基于热电偶的温度测试仪设计.doc

清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 基于热电偶的温度测试仪设计基于热电偶的温度测试仪设计 摘摘 要要 基于热电偶的温度测试仪 该仪器是以 AT89C51 单片机为核心 由 AD590 集成温度传感器测量冷端温度 T0 由热电偶测量热端温度 T 该热电偶采 用 K 型热电偶 镍铬 镍硅热电偶 它们分别经过 I V 转换和线性放大 分时进 行 A D 转换 转换后的数字信号送入 AT89C51 单片机 经单片机运算处理 转换 成 ROM 地址 再通过二次查表法计算出实际温度值 此值送 4 位共阴极 LED 数码 管显示 该热电偶测温仪的软件用 C 语言编写 采用模块化结构设计 关键词 关键词 热电偶 冷端温度补偿 89C51 单片机 ADC0809 线性化标度变换 Abstract Thermocouple based temperature testing instrument the instrument is based on AT89C51 microcontroller as the core from AD590 integrated temperature sensor measures the cold junction temperature T0 measured by the thermocouple hot side temperature T the use of K Thermocouple Thermocouple Ni Cr Ni Si thermocouple They are through the I V conversion and linear amplification time for A D conversion the converted digital signal into the AT89C51 microcontroller microcontroller operation after processing into ROM address and then through the second look up table method to calculate the actual temperature value this value is sent to four common cathode LED digital tube display The thermocouple thermometer software with C language using a modular structure design Keywords Thermocouple cold junction temperature compensation 89C51 microcontroller ADC0809 linear scale transformation 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 I 页 目目 录录 1 前言前言 1 2 2 整体方案设计整体方案设计 2 2 1 方案论证 2 2 2 方案比较 3 3 3 单元模块设计单元模块设计 4 3 1 冷端采集和补偿电路模块 4 3 1 1 AD590 介绍 4 3 1 2 冷端采集和补偿电路分析 6 3 2 热端放大电路模块 6 3 3 A D 转换器 ADC0809 7 3 4 单片机模块 9 3 5 LED 显示模块 12 4 4 软件设计软件设计 13 4 1 主程序 13 4 2 A D 转换子程序 13 4 3 线性化标度变换子程序 15 5 5 系统调试系统调试 18 5 1 调试软件介绍 18 5 1 1 ISIS 简介 18 5 1 2 Keil C51 简介 18 5 2 硬件调试 19 5 3 软件调试 19 5 4 硬件软件联调 20 6 6 系统技术指标及精度和误差分析系统技术指标及精度和误差分析 21 7 7 设计小结设计小结 22 8 8 总结与体会总结与体会 23 9 9 参考文献参考文献 24 附录附录 1 1 电路总图 电路总图 25 附录附录 2 2 软件代码 软件代码 26 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 1 页 1 前言前言 温度是表征物体冷热程度的物理量 温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种 特性来间接测量的 不少材料 元件的特性都随温度的变化而变化 所以能作温度传感 器的材料相当多 例如 利用水银温度计 有机液体温度计 双金属温度计 液体压力 温度计 铂电阻温度计 热敏电阻温度计 热电偶温度计 光学高温计 红外温度计 辐射温度计 比色温度计等等都可实现对温度的测量 进入 21 世纪后 智能温度传感器 正朝着高精度 多功能 总线标准化 高可靠性及安全性 开发虚拟传感器和网络传感 器 研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展 热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器 在工业用温度传感器 中占有及其重要的地位 它结构简单 制造方便 测温范围宽 低至负 