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毕业设计论文
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南京工业大学统冻结站温度与压力测量系设计,毕业设计论文
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南京工业大学继续教育学院 毕 业 设 计 题 目： 统冻结站温度与压力测量系 学生姓名 杜清泉 学 号 专 业 机电一体化（专科） 班 级 2007 级 指导教师 王化柱 校外站点 徐州分院 2008 年 11 月 nts摘 要 本设计就是基于 AVR 单片机设计的温度 与压力监测系统 。采用 DS1722 最多可以采集 8 路温度数 据。通过小键盘实现对不同路温度数据的切换显示。同时，也可利用小键盘实现温度 与压力 最大最小值的设定。对于超过此限的温度 与压力 数据将产生报警信号 单片机是电子测量领域常用的测量核心元件之一，也是电子工程人员最为熟悉的电子器件，主要用来计算和控制采集的信号，在科学研究，科学实验以及现场测量等许多领域被广泛应用。 关键词 ：冻结站 ;温度 ;压力 ;单片机 ;传感器 nts目 录 1 概述 4 1.1 研究目的及意义 4 1.2 国内外研究现状 1 2 冻结站工作原理 6 3 监测系统总体组成设计 5 3.1 系统硬件组成 5 3.1.1 控制元件单片机 8 3.1.2 传感器选择 7 3.1.3 温度测量元件 DS1772 9 3.1.4 压力测量元件 PT124 10 4 冻结站监测系统硬件设计 17 4.1 系统设计要求 17 4.2 系统设计方案 17 4.3 硬件电路设计 18 4.3.1 电源电路模块 19 4.3.2 键盘接口电路模块 20 4.3.3 模 -数转换电路 21 结论 24 参考文献 20 致谢 错误 !未定义书签。 nts 1 概述 1.1 研究目的及意义 在工业生产中，温度、压力都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。 设计 侧重介绍 “单片机温度控制系统 ”的软件设计及相关内容。 设计 的主要内容包括：采样、滤波、键盘、 LED 显示和报警系统，单片机 AVR 的开发以及系统应用软件开发等。作为控制系统中的一个典型设计，单片机温度 与压力测量系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合测试。 1.2 国内外研究现状 近十几年来，随着电子技术的飞速发展，为 测量 技术的进一步发展奠定了物质基础，使 测量 的各项技术指标得到了进一步提高，在科研方面的应用更是普遍；另一方面，在自动控制、智能仪器仪表、家用电器和数据采集系统等领域中，单片机的应用越来 越广泛，为此，根据科研任务的要求，提出了 “基与单片机的温度与压力测量 系统 ”这一论题， 国内外对这一课题的研究已经有了很好的成果。本课题是对原有的基础上进行的扩展与研究。 AVR 单片机以其功能强、体积小、使用方便、性能价格比高等优点 ,在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多方面得到了广泛的应用。 本设计采用 AVR 单片机作为控制核心，对多点温度进行采集。通过温度传感器 DS1722 将温度值转换为电量输出。由 DS1722 实现模拟信号的数字化。同时，外接可编程键盘显示器接口芯片 8279 通 过小键盘实现多点温度值的切换显示；nts可以利用小键盘设定温度的最大值和最小值，对于超过最大值或低于最小值的温度数据通过扬声器进行报警。 本论题通过 传感器测量 信号经过解调放大， A/D 转换，并利用单片机的串行口进行通信，将 传感器 采集到的数据传送到单片机 ，在单片机内部进行处理。简单而言，就是 传感器测量 信号的数据采集和发送。 由于在设计过程中应采用数量尽可能少，功能尽可能多的芯片，所以在设计和制作过程中，选用的是 AVR 单片机，片内具有 A/D 转换功能 。 最后，采用 VB 语言对 A/D 转 换和串行通信进行编程。也即实现了 数据的采集和通信。 nts 2 冻结站工作原理 冻结法施工技术，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结成冰形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕结构体来抵抗水土压力，以保证人工开挖工作顺利进行。