒流源电路、温度检测电路、信号调理电路、A/D 转换电 路、CPU 模块、时钟电路、按键切换电路、LED 显示模块，串行存储器模块。系统 统一使用+5V 电源进行供电。 将温度传感器先接入至恒流源电路，通过对温度传感器电阻值的计算得出其两 端电压变化，将得到的电压差送至调理电路，经过放大器进行放大，滤波后得到 A/D 转换器可以识别的电压信号，将此信号传送到 A/D 转换器电路，经数模转换后 得到数字信号，将其输入至单片机进行控制处理，单片机计算处理后，将要显示的 数字信号（即温度值）送至 LED 显示模块进行显示。如出现超程温度，即时由单片 机对出现超程的温度值以及时间进行记录，并送至串行存储器进行存储。按键切换 供用户对温度量程的切换使用，并提高检测低温时的精度。 通过上述方法，温度测量仪即达到监测喷油泵温度的目的。 通过上述对喷油 泵温度测量仪的初步认识和测量仪系统方案的初步确定，需要对其各个部分进行元 器件的对比选型。由于控制单元为本测量仪系统的核心部件，因此首先对控制单元 的元器件进行对比选型。 A/D 转换器电路信号调理电路温度计传感器LED 显示模块 时钟电路 按键切换电路串行存储器模块 C P U 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 6 - 1.2CPU1.2CPU 的选择的选择 CPU 模块可选择的种类很多，例如单片机、PLC、FPGA 或者 CPLD 均可作为整 个喷油泵温度测量仪的系统控制器。单片机具有成本低，设计灵活，体积小，程序 功能丰富的特点，适用于大批量生产；PLC 是基于单片机之上的系统控制器，拥有 强大的逻辑编辑器的功能以及数据处理功能且通讯简单，由于其采用结构简单的梯 形图，因此容易编程，且抗干扰能力强，但只适用于重复性极少的项目和场合； FPGA 和 CPLD 由于没有指令系统，相对于单片机和 PLC 的控制能力相对较弱，但 是其拥有强大的组合逻辑和时序逻辑功能；通过上述比较，本次喷油泵测量仪的 CPU 更适合采用单片机。 此外，单片机的类型也有很多。例如 PIC 系列单片机，AVR 系列单片机，STC 系列单片机，还有 ATMEL 系列等等。PIC 系列的单片机的特点为从实际出发，不 使计功能出现堆积现象，专用性较强且价格较高，如 PIC16F877A 等；AVR 系列单 片机具有高性能功效以及低耗能的特点，且价格低廉，但是由于其产品资料相对较 少，不适用于初学者；STC 系列单片机可以直接通过串行端口下载程序，不需要借 助任何程序编辑器，成本低廉，由我国自主研发，如 STC12C5A60S2 等。还有 ATMEL 系列的单片机，在我国这种单片机受到广泛青睐，很多以前使用 80C51、80C52 的用户都转而使用 AT89 系列。对于有丰富编程经验的用户而言，不 需要仿真器，可以直接将程序烧入芯片，放在目标板上加电直接运行，观察运行结 果，出现问题时再进行修改，然后重新编写程序，再进行试验，直至成功。 AT89 系列包括两大类第一类是常规的，就是 AT89C 系列，这类单片机要用常 规的并行方法编程，必需使用编程器编程；第二类是在系统可编程(即芯片安装到电 路板上之后不用拿下来而直接往里面烧写程序)ISP Flash 系列，也就是 AT89S 系 列，这类单片机除了用常规的并行方法编程外，还可以在系统用下载线进行编程， 省去价格较贵的编程器，而且可以在目标板上直接修改程序。其结构简单，性能优 良，功能强大，抗干扰能力强，且性价比较高，如 AT89SS52 等。从综合上述考虑， 本系统适合采用 ATMEL 公司的系列的单片机。根据本次设计要求，本喷油泵温度 测量系统八位单片机 AT89S52 作为整个系统的 CPU 模块。 1.31.3 传感器的选择传感器的选择及测温方案及测温方案 温度传感器按照感温元件与被测介质的接触方式可分为两大类，第一类为温度 传感器的测温元件与被测对象直接接触，此时温度传感器所示的值为被测对象的温 度，此称为接触式传感器。第二类为测温元件与被测对象互不接触，由被测物体通 过热辐射能量来反映物体温度的高低，此称为非接触式传感器。在这两类温度传感 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 7 - 器中，接触式传感器的应用在生活中显而易见，而由于使用环境要求高，非接触式 传感器被基本用于特殊场合。本次设计要求测量的对象为喷油泵油温，其不需要在 特殊环境进行工作，因此本次设计采用接触式温度传感器。 此外接触式的传感器又可分为热电式传感器和热电偶传感器。