180 高至 1800 热惯性小 准确度高 输出信号便于远传 本文介绍一个基于热电偶的温度 测试系统 本设计是以 AT89C51 单片机为核心 由 AD590 集成温度传感器测量冷端温度 T0 由热电偶测量热端温度 T 该热电偶采用 K 型热电偶 镍铬 镍硅热电偶 使用 12V 和 5V 电源 采用 4 位共阴极 LED 显示 该热电偶测温仪的软件用 C 语言编写 采用模块化结构设计 考虑到实际中有时需要对测温的上下限值进行修改 或者是在测 温之初检验该设备是否能够正常显示或运行 故在设计中可以根据需要加入键盘 在工 业测量中 被测对象所处环境往往十分恶劣 常存在电场 磁场 噪声等干扰 使采样 值偏离真实值 所以 在软件设计中 还需要一组滤波程序 对多次采样信号构成的数 据系列进行平滑加工 以提高其有用信号在采样值中所占比例 减少乃至消除各种干扰 及噪音 以保证系统工作的可靠性 本设计采用分段直线拟合方法 既节省大量存储器 又有很高的测量精度 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 2 页 2 2 整体方案设计整体方案设计 本设计的整体思路是 用热电偶测量热端的温度 T 并进行 I V 转换和线性放大 由另一个设备测量冷端温度 T0并进行温度补偿 再进行 I V 转换和线性放大 然后把从 热端和冷端得到的信号分时进行 A D 转换 再送到单片机进行运算处理 从而得到热电 偶测到的实际温度值 最终在 LED 数码管上显示 2 12 1 方案论证方案论证 设计中采用了两个方案 具体的方案见方案一和方案二 方案一 集成热电偶信号转换器 MAX667 方案 MAXIM 公司新开发出一种 K 型热电偶信号转换器 IC MAX6675 该转换器集信号放大 冷端补偿 A D 转换于一体 直接输出温度的数字信号 使温度测量的前端电路变得十 分简单 该方案所用到的元器件很少 只有几个器件 所以设计方案简单 成本较低 方案只有四个部分 即热电偶部分 MAX6675 芯片部分 单片机部分和 LED 显示部分 从左至右清楚明了 具体方案框图见图 2 1 热电偶MAX6675 单片机 LED 数码显示 图 2 1 测温整体方案一框图 方案二 热电偶冷热端分测方案 见图 2 2 本方案由 AD590 集成温度传感器测量冷端温度 T0 由热电偶测量热端温度 T 它们分别经过 I V 转换和线性放大 分时进行 A D 转换 转换后的数字信号送入 AT89C51 单片机 经单片机运算处理 转换成 ROM 地址 在通过二次查表法计算出实际 温度值 此值送 4 位共阴极 LED 数码管显示 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 3 页 AD590冷端补偿电路模块 单片机模块 热电偶转换和放大电路模块 分 时 模 数 转 换 LED 显示模块 热端 冷端 图 2 2 测温整体方案二框图 2 22 2 方案比较方案比较 由于方案一涉及的电路比较简单 但该方案采用的芯片集信号放大 冷端补偿 A D 转换于一体 这使得该信号的放大 冷端补偿 和数模转换的可调性很差 无法适 应各种各样不同的复杂的温度测量环境 难以进行温度温差的调节 而方案二采用模块 化设计把各个模块分离开 使得设计的测温系统适应性很强 可以随时改变各个模块的 一些硬件的参数和各个结构而适应不同的复杂测温环境 并且测量的精度也高于方案一 因此设计采用了方案二 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 4 页 3 3 单元模块设计单元模块设计 为使该模块化热电偶测温系统具有更加方便和灵活性 我们对系统的硬件做了精心 设计 硬件电路包括冷端采集和补偿电路模块 热端放大电路模块 单片机模块 A D 转换模块 LED 显示模块等 3 13 1 冷端采集和补偿电路模块冷端采集和补偿电路模块 冷端采集和补偿电路运用 AD590 温度传感器采集冷端温度 并连接补偿电路进行温 度补偿 如图 3 1 D1 6V 5 4 2 312 U2BA LF353 W1 50K R51 1 2K R49 10K R50 10K R48 10K R49 10K 5 4 2 312 U1BA LF353 R47 100K R44 100K 12 5 5 5 5 12 V0 AD590 图 3 1 冷端采集和补偿电路 3 1 13 1 1 AD590AD590 介绍介绍 AD590 是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器 它兼有集成恒流 源和温度传感器的特点 具有测量温度误差小 动态阻抗高 响应速度快 传输距离远 体积小 微功耗等优点 适合远距离测温 控温 不需要线性校准的特点 1 流过器件的电流 A 等于器件所处环境的热力学温度 开尔文 度数 即 A K 3 1 1 T Ir 式中 流过器件 AD590 的电流 单位为 A 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 5 页 T 热力学温度 单位为 K 2 AD590 的测温范围为 55 150 3 AD590 的电源电压范围为 4V 30V 电源电压可在 4V 6V 范围变化 电流 变 化 1 A 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 