毕业设计149基于单片机的数字温度表设计.pdf

图 1 某 型 温 度 表 原 理 框 图基 于 单 片 机 的 数 字 温 度 表 设 计刘 爱 元 , 姜 静 , 皮 之 军(海 军 航 空 工 程 学 院 控 制 工 程 系 , 山 东 烟 台 264001)摘 要 :在 介 绍 某 型 机 电 式 温 度 表 组 成 及 工 作 原 理 的 基 础 上 ,论 述 了 基 于 MCS - 51单 片 机 的 数 字 温度 表 的 设 计 方 法 ,给 出 了 硬 件 电 路 设 计 、 模 拟 电 源 与 放 大 器 电 路 设 计 及 软 件 设 计 ,用 AEDK51仿 真器 完 成 了 硬 软 件 调 试 。 该 设 计 克 服 了 机 电 式 温 度 表 摩 擦 、 温 度 变 化 等 因 素 引 起 的 指 示 误 差 大 的 弊端 ,提 高 了 温 度 表 的 指 示 精 度 。关 键 词 :温 度 表 ; 单 片 机 ; 硬 件 ; 软 件中 图 分 类 号 : TP274 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1671O654X (2007) 03O0074O03引 言某 型 飞 行 器 上 的 温 度 表 用 于 测 量 发 动 机 燃 烧 室 的温 度 ,该 温 度 值 过 高 会 烧 坏 发 动 机 ,过 低 则 说 明 燃 料 未得 到 充 分 燃 烧 而 导 致 发 动 机 推 力 减 少 。 以 前 的 温 度 表大 都 采 用 机 电 式 温 度 表 ,由 于 测 量 回 路 的 总 阻 值 R随 环 境 温 度 变 化 易 产 生 温 差 ,且 接 触 电 阻 的 增 大 、 摩擦 、 空 中 震 动 等 因 素 的 变 化 ,均 会 导 致 温 度 表 指 示 精 度降 低 。 为 了 提 高 温 度 表 工 作 的 可 靠 性 和 指 示 精 度 ,本文 结 合 某 型 温 度 表 的 工 作 原 理 ,从 硬 件 和 软 件 两 个 方面 设 计 了 一 种 基 于 MCS - 51单 片 机 的 数 字 温 度 表 。1 机 电 式 温 度 表该 型 温 度 表 由 传 感 器 和 指 示 器 两 部 分 构 成 ,其 工作 原 理 如 框 图 1所 示 。图 中 ,传 感 器 为 一 个 热 电 偶 ,用 来 测 量 发 动 机 燃 烧室 的 温 度 。 当 发 动 机 工 作 时 ,热 电 偶 的 热 端 感 受 燃 烧室 的 温 度 值 T,产 生 相 应 的 热 电 势 。 热 电 势 的 大 小为 1, 2 :E ( t, t0 ) = Ke t0ln N aNbdt (1)式 中 , N a , N b :表 示 热 电 偶 两 根 不 同 导 体 a、 b的 自由 电 子 密 度 ;e:单 位 电 荷 量 ,其 值 为 1. 602 10 - 19 C ;K:波 尔 兹 曼 常 数 ,其 值 为 1. 38 10 - 23 J K ;t, t0 :表 示 热 电 偶 热 端 和 冷 端 温 度 。由 (1)式 可 知 ,当 热 电 偶 材 料 一 定 、 冷 端 温 度 保 持不 变 时 ,热 电 势 大 小 取 决 于 热 端 温 度 ,即 :E ( t, t0 ) = K ( t - t0 ) = f ( t) - f ( t0 ) (2)式 中 K = Ke ln N aNb当 热 电 偶 冷 端 温 度 保 持 不 变 ,即 f ( t0 ) = C (常 数 )时 ,则 :E ( t, t0 ) = f ( t) - C = ( t) (3)由 (3)式 可 知 ,热 电 偶 产 生 的 热 电 势 的 大 小 与 热端 温 度 (即 发 动 机 燃 烧 室 的 温 度 )成 单 值 函 数 关 系 。温 度 越 高 ,产 生 的 热 电 势 越 大 ,温 度 一 定 时 ,热 电 势 的大 小 也 一 定 。指 示 器 是 一 个 灵 敏 毫 伏 表 。 热 电 偶 产 生 的 热 电 势加 到 指 示 器 线 框 两 端 后 ,线 框 中 便 有 电 流 通 过 ,该 电 流产 生 的 磁 场 与 永 久 磁 铁 产 生 的 磁 场 相 互 作 用 产 生 电 磁转 矩 M电 ,使 线 框 带 动 指 示 器 指 针 转 动 ,同 时 ,游 丝 也跟 随 转 动 而 产 生 反 转 力 矩 M反 ,当 反 转 力 矩 与 电 磁 力矩 达 到 平 衡 时 ,线 框 停 止 转 动 ,指 针 在 刻 度 盘 上 指 示 相应 的 温 度 值 。