其中热电阻传感 器是将被测温度值的变化转换为电阻值的变化，一般应用于中低温场合；而热电偶 传感器则是将被测温度值的变化转化为热电势的变化，其测温范围广，适用于设计 要求高的场合。根据本次设计要求，喷油泵测量仪的测量范围为 0120，因此 选用适用于中低温场合的接触式热电阻温度传感器。 热电阻温度传感器的种类繁多，例如 PT100、DS18B02 等。PT100 温度传感器 由铂金丝构成，测温范围为-200650，其测温精度高，稳定性好，在高温下的 物理化学性质极其稳定。DS18B02 温度传感器具有精度高，体积小，耐磨性高，稳 定性较高，封装形式多样等特点，但是由于其测温范围为-55125，因此适用范 围相对较少。根据上述的了解分析和设计要求，本设计最终选择性能稳定，高精度 且测温范围较为广泛的 PT100 热电阻式传感器。图 1-2 所示为 PT100 分度表。 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 8 - 1.41.4 A/D 转换器选择转换器选择 本次设计中所检测的信号均为连续变化模拟量，而且需要用单片机对这些信号 进行计算，但是单片机只可以识别数字信号，因此需要通过 A/D 将其转换为数字量。 按照工作原理的不同，A/D 转换器可分为好几类，下面介绍其中两类普遍的 A/D 转 换器：一类为双积分型，而另外一类为逐次逼近型。 双积分型 AD 转换器属于间接型 AD 转换器，它是将输入的模拟电压先转换 为一个与之成正比的时间宽度信号（即中间变量） ；然后再对中间变量中固定频率的 脉冲进行计数，得出正比于输入的模拟电压的数字信号。双积分型 A/D 转换器通常 由积分器、比较器、计数器、时钟信号源和控制逻辑等几部分构成。其特点为抗干 扰能力强，可消除电源噪声且转换精度高，但是转换速度较慢。逐次逼近型 A/D 转 换器通常由 SAR 寄存器、D/A 转换器，比较器，控制逻辑和输出缓冲器等几部分组 成。它是将 A/D 转换器的模拟输入电压 U0 与预先设定好的的电压 U1 相比较，若 U1U0，则当前转换的数字量清除；若 U1U0，则保留当前数字量。由此依据，由 高到低逐位比较，使转换的数字量与模拟输入电压相对应的数字量逐渐接近。其特 点为转换精度高，速度快，性能稳定。根据设计要求，选择更为合适本设计的逐渐 逼近型 A/D 转换器。 常用的 A/D 转换器型号有 ADC0809、TLC549 以及 TLC2543 等等。AD0C809 是分辨率为 8 位的模数转换器，它的电源电压范围是 0V-5V，由单个电源进行供电， 且功耗相对较低，可与单片机直接进行通讯。TLC549 同样为分辨率为 8 位的模数 转换器，以逐渐逼近的方法进行 A/D 转换，电源电压范围为 3V-6V，以三线串行接 口与单片机进行通讯。TLC2543 是一个分辨率为 12 位的 A/D 转换器。电源电压为 0V-5V，以逐渐逼近的方法进行 A/D 转换。其选用串行接口与单片机进行通讯，连 接方式简单，具有输入通道较多、价格适中的特点。在喷油泵温度测量系统中，由 于温度测量精度要求达到 0.1，可以算出 A/D 转换器的自身精度需要达到 5/212， 所以需要选择 12 位的模数转换器，综上所述，本设计的温度测量仪的 A/D 转换器 采用 TLC2543A/D 转换器。 1.51.5 运算放大器选择运算放大器选择 要获得高精度的温度值仅通过 A/D 转换器来提高是不够的，模拟信号经过温度 传感器进行采集后，必须先经过放大滤波等处理，才可进入 A/D 转换器。因此，放 大器的性能也是决定测量值精度高低的关键。 常用的放大器的型号有：AD620、LM386N-1、OP07 等。AD620 仪用放大器具 有价格低、功耗低，放大增益调节简便，倍数高（1-10000 倍） ，低输入偏置电流、 较短的响应时间以及较高的精度等特点，适用于精度高的数据采集系统。LM386N-1 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 9 - 具有功耗低、电源电压为 15V、高精度，低失真等特点。OP07 是一种低噪声双极性 的运算放大器。具有低失调，高开环增益的特点，特别适用于微弱信号的放大。其 电源电压范围为3V 至22V。根据本测量仪的设计要求，经过上述比较了解，确 定使用 AD620 和 OP07 两种放大器，由二者共同构成两级放大电路。 1.61.6 时钟比较时钟比较 根据本测量仪设计要求，本系统拥有对温度实时监控的作用，且当出现异常温 度是，异常数据值和发生时间都将被单片机记录并且送至外接存储器进行储存，便 于操作者查询故障。 