710M 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 其性能特点 AD590 属于采用激光修正的精密集成温度传感器 其内部电路见图 3 1 所 示 芯片中的 R1 和 R2 是采用激光 修正的校准电阻 它能使 25 下的输出电流恰好微 298 2uA 首先有晶体管 VT8 和 VT11 产生与热力学温度成正比的电压信号 在通过 R5 R6 把电压信号转换微电流信号 为保证有良好的温度特性 R5 R6 的电阻温度系数应 非常小 这里采用激光修正的 SiCr 薄模电阻 其电阻温度系数低 VT10 的集电极电流 能够跟随 VT9 和 VT11 的集电极电流的变化 使总电流达到额定值 R5 和 R6 也需要在 25 的标准温度下校准 AD590 等效于一个高阻抗的恒流源 其输出阻抗 10M 能大大减小因电源电压波 动而产生的测量误差 例如 当电源电压从 5V 变化到 10V 时 所引起的电流最大变化量 仅为 1uA 等价于 1 的测温误差 AD590 的工作电压为 4 30V 测温范围是 55 150 对应于热力学温度 T 每变 化 1K 输出电流就变化 1uA 其输出电流 Io uA 与热力学温度 T K 严格成正比 电 流温度系数 K1 的表达式为 K1 8 3 2 qR K T I30 图 3 1 AD590 内部电路 因此 输出电流的微安数就代表着被测量温度的热力学温度值 热力学温标 K 与 摄氏温标 的换算关系如式 3 所示 T T K 273 15 外部存储器 电路 JTAG 接口 GPIO 接口 CAN 总线接口 电源电路 RS232 串口 RTL8019AS 以 太网接口电路 LPC2290 ARM7TDMI S I2C 总线 矩阵键盘电路 彩色液晶屏 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 6 页 3 3 3 1 23 1 2 冷端采集和补偿电路分析冷端采集和补偿电路分析 AD590 只需单电源工作 抗干扰能力强 要求的功率很低 输出电流值是以绝对温 度零度 273 为基准 每增加 1 它会增加 1 A 输出电流 因此在室温 25 时 其输出电流 Iout 273 25 298 A 接着补偿电路进行工作 1 AD590 的输出电流 I 273 T A T 为摄氏温度 因此测量的电压 V 为 273 T A 10K 2 73 T 100 V 为了将电压测量出来又务须使输出电流 I 不分流 出来 我们使用电压跟随器其输出电压 V2 等于输入电压 V 2 由于一般电源供应教多器件之后 电源是带杂波的 因此我们使用齐纳二极管作 为稳压元件 再利用可变电阻分压 其输出电压 V1 需调整至 2 73V 3 接下来我们使用差动放大器其输出 Vo 为 100K 10K V2 V1 T 10 如果现在为摄氏 28 输出电压为 2 8V 输出电压接 AD 转换器 那么 AD 转换 输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系 注意事项 注意事项 1 Vo 的值为 Io 乘上 10K 以室温 25 而言 输出值为 10K 298 A 2 98V 2 测量 Vo 时 不可分出任何电流 否则测量值会不准 3 23 2 热端放大电路模块热端放大电路模块 C4 0 1uF C3 220 6 74 2 3 U3A MC33078 W3A 10K R60 10K R59 10k R58 100K R57 100K 6 74 2 3 U2A MC33078 R52 100K R55 100K R53 100K R55 100K R54 100K R56 300K R54 100K W2A 100K 6 74 2 3 U1A MC33078 5 5 12 12 12 12 5 5 V1 INP INP 图 3 2 热端放大调理电路 热电偶的热端放大电路如图 3 2 所示 热电偶的热端接入到 INP 口 然后进行一系 列的调试放大 本系统应用 K 型热电偶 导热系数测定过程中通常温度范围小于 100 为保证测 量精度 热电偶线性化软件我们每隔 5 分一段 并且精确到小数点后两位 硬件调理 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 7 页 电路截取 K 型热电偶 100 的热电势 4 095mv 作为输入满量程 放大到 5V 提供给 AD 转 换器 要求调理电路放大倍数达 1200 多倍 为此我们选取高精度运算放大器 MC33078 构成两级运算放大器 每级放大倍数小于 40 倍 MC33078 除了具有普通运算放大器的 特点和应用范围外 还具有高增益 高共模抑制比 失调小和漂移低等特点 利用动态 校零技术消除了 CMOS 器件固有的失调和漂移 所以常被应用于热电偶 电阻应变电桥 电荷传感器等测量微弱信号的电路中 3 33 3 A DA D 转换器转换器 ADC0809ADC0809 ADC0809 是一种 8 路模拟输入逐次比较型 A D 转换器 由于价格适中 与单片机的 接口 软件操作均比较简单 目前在 8 位单片机系统中有着广泛的使用 片内由 8 路模 拟多路开关 地址锁存器与译码器 8 为 A D 转换器和三态输出锁存缓冲器组成 如图 3 3 是本设计中 ADC0809 的部分连接图 IN 0 26 msb2 1 