基于热电偶炉温测量系统设计.doc

毕业设计 论文 1 基于热电偶炉温测量系统设计 摘要 随着计算机技术的高速发展 单片机在测试领域的作用越来越大 本 文设计的温度测量系统采用AD C812单片机作为控制中心 利用K型热电 偶将温度转换成电信号 通过AD C812中的模 数转换芯片完成AD转换 同时用移位寄存器74LS164进行串行输入 并行输出实现温度的显示 并且 系统可以对高温进行报警 其硬件结构简单 精度高 适合于各种温度测 量系统 检测结果表明 系统最小区分温度为1 关键词 K 型热电偶 AD590 AD C812 温度检测 毕业设计 论文 2 Design of the Temperature Measure System Based on Thermocouple ABSTRACT A temperature detection system based on AD C812 is designed in the alarm system as the wide applications of MCU in testing fields That conversion from Temperature to electric signals is realized by K type thermocouple and A D is completed by AD C812 and temperature display implemented by shift register 74LS164 It ll alarm when it is high temperature The structure of the hardware is very simple high precision and suitable for all kinds of temperature measure system The result of the test shows that the minimum distinguished temperature of the system is 1 KEY WORDS K type thermocouple AD590 AD C812 temperature measure 毕业设计 论文 I 目 录 第第 1 1 章章 设计背景及研设计背景及研究究意义意义 1 1 1 设计课题的提出 1 1 2 温度测量系统的开发背景 1 1 3 开发温度测量系统的目的及意义 2 1 4 形成温度测量系统的主要内容 2 第第 2 2 章章 系统方系统方案案的设计的设计 4 第第 3 3 章章 硬件的硬件的设设计计 5 3 1 信号的采集电路 5 3 1 1 热电偶的选择 5 3 1 2 热电偶的标度变换 6 3 1 3 热电偶的补偿方法 6 3 1 4 单片机 AD C812 14 3 1 5 调理电路 18 3 2 复位电路 19 3 3 串行通信电路 20 3 3 1 串行通信 20 3 3 2 RS 232C 标准 20 3 3 3 MAX232 芯片介绍 20 3 3 4 串行接口电路 21 3 4 显示电路 22 3 5 报警电路 23 第第 4 4 章章 软软件件的设计的设计 24 4 1 软件实现方法 24 4 2 总体程序流程图 25 4 3 子程序清单 27 4 3 1 温度采集子程序 27 4 3 2 报警电路子程序 29 毕业设计 论文 II 4 3 3 LED 显示程序 30 第第 5 5 章章 设设计计感想感想 35 致谢致谢 36 参考文献参考文献 37 附录附录 38 毕业设计 论文 1 第 1 章 设计背景及研究意义 1 1 设计课题的提出 在现代化的工业生产中 电流 电压 温度 压力 流量 流速和开 关量都是常用的主要被控参数 例如 在冶金工业 化工生产 电力工程 造纸行业 机械制造和食品加工等诸多领域中 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 AD C812 单片 机来对温度进行控制 不仅具有控制方便 组态简单和灵活性大等优点 而且可以大幅度提高被控温度的精度技术指标 从而能够大大提高产品的 质量 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问 题 