时下主要流行的时钟芯片有：DS1302 和 DS12C887 等等。DS1302 是一种具有 涓流充电能力的时钟芯片，具有接口简单、功耗低、闰年补偿，价格便宜以及对各 时间分度的计时功能等特点。仅需要三条通讯接线便可与单片机相连接。DS12C887 时钟芯片具有七种日历信息，且自带晶体振荡器和锂电池，工作电压为 4.5V 至 5.5V，在没有外接电源的情况下，此芯片可以工作 10 年。但是 DS12C887 与单片机 通讯接线多于 3 条。因此，选择 DS1302 作为本系统的时钟芯片。 1.71.7 串行存储器比较串行存储器比较 根据本测量仪设计任务，需要对异常温度值及其产生的时间进行记录并且储存。 因此需要外接串行存储器完成这一功能。串行存储器的型号也是种类繁多。例如 24C02，AT45DB161B 等等。24C02 串行存储器具有体积小、兼容性强，接口简易、 数据掉电不丢失等特点，且与单片机的配合通讯得到广泛应用。AT45DB161B 串行 存储器具有体积小，容量大，功耗低，可靠性强等特点。但由于后者容量太大，根 据本设计要求，为了提高资源的有效利用，决定使用 24C02 作为喷油泵测量仪的串 行存储器。 1.81.8 测温方案确定测温方案确定 1.8.11.8.1 方案一方案一 将 PT100 接至恒流源，测量 PT100 上的电势变化，后经过一定的计算换算成温 度。恒流源测温的原理是将 PT100 温度传感器接入至恒流源两端，PT100 两端产生 的电位差即为温度差。其设计组成多样，一般可由三极管构成，也可使用专门的恒 流管，还可以使用价格便宜的运放仪器进行巧妙设计，从而达到恒流效果。 1.8.21.8.2 方案二方案二 使用桥式电路（三线制、两线制），电桥上的四个电阻中一个用 PT100 代替， 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 10 - 其他的三个电阻保持恒定，通过计算 PT100 温度传感器的电阻阻值的变化引起的测 试端两端电势的变化，得出相应的温度。 根据检测技术的相关知识，桥式测温电路的电压输出与电阻的阻值不符合正比 的关系，因此数据处理较为繁琐；而使用恒流源测温，PT100 两端的电压输出值与 电阻值所构成的线性关系良好，再达到设计要求的前提下，恒流源相比于桥式电路 更加简便。因此本温度测量仪系统采用恒流源的测温方式。 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 11 - 2.2.硬件设计硬件设计 2.12.1 恒流源以及信号调理电路恒流源以及信号调理电路 本系统采用高精度，低失调电压的精密集成运放OP07构成的恒流源电路，基准 电压由TL431与电位器VR1共同调节产生参考电压。不过还是如果需要4.096这样高 精度的电压还是用电位器来调。由恒流源电路图2-1可知，恒流源的电流可表示为： I = 4. 096V /2. 4 k= 1. 707 mA 式2-1 由式2-1得，该电流源的性能,，除受电压基准和运放的性能影响以外，还受电阻 R1 的温度稳定性和精度的影响。电路的结构形式见图2-1所示。 图图 2-12-1 恒流源电路原理图恒流源电路原理图 2.22.2 放大电路的设计放大电路的设计 如图 2-2 运放结构的高性能放大器原理图所示，利因为课题要求的测量温度范 围是 050和 0120，而此时的温度传感器的电阻值依据分度表分别为 100.00 欧119.4 欧和 100 欧146.07 欧，因为恒流源的输出电流 IS为 1.707 毫安， 因此 OP77 的输入端电压根据量程分别为 170.67 毫伏203.78 毫伏和 170.67 毫 伏249.29 毫伏。 在仿真软件中，当 PT100 恒流源电路的输出电压可以用电压表测量出来，经过 放大电路之后的电压也可以用电压表测量出来。 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 12 - 图图 2-22-2 运放结构的高性能放大器原理图运放结构的高性能放大器原理图 由于 PT100 温度值变化 1时，恒流源电路的输出电压值的变化为 0.0001V，因 为 TLC1543 为 12 位的 A/D 转换器且分辨率为 5/212=0.00122，因此得到该系统的分 辨率为 0.0001/0.001220.1 。 2.32.3 A/DA/D 转换器设计电路转换器设计电路 由于系统整体的分辨率为 0.1，所以系统设计运用的是 12 位的模数转换器， 而该系统采用的 A/D 转换器为 TLC2543，用于把模拟信号变为数字信号传输在单片 机进行分析。 