作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有 100 多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有 40 多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达 435m，冻结表土层最大厚度达 375m。 经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特 点： （ 1）可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于 10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术； （ 2）冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达 5-10Mpa，能有效提高工效； （ 3） 冻结法施工对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构； （ 4） 冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。 通过对上述两种施工方法的比较可知，采用冻结法施工，冻土帷幕能满足受力要求，不需下沉庞大的钢护筒，也无需大吨位钻机，解决了起重设备能力不足的困难，降低了施工难度；而且能有效地隔绝了地下水，实现桩基干处施工，减小大直径桩浇注水下混凝土的风险；同时，能有效提高工效，比常规方法施工方法节约工程成本。因此，湖口大桥东塔桩基选择冻结法施工更为合理。结合东塔桩基构造及地质水文特点，进行了详细的施工技术设计，并经多次专家论证会论证，最终确定了冻结深度、冻结壁厚度、冻结方式、冻结孔布置、冻结需冷量计算、桩基嵌岩段钻爆法施工、低温混凝土施工等关键要素，这些都是在实施东塔桩基冻结施工时应重点控 制的工作内容。 确保低温条件下混凝土免受冻害是冻结法施工成败的关键，根据煤炭系统多年来冻结施工的经验，冻结壁在混凝土浇注后几个小时，由于受低温环境的影nts响，靠近孔壁的混凝土出现降温，随后由于混凝土水化热所产生的热量比低温环境吸去的热量多，孔壁混凝土开始出现升温，随着热交换的进行，混凝土的热量进一步散失而进入降温过程，直至 0以下。总之，混凝土在降至 0前有一定的正温养护期，获得一定强度后，在混凝土温度降至 0后，强度还会继续增长。根据实测资料证明，仅需将混凝土入模温度提高即可使混凝土免受冻害。 冻结制冷系 统的监测，主要包括盐水温度，压力，运转效率等几个方面，根据监测结果，随时调整指标，以满足冻结需要；测温孔测温记录必须坚持每天两次，以及时掌握冻结埔的发展情况；桩孔开挖后，及时监测冻结壁的变形情况，要求冻结壁的变形量不大于 5mm,如出现意外情况，必须及时施加临时支护井圈背板； 桩基混凝土浇注后，利用浇注混凝土前在桩内埋设的温度传感器，监测混凝土的养护温度，并及时绘制温度变化曲线，着重监测孔壁和桩底等位置；在承台施工前，对桩基混凝土进行钻芯取样，根据钻芯取样结果最终判定冻结法施工桩基混凝土的质量。 nts 3 监测系统总体组成设计 3.1 系统硬件组成 本系统由单片机、压力传感器、温度传感器、 LED 显示电路、报警电路、电源电路、采集电路、 A/D 转换电路组成。 本测量 系统是利用单片机作为系统的主控制器，测量电路中的温度反馈信号经 A/D 变换后，送入单片机中进行处理，经过一定的算法后，单片机的输出 显示温度与压力值 ， 显示装置采用 LED 显示 ，从而实现对温度 和压力 的 测量 。 系统总体电路图如 3-1 所示 图 3-1 系统电路原理图 3.1.1 控制元件单片机 1. 单片机简介 单 片机是一种集 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机nts广泛用于现代工业控制中。