本课题是利用该单片机设计出一种基于 K 型热电偶的炉温测量系统 1 2 温度测量系统的开发背景 温度测量是一门应用极广的技术 无论在现代工业赖以生存和发展的 能源动力工程中 还是在诸如大规模集成电路 生物技术 航天科技等新 兴技术领域中 或者在与人们日常生活密切相关的冶金 材料 食品等行 业中 都发挥着巨大的作用 它不仅为节约能源 提高设备热效率和发掘 新材料等众多领域带来巨大的经济效益 而且对进一步保护环境 促进和 保持一个国家和地区的可持续发展产生巨大影响 随着国民经济的发展 对各种工业产品及电力能源的需求量越来越大 从传统的能源消费情况来看 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国 我国大部分的电站锅炉 工业炉窑与工业锅炉是以煤炭作为主要能源的 每年我国仅发电与其它工业耗煤就占了煤炭总消费量的 2 3 左右 年耗标 准煤 4 亿吨以上 然而传统的燃煤方式和煤炭加工过程比较落后 许多设备仍采用老式 的控制装备 其控制精度低 可靠性差 对炉膛火焰的温度分布等参数缺 乏精确的检测和控制 这是造成燃烧不充分及燃料浪费的重要原因之一 而燃烧产物 尤其是不良燃烧物的排放 将会造成严重的大气污染 因此 毕业设计 论文 2 锅炉燃烧监测与控制的研究和改进对工业生产具有重要的现实意义 1 3 开发温度测量系统的目的及意义 随着国民经济的日益发展 对电力的需求量越来越大 我国电站中采 用火力发电占有很大比例 在火力发电中锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内 建立并保持稳定 均匀的燃烧火焰 燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最 直接的反映 燃烧不稳定不仅会降低锅炉热效率 产生污染物 在极端的 情况下可能引起锅炉炉膛灭火 如处理不当就会引发炉膛爆炸 造成严重 的人身及设备事故 为了预防这些危害 就必须进行切实有效的燃烧诊断 和火焰监测 为了实现火焰燃烧控制系统的自动化运行 需选取一些能够 及时表征燃烧过程的热物理参数来反映设备的运行工况 采用火焰温度场 作为控制参数 具有明显的优越性 因为燃料量的扰动首先会引起燃烧放 热的变化 燃烧火焰温度场的瞬态变化直接体现了燃烧过程的稳定性 温 度场分布与燃烧效率 气体污染物排放以及炉膛出口未燃尽碳损失都有重 要关系 工业炉的结构 加热工艺 温度控制等 都会直接影响加工后的 产品质量 因此温度是锅炉生产蒸汽质量的重要指标之一 也是保证锅炉 设备安全的重要参数 同时 温度也是影响锅炉传热过程和设备效率的主 要因素 因此温度检测对于保证锅炉的安全 经济运行 提高蒸汽产量和 质量 减轻工人的劳动强度 改善劳动条件具有极其重要意义 在保证产 品质量 提高生产效率 节约能源 安全生产 促进国民经济发展等诸多 方面起到了至关重要的作用 本论文以上述问题为出发点 设计实现了温度实时测量 显示 报警 本设计方案具有较高的测量精度 更加适合对温度精度要求较高的化工生 产 电力工程等行业 并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果 1 4 形成温度测量系统的主要内容 温度测量首先是由温度传感器来实现的 测温仪器通常由温度传感器 和信号处理两部分组成 温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象 毕业设计 论文 3 的温度值转换成电的或其它形式的信号 传递给信号处理电路进行信号处 理转换成温度值显示出来的 温度传感器随着温度变化而引起变化的物理 参数有 膨胀 电阻 电容 热电动势 磁性能 频率 光学特性及热噪 声等等 最简单的温度测量系统是由温度传感器及和温度显示仪表组成的 而较完善的温度测量系统是由温度传感器 温度显示仪表和温度记录仪表 组成 或者还将温度信号经转换器转换为统一的电信号经过微机控制处理 形成一个闭环的系统来实现对温度的精确测量与控制 如图 1 1 所示 图 1 1 温度测量系统的构成 给定值 温度被测对 象 温度传感器温度显示仪表 温度转换器微机控制器 毕业设计 论文 4 调 理 电 路 LED 显示 温 度 传 感 器 AD C812 转换 报 警 第 2 章 系统方案的设计 本次毕业设计题目为基于热电偶的炉温度测量系统的要求为 