21 2 2 20 IN 1 27 2 3 19 2 4 18 IN 2 28 2 5 8 2 6 15 IN 3 1 2 7 14 lsb2 8 17 IN 4 2 EOC 7 IN 5 3 ADD A 25 IN 6 4 ADD B 24 ADD C 23 IN 7 5 ALE 22 ref 16 ENABLE 9 START 6 ref 12 CLOCK 10 IC8 ADC0809 V0 V1 R1 2K 5 图 3 3 ADC0809 引脚图 引脚功能如下 引脚功能如下 1 2 8 2 1八根数据三态输出端 IN0 IN7为八根单片模拟量输入端 2 A1 A3 三根地址译码输入端 以选择 8 路模拟量输入通道中的一路 3 五根转换逻辑控制信号端 START START A D 转换启动信号输入端 可用来作片选信号端 EOCEOC 转换结束信号输入端 可用作中断申请信号 ALE ALE 地址所存允许输入端 用作多路开关的使能信号 O EO E 输出允许输入端 用来打开三态数据输出锁存器 以输出当前的 A D 转换 数 CLKCLK 时钟信号输入端 用它产生 ADC0809 的内部各种定时信号 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 8 页 ALE CBA 锁定 输入模拟量 START EOC OE DATADATA 4 四根供电输入端 ref 正参考电压输入端 ref 负参考电压输入端 VCC为供电电压输入端 一般 需要 5V GND 为接地端 ADC0809 芯片可以分时处理 8 路模拟量输入信号 使用模拟开关切换 在某一时刻 模拟开关只能与一路模拟量通道接通 对该通道进行 A D 转换 当地址所存信号 ALE 为高 电平时 A1 A3三条线上的数据送入 ADC0809 内部的地址锁存器中 经过译码器译码后选 中某一通道 当 ALE 0 时 地址锁存器处于锁存状态 模拟开关始终与刚才选中的输入通 道接通 选中通道的模拟量到达 A D 转换器时 A D 转换器并未对其进行 A D 转换 只有当转 换启动信号端 START 出现下降沿并延迟 Teoc 8c1 2uS 后 才启动芯片进行 A D 转换 START 的上升沿复位 ADC0809 转换过程是在时钟信号的协调下进行的 ADC0809 的时钟信号由 CLOCK 端送入 其最 高频率为 640MHz 在这个最高频率下 ADC0809 的 A D 转换时间为 100uS 左右 当 ADC0809 用于 AT89C51 单片机系统时 若 AT89C51 采用 6MHz 的晶振 则 ADC0809 的时钟信号可以由 AT89C51 的 ALE 经过一个二分频电路获取 这时 ADC0809 的时钟频率为 500KHz A D 转换 时间为 130uS A D 转换结束后 A D 转换的结果 8 位数字量 送到三态锁存输出缓冲器 此时 A D 转 换结果还没有现在 2 8 2 1八条数字量输出线上 单片机不能获取之 单片机要想读到 A D 转换结果 必须使 ADC0809 的允许输出控制端 OE 为高电平 打开三态输了锁存器 A D 转换结果出现在 2 8 2 1上 图 3 4 ADC0809 的读 写 启动以及 A D 转换时序图 图 3 4 中 EOC 为转换结束输出信号 在 A D 转换期间 EOC 维持高电平 当 A D 转换 结束时 EOC 变成高电平 ADC0809 的 START 端收到下降沿后 并不立即进行 A D 转换 EOC 1 而是延迟 10uS 后 才开始 A D 转换 EOC 变为低电平 3 43 4 单片机模块单片机模块 AT89C51 单片机 DIP 封装及引脚图如图 3 5 管脚说明参见表 3 1 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 9 页 性能指标和特点 性能指标和特点 AT89C51 单片机的主要性能指标和特点 1 与 MCS 51 兼容 2 全静态工作 0Hz 24Hz 3 三级程序存储器锁定 4 128 8 位内部 RAM 5 32 可编程 I O 线 6 两个 16 位定时器 计数器 7 5 个中断源 8 可编程串行通道 9 低功耗的闲置和掉电模式 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 7 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 Vcc 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 EA VPP 31 ALE PROG 30 PSEN 29 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P1 6 7 图 3 5 AT89C51 单片机 DIP 封装及管脚 表 3 1 管脚描述 名称名称管脚管脚类型类型功能功能 Vss20I 地地 Vcc40I 电源 电源 提供掉电空闲正常工作电压 P0 0 0 739 32I O P0P0 口 口 P0 口是开漏双向口 可以写为 1 使其状态为悬 浮用作高阻输入 P0 也可以在访问外部程序存储器时 作地址的低字节 在访问外部数据存储器时作数据总 线 此时通过内部强上拉输出 1 P1 0 1 71 8I O P1P1 口 口 P1 口是带内部上拉的双向 