图图 2-62-6 TLC1543TLC1543 电路原理图电路原理图 其中 REF+和 REF-分别接基准电压的正负端，放大电路接到模拟输入端 A0，CLOCK、DI、DO 以及片选端 CS 接到单片机 P1 口的前四位，VCC 接电源， 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 13 - GND 接地。 2.42.4 单片机控制电路单片机控制电路 本设计的 CPU 采用 AT89S52 单片机作为单片机的最小系统，作为喷油泵温度测 量仪的 CPU。其需要连接 A/D 转换器、按键切换电路、数码管显示电路、时钟电路 以及串行存储电路。如图 2-7 所示。 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 14 - 图图 2-72-7 单片机最小系统图单片机最小系统图 P1 口连接数模转换电路（P1.0-P1.3 以及时钟电路（P1.5-P1.7） ，其中 P1.4 用 来连接量程切换按键开关。P0 口全部作为 LED 数码显示管，P2.0-P2.2 口作为数码 显示管的位选端。P2.3，P2.4，P2.7.RXD 以及 TXD 接 Zigbee 无线传输模块，用于 上位机的通信。P2.5 与 P2.6 连接串行存储器 24C02，用于异常温度值及其产生时间 的记录。 2.52.5 按键和显示电按键和显示电路路 2.5.12.5.1 显示电路显示电路 显示电路是用于当前所测温度值，精确度达到小数点后一位，即系统的分辨率 为 0.1，对温度进行实时监测。单片机的 P0 作为段选码，P2.0 至 P2.2 分别为三 位数码管的位选码。如图 2-8 所示， 当数码管的位选输出电平为低电平时，三极管就可以导通，使数码管的公共端 得到了高电平（共阳极） ，此时 P0 口输出显示字型码并经过数码管将段码信号锁存 输出。 图图 2-82-8 温度数码管显示温度数码管显示 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 15 - 2.5.22.5.2 按键切换电路按键切换电路 按键开关切换电路用来切换被测温度的量程。由单片机 P1.4 对一个常闭开关通 过继电器进行控制，当 P1.4 为 0 时，K1 为常闭端，通过连接电阻 R7，R7 阻值为 40.2 千欧，通过上述放大电路确定最终测量范围为 0 至 50。同理，当 P1.4 为 1 时， K1 为常开端，通过连接电阻 R8，R8 阻值为 80.2 千欧，通过上述放大电路确定其量 程为 0 至 120。如图 2-9 所示， 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 16 - 图图 2-92-9 按键切换电路按键切换电路 2.62.6 时钟电路时钟电路 与单片机 P1.5、P1.6、P1.7 相连，通过与单片机晶振频率的同步，进行实时监 测。如图 2-10 所示。 图图 2-102-10 时钟电路时钟电路 2.72.7 串行存储器电路串行存储器电路 当出现超程范围的异常温度值，由单片机进行中断，并将异常温度值及产生时 间通过 P2.3 和 P2.4 口输出给串行存储器 24C02，由其进行储存，并且由单片机将 异常温度值送至上位机显示。 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 17 - 图 2-11 串行存储器电路 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 18 - 3.3.软件设计软件设计 3.13.1 系统软件设计说明系统软件设计说明 进行微机测量控制系统设计时，除过系统硬件设计外，大部分的工作便是怎么 根据每一个测量对象的实际需要设计应用程序。对于喷油泵温度检测仪系统，软件 的设计显得比较重要。 在单片机的测量控制系统中，一般可分为数据的处理、过程的控制两个类型。 数据处理包括：数据的采集、滤波、标度的变换等。过程的控制程序主要让单片机 AT89S52 按照一种方法进行计算，然后再进行输出，从而达到测量和控制的目的。 软件设计主要是对温度进行采集、显示,通过对按键的操作，进行对温度的控制。 因此，整个软件设计可分为温度采集子程序设计、按键切换子程序设计、显示子程 序设计、串行存储子程序及系统主程序设计。