自从 1976 年 Intel 公司推出第一批单片机以来， 80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从 4 位、 8 位单片机发展到 16 位、 32 位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛：第一是家用电器业，例 如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和 BP 机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。 单片机将微处理器、存储器、定时 /计数器、 I/O 接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与传感与测量技术、信号与 系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。 2. 单片机的特点 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著 的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发如下特点： （ 1）有优异的性能价格比。 （ 2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 （ 3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极nts丰富的转移指令、 I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 （ 4）低 功耗、低电压，便于生产便携式产品。 （ 5）外部总线增加了 I C（ Inter-Integrated Circuit）及 SPI（ Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 （ 6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 3. AVR 单片机的特点及优势 AVR 单片机是 ATMEL 公司推出的具有众多成员的单片机家族，主要包括 AT AT90 和 AME9A 三个系列，其硬件结构从相对简单到复杂，功能增强，而指令系统向上兼容。 与一般 8 位机相比， AVR 单片机的显著特点为高性能、高速度和低功耗。它是最先取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业，并首先采用寄存器文件和精简指令集的 8 位单片机。它具有高质量的 FLASH 程序存储器和 EEPROM 数据存储器、功能多样化的定时器 /计数器、可靠的监视定时器、多渠道的复位电路以及多种选择的休眠方式等方面优势，使其功能、可靠性、速度、节电和价位等综合性指标在 8 位机中名列前茅，是 8 位嵌入式系统应用的首选机种。 AVR 单片机指令以字为单位，指令内容丰富，且大部分指令都为单周期指令；而单周 期即可执行本指令功能，并完成读取下一指令的操作。AVR 单片机采用 12 M晶 振 时，执 行 速 度 可 达 12 兆 条 单 周 期 指 令 每 秒 （ 12M IPS），是一般 MCS 51 单片机的 12 倍。若考虑到消除瓶颈现象等因素（算术运算、逻辑运算和移位操作都在寄存器文件中完成，寄存器文件之间、寄存器文件与 I/O 寄存器或与片内、外 SRAM 之间都可直接传送数据等），执行模块功能的总体速度还可在此基础上再翻一番。例如，其 16 位 16位乘法子程序的速度为 MCS 51 单片机的 23 倍即是明证。 AVR 单片机的 FLASH 程序存储器可擦 /写 1000 次，对于需要频繁修改软件设计的开发项目也足够使用。 EEPROM 数据存储器可擦 /写 10 万次，可妥善保存仪器仪表的关键性数据。 综上所述， AVR 单片机博采众长，又具独特技术，不愧为 8 位机中的佼佼者。 AVR 单片机技术体现了单片机集多种器件 （包 括 看 门狗、 FLASH 程nts序存储器、 EEPROM、同 /异步串行口、模数转换器、定时器 /计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出 等多样 化功能的定 时器 /计数器、具替换功能的 I/O 端口）于一身，从“片自为战”向片上系统过渡的发展方向。一般单片机应用中的接口技术以及软、硬件抗干扰设计技术，在 AVR 单片机应用设计中不再占据举足轻重的地位。 3.1.2 传感器选择 常用的温度检测元件主要有热电偶、热电阻、热敏电阻等。