I O 口 向 P1 口写 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 10 页 入 1 时 P1 口被内部上拉为高电平 可用作输入口 当作为输入脚时 被外部拉低的 P1 口会因为内部上拉 而输出电流 P1 口第 2 功能 T2 P1 0 定时 计数器 2 的外部计数输入 时钟输出 T2EX P1 1 定时 计数器 2 重装载 捕捉 方向控制 P2 0 2 721 28I O P2P2 口 口 P2 口是带内部上拉的双向 I O 口 向 P2 口写 入 1 时 P2 口被内部上拉为高电平 可用作输入口 当作为输入脚时 被外部拉低的 P2 口会因为内部上拉 而输出电流 见 DC 电气特性 在访问外部程序存储器 和外部数据时分别作为地址高位字节和 16 位地址 MOVX DPTR 此时通过内部强上拉传送 1 当使用 8 位寻址方式 MOV Ri 访问外部数据存储器时 P2 口发 送 P2 特殊功能寄存器的内容 P3 0 3 710 17I O P3P3 口口 P3 口是带内部上拉的双向 I O 口 向 P3 口写 入 1 时 P3 口被内部上拉为高电平 可用作输入口 当作为输入脚时 被外部拉低的 P3 口会因为内部上拉 而输出电流 见 DC 电气特性 P3 口还具有以下特殊 功能 RxD p3 0 串行输入口 TxD P3 1 串行输出口 INT0 P3 2 外部中断 0 INT1 P3 3 外部中断 T0 P3 4 定时器 0 外部输入 T1 P3 5 定时器 1 外部输入 WR P3 6 外部数据存储器写信号 RD P3 7 外部数据存储器读信号 RST9I 复位 复位 当晶振在运行中 只要复位管脚出现 2 个机器 周期高电平即可复位 内部有扩散电阻连接到 Vss 仅需要外接一个电容到 Vcc 即可实现上电复位 PSEN29O 程序存储使能 程序存储使能 当执行外部程序存储器代码时 PSEN 每个机器周期被激活两次 在访问外部数据存储器时 PSEN 无效 访问内部程序存储器时 PSEN 无效 XTAL119I 晶体晶体 1 1 反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输 入 XTAL218O 晶体晶体 2 2 反相振荡放大器输出 EA Vpp31I 外部寻址使能外部寻址使能 编程电压 编程电压 在访问整个外部程序存储器 时 EA 必须外部置低 如果 EA 为高时 将执行内部 程序 除非程序计数器包含大于片内 FLASH 的地址 该引脚在对 FLASH 编程时接 5V 12V 编程电压 Vpp 如果保密位 1 已编程 EA 在复位时由内部锁存 ALE30O 地址锁存使能 地址锁存使能 在访问外部存储器时 输出脉冲锁存 地址的低字节 在正常情况下 ALE 输出信号恒定为 1 6 振荡频率 并可用作外部时钟或定时 注意每次 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 11 页 访问外部数据时一个 ALE 脉冲将被忽略 ALE 可以通 过置位 SFR 的 auxlilary 0 禁止 置位后 ALE 只能在 执行 MOVX 指令时被激活 A D 转换器输出的为 BCD 码 2 1 2 8 口不是总线式的 因此 单片机只能通过并 行 I O 接口或扩展 I O 口与其相接 还可以通过单片机的 P1 口直接与其连接 如图 3 6 所示 IN 0 26 msb2 1 21 2 2 20 IN 1 27 2 3 19 2 4 18 IN 2 28 2 5 8 2 6 15 IN 3 1 2 7 14 lsb2 8 17 IN 4 2 EOC 7 IN 5 3 ADD A 25 IN 6 4 ADD B 24 ADD C 23 IN 7 5 ALE 22 ref 16 ENABLE 9 START 6 ref 12 CLOCK 10 IC8 ADC0809 R5 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD P3 7 17 WR P3 6 16 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 IC1 89C51 Q0 12 Q1 9 Q2 8 Q3 11 MS1 6 MS2 7 MR1 2 MR2 3 CLK0 14 CLK1 1 IC9 74LS90 C2 0 1uF Y1 6Mhz R2R3R6R4R9R7R8 C1 0 1uF 5 8 2k V0 V1 R1 2K 5 图 3 6 A D 芯片与单片机连接图 EOC 是 A D 转换结束的输出标志信号 89C51 读取 A D 转换结果可以采用中断方式或 查询方式 采用中断方式 EOC 端与 89C51 外部输入端或相连 采用查询方INTO1INT 式是 EOC 端可直接接入 89C51 的任一 I O 口线 3 53 5 LEDLED 显示模块显示模块 在显示电路中采用 4 位共阴极 LED 静态显示 静态显示就是显示驱动电路具有输出 锁存功能 单片机将所要显示的数据送出后就不再管 直到下一次显示数据需要更新时 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 12 页 再传送一次新数据 显示数据稳定 占用很少的 CPU 时间 缺点是使用元件多 