2 数 字 温 度 表 硬 件 电 路 设 计依 据 上 述 机 电 式 温 度 表 工 作 原 理 ,设 计 数 字 温 度表 由 模 拟 电 源 、 运 算 放 大 器 、 A D转 换 器 、 8031芯 片 、收 稿 日 期 : 2006O10O17 修 订 日 期 : 2007O05O19作 者 简 介 :刘 爱 元 (1960O) ,男 ,山 东 招 远 人 ,副 教 授 ,研 究 方 向 为 航 空 电 子 气 仪 表 与 飞 控 。第 37卷 第 3期 航 空 计 算 技 术 Vol. 37 No. 32007年 5月 Aeronautical Computing Technique May. 20078155可 编 程 I O接 口 、 EOROM2764和 LED显 示 器 等构 成 ,其 硬 件 电 路 如 框 图 2所 示 。图 2 数 字 温 度 表 硬 件 电 路 框 图图 2中 ,用 模 拟 电 源 模 拟 热 电 偶 产 生 的 1. 8mV45. 7mV可 调 电 压 信 号 。 考 虑 该 电 压 信 号 为 毫 伏 级 ,易 受 干 扰 ,影 响 系 统 精 度 ,因 此 设 计 中 将 模 拟 电 源 输 出的 毫 伏 级 电 压 信 号 进 行 放 大 。 放 大 后 的 电 压 信 号 加 到ADC0809的 模 拟 输 入 通 道 IN0进 行 A D 转 换 。 当ADC0809的 START端 为 高 电 平 时 , A D 开 始 转 换 ,在 时 钟 控 制 下 ,逐 位 逼 近 。 由 于 逐 次 逼 近 需 要 一 定 过程 ,在 此 期 间 模 拟 电 源 产 生 的 电 压 信 号 应 保 持 不 变 。ADC0809逐 次 比 较 ,直 到 转 换 结 束 ,此 时 , 8031发 出 一个 输 出 允 许 命 令 (OE端 呈 高 电 位 ) ,则 可 读 出 相 应 的数 据 。 设 计 中 将 ADC0809作 为 外 部 扩 展 并 行 I O口 ,采 用 线 选 法 寻 址 ;地 址 译 码 器 引 脚 A、 B、 C分 别 与地 址 总 线 的 低 三 位 A0、 A1、 A2 相 连 ,以 选 通 IN0 IN7中 的 一 个 通 道 ;将 P2. 5作 为 片 选 信 号 ,在 启 动 A D转 换 时 ,由 8031的 写 信 号 和 P2. 5控 制 ADC0809的 地 址锁 存 和 转 换 启 动 ,使 选 中 ADC0809的 IN0通 道 地 址 为DFF8H。 8031的 P0口 输 出 的 低 8位 直 接 与 8155的AD0 AD7 相 连 ,既 作 为 低 8位 地 址 总 线 ,又 作 为 数 据总 线 ,其 地 址 直 接 用 ALE在 8155中 锁 存 ;高 8位 地 址由 CE和 IO M的 地 址 控 制 线 决 定 。 设 计 中 将 8031的 P2. 7和 P2. 6分 别 与 8155的 CE和 IO M端 相 连 ,因此 8155 的 RAM 地 址 为 3F00H 3FFFH, 8155 的 命令 状 态 寄 存 器 、 PA 口 、 PB 口 、 PC口 的 地 址 分 别 为7F00H、 7F01H、 7F02H、 7F03H, 8155的 定 时 器 计 数器 高 、 低 字 节 寄 存 器 地 址 分 别 为 7F05H 和 7F04H。8031从 ADC0809读 取 的 相 应 电 压 信 号 通 过 扩 展 I O接 口 芯 片 8155实 现 3位 LED显 示 ,显 示 出 相 应 的 发动 机 燃 烧 室 温 度 。模 拟 电 源 与 运 算 放 大 器 的 电 路 如 图 3所 示 。图 中 R1、 R2、 R3、 R4 应 选 用 高 精 度 电 阻 ,运 算 放 大器 选 用 专 用 仪 表 放 大 器 INA118,取 RG = 505 ,则 放 大倍 数 为 100倍 。 实 验 证 明 采 用 该 电 路 可 精 密 地 放 大 微弱 电 压 信 号 ,可 以 满 足 系 统 的 精 度 设 计 要 求 。 采 用 该电 路 的 部 分 实 验 数 据 如 下 表 所 示 。图 3 模 拟 电 源 与 放 大 器 电 路模 拟 电 源 与 放 大 器 电 路 实 验 数 据 表温 度( )理 论 电 压(mV)实 测 电 压(mV)放 大 后 电 压(V)放 大 误 差( % )300 1. 8 1. 