热电偶主要是利用两种不同金属的热电效应，产生接触电势随温度变化而变化，从而达到测温的目的。测量准确，价格适中测温范围宽，线性度较好。但其输出电压受冷端温度影响，需要进行冷端温度补偿，使电路变得复杂，在本题中并非最佳方案。 热敏电阻由金属氧化物或半导体材料制成，灵敏度高、热惰性小、寿命长、价格便宜。但其测量的稳定性和复现性差，测量精度无法满足本题发挥部分 0.2的要求。而且线性度差，需要进行查表线性拟合，大大浪费控制器的资源，因此不能选用。 热电阻是利用金属的电阻率随温度变化而变化的特性，将温度量转化成电阻量。其优点是准确度高，稳定性高，性能可靠，热惯性小、复现性好，价格适中。但电阻值与温度是非线性关系， Pt100 热电阻，当 0 t850 时可用下式表示： 其中 A=3.9083 10-3 / ； B=-5.775 10-7 / ；由此可见，温度越高非线性误差越大，本题目要求温控范围是 40 90 ，温度较低。经计算当温度为 90时，非线性误差为 0.34%，运用最小二乘法适当的进行零点和增益的调整，还可使此误差降低一倍，而本题要求精度为， 0.2/90=0.22%，因此在本题中可以选用Pt100 热电阻，并可近似将其电阻值与温度看作线性关系。 压力传感器的原理简介 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 我们知道 ，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的nts效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所 谓的 “居里点 ”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、 pzt、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只 有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛 应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。 本设计采用了温度测量元件 DS1772 和 3.1.4 压力测量元件 PT124 3.1.3 温度测量元件 DS1772 nts DS1772 是美国 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器 ,从 DS1772读出或写入的信息仅需要一根口线。在单总线工作方式下 ,允许一条信号线上挂接多个 DS1772,特别适合于构成远距离多点温度测控系统 ,从而大大简化了系统布线 ,提高了可靠性 ,降低了成本 ,而实现这些的关键在于每片 DS1772 都有唯一的 ROM代码 (64 位产品序列号 ) 。在多点温度测控系统中 , ROM 代码是识别和操作DS1722 的基础 ; 无论读取还是选择对某一个传感器进行操作 ,主机必须发送 64位 ROM 代码。 BASCOM2AVR 是 MSC Electronics 公司推出的基于 AVR 系统的软件开发仿真平台。程序语句和 Micrsoft VB /QB 高度兼容 ; 为标准 LCD 显示器、 I2C 芯片和单总线协议芯片等扩充了专用语句 ;内置模拟终端和程序下载功能 ;内置软件仿真平台用于测试 ;编译产生的运行代码可在所有带内部存储器的 AVR微控制器中运行。 本系统采用温度传感器 DS1772，测温范围为 -55 120，精度为 3 ；使用 MC14433 作为本系统的 A/D 器件采集温度；使用 AVR 单片机 AT90S8535作为本系统的主控制器；使用四位数码管显示当前温度值。系统总体框图如图 3-2 。根据以上技术要求，本系统为典型的数 据采集控制系统。 图 3-2 3.1.4 压力测量元件 PT124 压力传感器 工作 原理简介 ： 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 温度与压力采集电路 A/D 转换 AVR 单片机 4 位 LED 显示 2K EPROM 系统复位电路 nts 我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。 