线路比 较复杂 共阴极 LED 数码管显示电路如图 3 7 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 1Y1 18 1Y2 16 1Y3 14 1Y4 12 2Y1 9 2Y2 7 2Y3 5 2Y4 3 1G 1 2G 19 IC2 74LS244 A 1 B 2 C 3 E1 4 E2 5 E3 6 Y0 15 Y1 14 Y2 13 Y3 12 Y4 11 Y5 10 Y6 9 Y7 7 IC3 74LS138 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 CLK 11 E 1 IC4 74LS377 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 CLK 11 E 1 IC5 74LS377 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 CLK 11 E 1 IC6 74LS377 a b c d e f g dp LED1 LED E1 E2 E3 E4 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 CLK 11 E 1 IC7 74LS377 E1 E3 E4 E2 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R28 R29 R30 R31 R32 R33 R34 R35 R36 R37 R38 R39 R40 R41 R42 a b c d e f g dp LED2 LED a b c d e f g dp LED3 LED a b c d e f g dp LED4 LED R43 2K R44 2K R45 2K R46 2K 32 2K 图 3 7 LED 显示电路 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 13 页 4 4 软件设计软件设计 该热电偶测温仪的软件用 C 语言编写 采用模块化结构设计 考虑到实际中有时需 要对测温的上下限值进行修改 或者是在测温之初检验该设备是否能够正常显示或运行 故在设计中可以根据需要加入键盘 4 14 1 主程序主程序 主程序设计当中 主程序开始 先进行初始化 接下来先后调用 A D 转换子程序 线性化标度变换子程序 最后通过 LED 显示所测得温度值 主程序流程图如图 4 1 图 4 1 主程序流程图 4 24 2 A DA D 转换子程序转换子程序 A D 转换子程序流程图如图 4 2 在该子程序中 首先对 ADC0809 的采样进行 A D 转 换 之后判断 A D 转换是否完成 如果没有完成 则返回 A D 转换 直到转换完成后 再进行数字滤波 待数字滤波后 将码值 NX送到单片机缓冲单元存储 等待下一步线性 化子程序调用该码值 开始 初始化 调线性化标度变换子程序 送程序运行监测信号 送数据进缓冲单元 用于显示 温度是否正常 结束 Y N 图图3 1 主主程程序序流流程程图图 调A D转换子程序 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 14 页 图 4 2 A D 转换子程序流程图 在工业测量中 被测对象所处环境往往十分恶劣 常存在电场 磁场 噪声等干扰 使采样值偏离真实值 所以 在软件设计中 还需要一组滤波程序 对多次采样信号构 成的数据系列进行平滑加工 以提高其有用信号在采样值中所占比例 减少乃至消除各 种干扰及噪音 以保证系统工作的可靠性 一般在温度测量系统中采用限幅法或者限速 法 限幅滤波是把两次相邻的采样值相减 求出增量 以绝对值表示 然后与两次采样 允许的最大差值 由被控对象的实际情况决定 Y 进行比较 若小于或等于 Y 则取 本次采样 若大于 Y 则仍取上次采样值作为本次采样值 而限速滤波法是一种折衷 的方法 它利用最多 3 次采样值比较 决定采样结果 其方法是 当 Y 2 Y 1 Y 时 不像限幅滤波那样 用 Y 1 作为本次采样值 而是再采样 一次 取得 Y 3 然后根据 Y 3 Y 2 与 Y 的大小关系来决定本次采样值 其具体判 别方式如下 设顺序采样时刻 t1 t2 t3 所采集的参数分别为 Y 1 Y 2 Y 3 那 么 当 Y 2 Y 1 Y 时 则取 Y 2 存入 RAM 当 Y 2 Y 1 Y 时 则不采用 Y 2 但仍保留 继续采样取得 Y 3 当 Y 3 Y 2 Y 时 则取 Y 3 存入 RAM 当 Y 3 Y 2 Y 时 则取 Y 2 Y 1 Y 3 Y 2 2 输入计算机 在本设计中采用限速滤波法 程序流程图如图 4 3 启动A D转换 读A D值DX A D完成 数字滤波 N Y 送码值NX至缓冲单元存储 图图3 2 A D转转换换子子程程序序流流程程图图 开始 返回 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 15 页 开始 返回 计算 Y 2 Y 1 计算 Y 3 Y 2 计算 Y Y 2 Y 1 Y 3 Y 2 2 计算 Y 2 Y 1 Y 计算 Y 2 Y 1 Y 取 Y 3 Y 2 2取Y 3 Y N Y N 图 4 3 限速滤波子程序流程图 4 34 3 线性化标度变换子程序线性化标度变换子程序 