79 0. 176 1. 1600 21. 6 21. 59 2. 159 0900 45. 7 45. 70 4. 57 03 数 字 温 度 表 软 件 设 计数 字 温 度 表 软 件 设 计 采 用 了 顺 序 程 序 设 计 的 方法 。 本 设 计 中 ADC0809与 8031采 用 中 断 方 式 连 接 ,0809的 EOC端 与 8031的 INT1相 连 ,软 件 编 程 允 许8031响 应 外 部 中 断 1,并 将 其 设 置 为 高 中 断 优 先 级 ,且设 置 响 应 方 式 为 边 沿 触 发 。 整 个 系 统 软 件 包 括 主 程序 、 中 断 服 务 子 程 序 和 动 态 显 示 子 程 序 等 。 系 统 主 程序 和 中 断 服 务 程 序 框 图 如 图 4所 示 。图 4 主 程 序 与 中 断 服 务 程 序 框 图主 程 序 和 中 断 服 务 程 序 之 间 的 信 息 交 换 采 用 数 据572007年 5月 刘 爱 元 等 :基 于 单 片 机 的 数 字 温 度 表 设 计 缓 冲 器 和 软 件 标 志 (置 位 或 清 零 位 寻 址 区 的 某 一 位 )的 方 法 。 例 如 ,调 整 图 3中 的 模 拟 电 源 电 位 计 ,使 其 输出 一 个 响 应 温 度 的 电 压 信 号 ,经 放 大 器 放 大 后 送 至0809,此 时 ,主 程 序 初 始 化 以 后 置 位 8031的 中 断 控 制位 EA,使 CPU开 放 中 断 ,然 后 启 动 0809对 IN0通 道的 模 拟 输 入 量 进 行 A /D转 换 。 转 换 完 毕 后 , 0809向8031的 IN1送 入 一 个 信 号 , 8031接 到 该 信 号 响 应 中断 ,调 用 中 断 服 务 程 序 ,先 压 栈 保 护 现 场 ,读 取 来 自0809输 出 的 8位 数 字 量 ,然 后 调 用 EPROM2764中 的查 表 程 序 ,取 出 与 输 入 信 号 相 对 应 的 温 度 值 ,并 将 其 转换 为 BCD码 送 入 显 示 缓 冲 器 ,接 着 出 栈 恢 复 现 场 。 最后 将 显 示 缓 冲 区 的 首 地 址 送 入 R0,位 选 指 向 百 位LED,扫 描 模 式 指 向 8155的 PB口 ,选 通 百 位 ;段 数 据送 到 8155的 PA 口 ,百 位 LED 显 示 百 位 数 据 ,延 时1m s后 ,扫 描 口 转 到 十 位 LED ,显 示 十 位 数 据 ,依 次 类推 ,逐 次 燃 亮 一 位 LED ,在 三 个 LED上 即 可 显 示 出 相应 的 温 度 值 。4 结 束 语数 字 温 度 表 硬 、 软 件 设 计 在 实 验 室 用 AEDK51仿真 器 进 行 了 调 试 ,实 现 了 对 飞 行 器 发 动 机 燃 烧 室 温 度的 采 集 、 放 大 、 数 /模 转 换 、 信 号 处 理 及 显 示 。 设 计 中 将毫 伏 电 压 信 号 进 行 放 大 ,提 高 了 抗 干 扰 能 力 ;设 计 摒 弃了 传 统 的 机 电 式 结 构 ,避 免 了 摩 擦 ;所 选 用 元 器 件 不 受温 度 影 响 ,减 小 了 温 度 误 差 。 使 系 统 精 度 得 到 了 较 大提 高 。 设 计 过 程 中 应 注 意 以 下 三 点 : a. 设 计 电 路 和 片选 时 ,要 考 虑 芯 片 和 电 路 的 驱 动 能 力 ,以 免 造 成 工 作 不正 常 或 设 计 失 败 ; b. 模 拟 电 源 电 路 中 构 成 电 桥 的 电 阻值 不 易 过 大 ,且 应 采 用 精 密 电 阻 ; c. LED动 态 显 示 应 采用 软 件 扫 描 显 示 方 式 ,因 人 眼 的 视 觉 暂 留 时 间 约 为100m s,因 此 每 位 显 示 时 间 间 隔 不 能 超 过 20m s,且 注 意段 选 码 、 位 选 码 每 送 入 一 次 应 延 时 1m s,这 样 人 眼 看 上去 每 个 LED总 在 亮 。参 考 文 献 : 1 朱 家 海 . 航 空 仪 表 M . 西 安 :空 军 工 程 学 院 出 版 社 ,1997. 2 刘 元 扬 . 自 动 检 测 和 过 程 控 制 M . 北 京 :冶 金 工 业 出 版社 , 1998.Design of a D igital Thermometer Based on SCML IU A iOyu