科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的 “居里点 ”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能 够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、 pzt、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体 积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传 感器的应用就非常广泛。 除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，nts在不同的场合能够发挥它们独特的用途。 压力传感器 PT124 特性： （ 1）刚性杆或软管隔离结构 （ 2）零点满度可调节 （ 3）内部 80%自校准 （ 4）良好的稳定性和抗干扰能力 （ 5）简易法兰安装 图 3-3 压力传感器 PT124 概述（图 3-3 所示） PT124 系列压力传感器，安装简单，具有良好的产品性能，是专为易燃易爆等危险场所压力测量而设计 的压力传感器，适应于橡塑，化纤，蒸汽，石油化工等行业的高温流体介质的压力测量与控制。 量程： 035bar200bar(可选择 ) 输出： 1.5mV/V, 2mV/V, 2.5 mV/V, 3.33 mV/V 供电电压： 10VDC 综合精度： 0.5%FSO 重复性： 0.2%FSO 过载压力： 2 FSO 内部自校准： 80%FSO 1% 最高耐温： 900（ 480） nts绝缘电阻： 1000Megohms50Vdc 温度零点漂移： 0.1%FS/ 电气连接： 6 芯或 8 芯插件 过程连接：法兰连接 nts 4 冻结站监测系统硬件设计 4.1 系统设计要求 设计的温度 与压力测量 系统 预期指标 ： （ 1） 测温范围： -50 100 （ 2） 测温分辨力： =3 （ 3） 测 压分辨力 ： 3MP （ 4） 测温准确度： 3 （ 5）压力准确度： 5MP （ 6） 测温 与测压 点数：可以扩展到 8 点 （ 7） 温度 与压力 显示：采用 8 个 7 段段数码管 （ 8） 温限 与压限 可进行灵活设定 （ 9） 超限报警 4.2 系统设计方案 本设计用温度传感器将被测温度转换为电量，经过放大滤波电路处理后 ，由模数转换器将模拟量转换为数字量，再与单片机相连，通过可编程键盘显示接口芯片实现温度限值的设定。最后通过小键盘控制数码管显示所需要的某路温度值。总体设计框图如图 4.1 所示 ： 图 4.1 测量过程说明如下： 测量数据采集 报警指示 AVR 单 片 机 数据显示 nts（ 1） 被测量经过温度传感器转换为电量，再放大后送给 A/D 转换器。 （ 2） 电量经过 A/D 转换为二进制数值，送给 AT90S8535 单片机， AT90S8535单片机根据设计目的完成相应的软件处理。 （ 3） 处理完毕后，送键盘显 示处理芯片，然后再由数码管显示。 （ 4） 如果温度超过所设温度限值，转报警处理程序。 （ 5） 由小键盘控制所需显示 本设计采用单片机 AT90S85351 作为控制核心，对温度与压力进行测量。通过集成温度传感器 DS1772 和压力传感器将温度值转换为电量输出。由 ADC0809实现模拟信号的数字化。同时，外接可编程键盘显示器接口芯片 8279 通过小键盘实现多点温度值的切换显示；可以利用小键盘设定温度的最大值和最小值，对于超过最大值或低于最小值的温度数据通过扬声器进行报警。 4.3 硬件电路设计 nts图 4.3 本设计用 温度传感器和压力传感器将被测温度与压力转换为电量，经过放大滤波电路处理后，由模数转换器将模拟量转换为数字量，再与单片机相连，通过可编程键盘显示接口芯片实现温度限值的设定。最后通过小键盘控制数码管显示所需要的某路温度与压力值。 总体设计框图如图 4.3 所示。 1.被测量经过温度和压力传感器转换为电量，再放大后送给 A/D 转换器。 2.电量经过 A/D 转换为二进制数值，送给 AT90S8535 单片机， AT90S8535 单片机根据设计目的完成相应的软件处理。 3.处理完毕后，送键盘显示处理芯片，然后再由数码管显示。 4.如果温度与压力超过所设温度与压力限值，转报警处理程序。 5.由小键盘控制所需显示路数的温度与压力 。 