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 T f e 为简化起见 常常是分段表达式 然后用计算程 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得相对应的温度值 3 数据压缩法 即将分度表进行压缩处理 减少数据表字节数 通过软件的适当计 算得出所测温度 以上几种方法虽然都有其各自的优点 但它们所占的字节数 对把十几种分度好的 线性修正数据或公式放入有限的单片机内存中 都是很困难的 本设计采用分段直线拟合方法 既节省大量存储器 又有很高的测量精度 程序流 程图如图 4 4 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 16 页 图 4 4 线性化标度变换子程序流程图 基本原理是 预先根据分度值表计算出 A D 转换值所对应折点的温度值 T0 T1 TN 形成数据表 单片机进行修正时 根据测量值的大小 找到合适的修正直线 段两个端点温度值 通过简单直线方程计算出被测温度 光进行线性化还不够的 还需要进行标度变换 在该热电偶测温仪表中 需要将测 量的温度通过热电偶转换成 0 5V 的电压信号 再将对应的电压信号经 A D 转换 转换 成对应的 00 FFH 8 位 的数字量 DX 之后还需将 DX值滤波 滤波后的码值为 NX 最后 在现行化程序进行过程中 将转换成实际测量温度的显示码值 在这个信号转换过程 就是标度变换 线性化标度变换的前提是被测量参数值与 A D 转换结果为线性关系 线性标度变换 的公式为 4 1 该式是线性化标度变换的通用公式 式中 一次测量仪表的下限 0 A 0 0 0 0 A NN NN AAA M X MX NX N1 线性化公式1求值 NX N3 线性化公式n求值 线性化公式2求值NX N2 上限报警 返回 输出TX到缓冲单元 Y Y Y N N N 图图3 4 线线性性化化标标度度变变换换子子程程序序流流程程图图 读码值NX 开始 返回到主程序 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 17 页 一次测量仪表的上限 M A 实际测量值 工程量 X A 仪表下限所对应的数字量 0 N 仪表上限所对应的数字量 M N 测量值所对应的数字量 X N 其中 对于某固定的被测量来说是常数 不同的参数有着不同的值 为了 使程序设计简单 一般把一次测量仪表的下限所对应的 A D 转换值置为 0 这样式 4 1 也可以写成 4 2 当仪表下限值 0 此时 对应的 0 进一步将式 4 2 简化为 4 3 或者是 4 4 0 A 0 N M N X A 00 A N N AAA M X MX 0 A 0 N 0 A N N AA M X MX M M X X N AA AA N 0 0 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 18 页 5 5 系统调试系统调试 本系统的调试共分为三大部分 硬件调试 软件调试和软硬件联调 由于在系统设 计中采用模块设计法 所以方便对各电路模块功能进行逐级测试 冷端采集和补偿电路 模块 热端放大电路模块 单片机模块 A D 转换模块 LED 显示模块等 最后将各模 块组合后进行整体测试 5 15 1 调试软件介绍调试软件介绍 本设计调试主要用到两种软件 ISIS 和 Keil C51 5 1 15 1 1 ISISISIS 简介简介 Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统 可仿真各种 电路和 IC 并支持单片机 元件库齐全 使用方便 是不可多得的专业的单片机软件 仿真系统 该软件的特点 1 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准 并在同类产品中具有明显的 优势 2 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS 一 232 动态仿真 1 C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真的功能 有各 种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 3 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 支持大量的存储器和外围芯片 总之该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的 仿真软件 功能极其强大 可仿真 51 AVR PIC 电源电路的调试 5 5 1 1 2 2 K Ke ei il l C C5 51 1 简简介介 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开 发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 用过汇编语言后再使用C 来开发 体会更加深刻 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全Windows 