温度采集子程序用于对喷油泵温度的 采集，然后把数据传输给模数转换器，再让单片机进行处理；显示子程序用于对当 前的温度进行显示；按键切换子程序用于对测量范围的切换，串行存储子程序用于 超程范围的异常温度值及产生时间进行储存。 3.23.2 软件的算法软件的算法 3.2.13.2.1 最小二乘法获取温度最小二乘法获取温度- -电阻公式电阻公式 根据误差理论，需要温度测量精度值，一般有两条途径，要么使用查表的方法， 或者高精度的数学模型。如果用查表法，主要有两个问题，为了提高测量精度，需 要制作许多的表，并且需要进行多点的校正和大量实验，另外有一个问题是程序的 通用性十分差，这台仪器上校正完的数据在另一台上可能不是特别合适。如果选用 已知的分度表，创建数学模型，经过工程量（标度）的变换，经过测量 A/D 转换器 的数据后经过计算而获得。 设计考虑第 2 种方法的优点是，它首先选用把温度范围进行分段，即将测量温 度的范围分成段，从而查出被分各段的数学模型的各个系数，然后再计算出温度值， 这里，因为时间的原因，对整个温度的测量范围分成 3 部分，分别是 049、 5070、71100，采用分度表进行离线数学进行拟合，从而获得每个温度 段的系数。 最小二乘法进行线性拟合，得到如下数学模型为： T1=2.5771R-257.7707 0-49 T2=2.6367R-267.02 5070 T3=2.7205R-291.43 71120 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 19 - 以上的数学模型中，最大的理论误差值都低于 0.1，可以达到系统工作的精 度要求，事实上，有足够的时间的话，完全可以把测量的温度范围分得再细一点， 这样对整个系统的精度会变得更小，这样系统的理论误差将会变得更小。 3.2.2.3.2.2. 标度变换公式的获取标度变换公式的获取 根据上述线性拟合的结果：T=A*R-B，这里 A、B 是上述不同温度段的系数， 而 R 值是因为在输出为 0V 时，有对应 100 欧的偏置电路，根据 R-R0=U/I， I=5V/1.5K，而 AD/U/G=1024/4.00V，这里 AD 值为 A/D 转换得结果 G 为放大器增益。 将上述条件代入得： BIGADAT)/1024/5( 3.33.3 软件的流程图软件的流程图 3.3.13.3.1 主程序流程图及分析主程序流程图及分析 本设计采用 C 语言对其进行编程。主程序流程图是用于整个系统在程序的运行 过程及方式，控制整个喷油泵温度测量仪控制系统的运行以及对各个部分的子程序 进行总体的描述,从系统软件的角度介绍各个子程序之间的关系，组成，概述系统软 件的设计方法。 N Y 图图 3-13-1 主程序流程图主程序流程图 系统初始化程序 调用 PT100 温度采集子程序 调用 A/D 转换子程序 调用单片机数据处理子程序 调用数码管显示子程序 调用异常温度数据存储子程序 温度超标？ 结束 开始 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 20 - 系统开始后再经过初始化，比如进行堆栈指针的设置、寄存器组的放配，数据 指针的设置、定时器工作方式的设置，定时时间长短的设置、中断方式的设置等。 初始化工作完成后，PT100 温度传感器开始对喷油泵温度进行采集，将 PT100 温度 传感器采集的数据，先经过信号放大电路后经过 A/D 转换器，把模拟信号转换成数 字信号，传给单片机，选用适当的频率采集 AD 模数转换器的结果，通过对采集的 结果进行适当的最小二乘法，保证精度，将转换后的数据送到数码管显示，并判断 温度是否超程，若超程，则对异常温度值及产生时间进行记录储存。 3.3.23.3.2 子程序流程图及分析子程序流程图及分析 本系统子程序主要有：数码管的显示子程序、AD 转换子程序、按键切换子程 序，串行存储子程序。 图图 3-23-2 数码管显示流程图数码管显示流程图 图图 3-33-3 ADAD 转换流程图转换流程图 初始化 设置循环变量和保存指针 N Y 初始化寄存器 根据标志取温度值 送段选码和位选码 调用延时程序 移指针和修改位地址 3 位显示完成？ 返回 开始 开始 发送读取指令 延时时间到？ N Y 12 位读取完毕？ N Y 保存变量，移指针，次数减 1 10 次读取完毕？ Y N 对 10 次结果求取平均值 返回 北京联合大学北京联合大学 毕业设计 - 21 - 如图 3-2 所示，数码管的显示流程图，从系统开始，再进行初始化，之后进行温度 子程序的调用，然后调用显示子程序，最后再返回系统初始化进行循环。 如图 3-3 所示，A/D 转换流程图，由系统开始，然后进行初始化，在由 A/D 转换器 进