4.3.1 电源 电路模块 图 4.4 一般说来，开关电源集成器件分为两种类型，即需要外接功率开关 (多为功率型 MOSFET)的 “开关电源控制器 ”以及片内自带集成功率开关的 “单片开关电源 ”。前者成本稍低，并且易于获得较低的功率开关导通电阻而有利于提高电源变换效率；后者则以体积小巧见长，并且能对功率开关实现完善的过热、过流保护。此外，两类器件又均各有 “常规型 ”(亦称 “异步型 ”或 “非同步型 ”)与 “同步型 ”之分；后者采用受控 MOSFET 取代前者的续流二极管，虽然成本较高，但因ntsMOSFET 的导通压降通常明显低于二极管的正向压降，由此至少可将开关电源的变换效率提高几个百分点，所以两者各有优劣而同时并存至今 根据目前通行的电源规范，电源口可以 5V 5%的电压为外部设备供电，但其输出功率不能超过 2.25W，所以功耗较大的外设仍须自行配备电源而不在本文讨论范围之内。另外，对外设电源电路的某些相关参数亦有具体规定，例如，为了防止外设接入电源接口时的浪涌电流造成主机电源的 “毛刺 ”，外设在接通瞬间从主机抽取的电量不 得超过 50mC，其电源输入端的旁路电容器容量应在 10mF以下。又如，外设电源刚接通时，主机将外设一律作为低功耗装置看待，此时USB 口的输出电流上限仅为 100mA；须待外设向主机发出请求并经主机确认外设为高功耗装置之后，输出电流上限才会提升至其最大值 500mA。再如，电源规范允许外设处于 “待机 ”状态并支持 “远程唤醒 ”功能，不过此时外设的静态电流必须小于 0.5mA(低功耗装置 )或 2.5mA(高功耗装置 )。 对于一些需要 12V 电源的设备，电路形式的选择余地不大，以往几乎全部采用升压型开关稳压器，效率常在 85以上 ；倘若必须解决这类电路无法实现输出短路保护功能的难题，则可考虑下述之 SEPIC(单端初级电感变换器 )电路，但是成本将会因此明显上升。当然，在这两类电路中，同样有着上述之外接或在片功率开关以及异步或同步整流的区别。 4.3.2 键盘接口电路模块 在单片机应用系统中，存在多种形式的外部数据输入接口界面，例如RS-232C 串行通信、键盘输入等 1,4。其中利用键盘接口输入数据，是实现现象实时调试、数据调整和控制最常用的方法。单片机的外围键盘扩展电路有多种实现方式，例如直接利用 I/O 接口线或外接 8255A 接口芯片， 配合适当的接口管理程序，就可以实现外围键盘扩展功能。但是，在这些方法中，键盘扩展电路需要占用单片机的资源对按键进行监控和处理，这对要求高实时性处理的单片机系统是不实现的。为了解决这一问题，可以使用专用键盘接口芯片（例如 Intel8279）2来组建键盘子系统。而且，这类专用键盘接口芯片在使用灵活性方面尚有欠缺，尤其当用户需要实现某些特定功能时，其缺点更为明显。针对上述问题，本文提出一种利用复杂可编程逻辑器件（ Complex Programmable Logic Device，CPLD）设计技术 3实现专 用键盘接口芯片的方案。 nts图 4.5 是单片机系统中键盘子系统的构成原理框图。其中键盘接口芯片KB-CORE 是该子系统的核心部分，它应具备如下功能：第一，产生按键扫描时序，并进行硬件去抖动。如果直按键按下，实现按键编码、中断处理等功能。第二，可以区分处理数字键和功能键。数字键钭由接口芯片暂存，而当功能键被按下时申请 CPU 中断处理；对多个按键同时按下，按一定的编码优先级处理。第三，提供与 MCS-51 系列单片机兼容的接口，单片机可以读取芯片中保存的数据或功能代码。 图 4.5 4.3.3 模 -数转换电路 图 4.5 4.3.3 模 -数转换电路 在计算机控制系统及各类用单片机（或微处理器）构成的智能仪器仪表中外nts部的各种模拟信号必须通过 A/D 转换器变换为数字信号后才能送入计算机。与 8位和 16 位的 A/D 转换器相比， 12 位 A/D 转换器以其较高的性能价格比而在仪器仪表中得到广泛的应用。 ADS7804 芯片采用 28 脚 0.3 英寸 PDIP（塑料双列直插式）封装，两列管脚间距为 0.3 英寸，比一般 DIP28 封装窄一倍，所以俗称瘦型 DIP； ADS7804 采用单 5V 电源供电；芯片内部含有采样保持、电压基准和时钟等电路，可极大简化用户的电路设计和硬件开锁，并可提高系统的稳定性。ADS7804 采用 CMOS 工艺制造，转换速度快、功耗低（最大功耗为 100mW）。该 A/D 转换器采用逐次逼近式工作原理，单通道输入，模拟输入电压的范围为 10V，采样速率为 100kHz。 