界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体会到Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发 大型软件时更能体现高级语言的优势 5 5 2 2 硬硬件件调调试试 对各个模块的功能进行调试 主要调试各模块能否实现指定的功能 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 19 页 5 5 3 3 软软件件调调试试 用 Keil C 软件编写下位机的程序 将编好的程序进行调试 运用 Keil C 可以检查 语法错误 对设计好的硬件电路还可以运用 ISIS 仿真软件进行仿真调试 并可以运用 ISIS 和 Keil C 进行联合仿真调试 ISIS 与其它单片机仿真软件不同的是 它不仅能仿真单片机外围电路或没有单片机 参与的其它电路的工作情况 也能仿真单片机 CPU 的工作情况 因此在仿真和程序调试 时 是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果 从某种意义上讲 ISIS 仿 真 基本接近与工程应用 本次能在 ISIS 上进行调试的主要是 LED 显示模块 下面为 LED 点阵动态变化 0 9 调试程序 include include define uint unsigned int define uchar unsigned char uchar code tab 0 xfc 0 x60 0 xda 0 xf2 0 x66 0 xb6 0 xbe 0 xe0 0 xfe 0 xf6 0 x00 0 9 全灭 unsigned char send 4 void delay 50ms unsigned int t unsigned int j for t 0 t for j 6000 j 0 j void series void short i TI 0 for i 0 i 4 i SBUF send i while TI TI 0 main uchar h j m IE 0 x00 while 1 SCON 0 x00 for h 0 h 11 h 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 20 页 m h for j 0 j 4 j if m 10 m 0 send j tab m series delay 50ms 10 h 0 5 5 4 4 硬硬件件软软件件联联调调 将调试好的硬件和软件进行联调 主要调试系统的实现功能 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 21 页 6 6 系统技术指标及精度和误差分析系统技术指标及精度和误差分析 随着各种高精度传感器的应用与普及 这一技术在科学研究 生产过程等领域中发 挥着越来越重要的作用 人类步入信息社会的今天 人们对信息的提取 处理 传输以 及综合利用等要求愈加高 镍铬 镍硅热电偶 K 型热电偶 是目前用量最大的廉金属热电偶 其用量为其他热 电偶的总和 正极 KP 的名义化学成分为 Ni Cr 90 10 负极 KN 的名义化学成 分为 Ni Si 97 3 其使用温度为 200 1300 完全满足设计的要求 测温范围为 0 400 设计也能达到测温分辨率为 0 1 的要求 K 型热电偶具有线性度好 热 电动势较大 灵敏度高 稳定性和均匀性较好 抗氧化性能强 价格便宜等优点 能用 于氧化性惰性气氛中 广泛为用户所采用 K 型热电偶不能直接在高温下用于硫 还原 性或还原 氧化交替的气氛中和真空中 也不推荐用于弱氧化气氛中 K 型热电偶在 250 600 范围内使用时 由于其显微结构发生变化 形成短程有序 结构 因此将影响热电势值而产生误差 这就是所谓的 K 状态 这是 Ni Cr 合金特有的 晶格变化 当 WCr 在 5 30 范围内存在着原子晶格从有序至无序为 由些引起的误差 因 Cr 含量及温度的不同而变化 一般在 800 以上短时间热处理 其热电特性即可恢复 由于 K 状态的存在 使 K 型热电偶检定规程中明文规定检定顺序 由低温向高温逐点升 温检定 而且在 400 检定点 不仅传热效果不佳 难以达到热平衡 而且 又恰好处 于 K 状态误差最大范围 因此 对该点判定合格与否时应很慎重 Ni Cr 合金短程有序 结构变化现象 不仅存在于 K 型 而且 在 E 型热电偶正极中也有此现象 但是 作为 变化量 E 型热电偶仅为 K 型的 2 3 总之 K 状态与温度 时间有关 当温度分布或热电 偶位置变化时 其偏差也会发生很大变化 故难以对偏差大小作出准确评价 清华大学课程设计说明书清华大学课程设计说明书 第 22 页 7 7 设计小结设计小结 本次设计是基于热电偶的温度测试仪设计 该测温仪是以 AT89C51 单片机为核心 由 AD590 集成温度传感器测量冷端温度 T0 由热电偶测量热端温度 T 它们分别经过 I V 转换和线性放大 分时进行 A D 转换 转换后的数字信号送入 AT89C51 单片机 经单片机运算处理 转换成 ROM 地址 在通过以上介绍的二次查表法计算出实际温度 值 此值送 4 位共阴极 LED 数码管显示 另外还可以采用 X25045 作为看门狗芯片 在运算处理上 除了需要对采集到的信号进行 A D 转换外 还需要在 AT89C51 单片机 里对信号进行线性化标度变换 这一