引脚及功能 ADS7804 共有 28 个引脚。这些引脚大体上可以划分为 3 类。 a.电源类 数字电源 VDIG 和模拟电源 VANA 通常一起接到 5V 电源上。数字地 DGND和模拟地 AGND1、 AGND2 通常共地。 REF 为参考电压端，通常对地接 2.2 F钽电容，芯片内部可产 生 2.5V 基准电压。 CAP 为参考电压所需电容，对地接 2.2 F 钽电容。 b.模数信号类 VIN 为输入的模拟信号。 D11 D0 为数字量并行输出口， DZ（ 19 22 脚）是为了使管脚与 16 位 A/D 转换器 ADS7805 兼容而设的，可悬空。 c.控制信号类 CS（输入）为片选信号， R/C（输入）为读取结果 /模数转换控制信号， BUSY（输出）用于指示转换是否完成， BYTE（输入）信号用来控制从总线读出的数据是转换结果的高字节还是低字节。 启动 A/D 转换和读取转换结果： ADS7804 启动转换和读取转换结果的时序比较特点 ，参见图 2。首先将 R/C脚电平变低；然后在 CS 脚输入一个脉冲并在其下降沿启动 A/D 转换，此脉冲的宽度要求在 40ns 6 s 之间；这时 BUSY 脚电平拉低表示正在进行转换；在经过大约 8 s 以后，转换完成， BUSY 脚电平相应变高；再把 R/C 脚电平拉高，这样， CS 脚脉冲的下降沿即把转换结果输出到数据总线上。因为转换结果为 12nts位，所以对 8 位单片机而言，必须分两次读入，这个功能由 BYTE 脚实现。当BYTE 脚为高电平时，数据总线上输出高字节，反之，输出低字节。 ADS7804转换得到的数字结果是以补码形式给出的，现给出几组 有特定含义的值，表 1所列即为 ADS7804 的模拟电压与其补码形式的数字输出关系， -10V 9.99512V为量程， 4.88mV 为电压分辨率。 nts 结 论 经过了长时间的学习和工作，我终于完成了 冻结站温度与压力显示系统的设计。从课题选择、方案论证到具体设计，每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战，也成就了我在大学期间独立完成的最大的项目。记得在刚接到这个课题时，由于对单片机以及相关知识不是很了解，我都有些茫然不知所措。于是我给自己提出了第一个问 题：设计这样的系统需要什么具体的专业知识？带着这个疑问我开始了独立地学习和实验：去图书馆查阅相关资料、上网去了解测量系统的最新动向，渐渐头脑中的概念清晰了起来。 在具体设计的过程中，我遇到了更大的困难。我不断地给自己提出新的问题，然后去论证、推翻，再接着提出新的问题。在这个循环往复的过程中，我这篇稚嫩的设计日臻完善。每一次改进我都收获良多，每一次修改后的成功我都能兴奋好长一段时间。虽然我的设计作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我实实在在地走过了一 个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程，更重要的是这个设计中我加入了自己鲜活的思想。 在做这次毕业设计过程中使我学到了很多，我感到不论做什么事都要真真正正用心去做，才会使自己更加的成长，没有学习就不可能有实践的能力，没有自己的实践就不会有所突破，希望这次的经历能让我们在以后的学习生活中不断成长与进步 nts 参考文献 1、 康华光主编，电子技术基础，高等教育出版社， 1982 年 2、童诗白主编，模拟电子技术基础，高等教育出版社， 1980 年 3、郑应光编，单片机原理及应用，东南大学出版社 ， 2000 年 4、耿德根， AVR 高速嵌入式单片机原理与应用 ,北京航空航天大学出版社， 2001. 5、 DS1722 数据手册 6、张福学 .传感器应用及其电路精选 M.北京 :电子工业出版社， 1992 7、高海生杨文焕主编 .单片机及应用技术大全 M.成都：西南交通大学出版社，1996 8、王福瑞 .单片微机测控设计大全 M.北京：北京航空航天大学出版社， 1999 9、胡汉才 . 单片机原理及其接口技术 M. 北京：清华大学出版社， 1996 10、黄智伟无线数字温度传感器的设计传感器技术， 2002 11、 AVR 单片机入门及 C 语言高效设计实践（六） 全文快照 周兴华 电子世界 -2007 年 3 期 12、 A
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