1 测量温度范围为 0 500 2 温度显示为 0 500 3 测得值大于设定的温度报警 这个炉温测量系统的测量过程是 单片机定时对炉温进行检测 经 A D 转换后得到相应的数字电压量 显示出当前温度值 并且与设定值相 比较 若超过该设定温度值就报警 如图 2 1 所示 图 2 1 系统构成图 由该过程图可以知道我们进行系统设计时应注意 1 温度测量范围 0 500 这就涉及到测温元件的选择与调理电路 的设计等 2 测量精度 超调量等指标 这涉及到 A D 转换精度 控制规律选择 等 温度传感器将外部温度转换为模拟电流信号 接着调理电路中的信号 放大器将电流信号转换成电压信号并自动调整信号的增益大小 使得信号 在单片机中的 A D 转换芯片的量程范围内放大 在单片机的控制下 A D 转换芯片完成信号的 A D 转换 然后将转换后的数字信号与设定值数据比 毕业设计 论文 5 较和 BCD 码转换成实际温度值 最后利用数码管对当前温度显示和报警 第 3 章 硬件的设计 3 1 信号的采集电路 3 1 1 热电偶的选择 两种不同的导体 A 和 B 连接在一起 构成一个闭合回路 当一端温度 为 T0 另一端温度为 T 假设 T T0 这时回路中就有电流或 EAB T T0 热电势产生 其大小可由测量电路测出 利用热电效应可以测量物体的温 度 我们把闭合回路称为热电偶 A B 导体称为热电极 T 接触点为热 端 又称工作端 T0接触点为冷端 又称参考端 测温时 将热端放置在 被测温度为 T 的介质中 而冷端接入电测仪表 可通过电测仪表测量热电 偶回路中的热电势 热电偶就是通过测量热电动势来实现测温的 1 图 3 1 热电偶示意图 在实际测温时 被测对象是很复杂的 应在熟悉被测对象 掌握各种 热电偶特点的基础上 根据使用环境 温度的高低等因素正确地选择热电 偶 首先 根据使用温度 t 当 t 1000 时多选用廉金属热电偶 如 K 型 热电偶 它的特点是使用温度范围宽 高温下性能比较稳定 其次 是使 用环境 当 t 1300 时 多选用 N 或 K 型 它是廉金属热电偶中抗氧化 性最强的热电偶 最后 就是根据参考端温度来选择 当 t 1000 时 毕业设计 论文 6 可选用镍钴 镍铝廉金属热电偶 参考端温度在 0 300 范围内时 可忽 略其影响 根据课题要求及测量的环境参数 发现 K 型热电偶具有测温范 围宽 线性度好 热电势率比较高 灵敏度高 抗氧化能力较强 在还原 与氧化气氛中输出热电动势均较稳定这些优点 因此它是一种最通用的适 于 1300 以下温度测量的热电偶 2 K 型热电偶测温的参考函数为 3 1 式中 E 为电动势 单位为 mV 为摄氏度 为有关系数 90 t 0 a 1 a i C 此函数覆盖 0 1372 温度范围 3 而该系统要求的温度范围为 0 500 通过计算得出 0 时 E0 0mV 500 时 E500 22 33mV 因 此输出电动势范围为 0mV 22 33mV 得出了这个范围 就可以设计出 相对应的调理电路来进行信号的调理 对于 K 型热电偶 电压变化率为 41 电压可由线性公式 3 2 来近似热电偶的特性 上式中 Vout为热电偶输出电压 mV tR是测量 点温度 tAMB是周围温度 4 3 1 2 热电偶的标度变换 采用 K 型镍铬镍硅热电偶 测量温度范围为 0 500 热电偶输出的 热电势为 0 22 33mV 经放大变为 0 5V 的直流电压 A D 转换 从而得 到与被测温度对应的数字量 供计算机调用 因此必须通过一定的处理 将数字量转换成具有不同量纲的物理量 基本原理为 5 3 3 式中 A0 一次测量的下限 Am 一次测量的上限 2 126 9686 90 1 900 0 t n i a i i ECta e 00 0 0 mx x m AANN AA NN 41 outRAMB VCtt 毕业设计 论文 7 Ax 实际测量值 N0 下限对应的数字量 Nm 上限对应的数字量 Nx 实际测量值对应的数字量 3 1 3 热电偶的补偿方法 热电偶测温时 热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关 只 有在热电极材料一定 冷端温度 T0保持不变的情况下 其热电势 EAB T T0 才是其工作温度 T 的单值函数 热电偶分度表中的热电势是在冷 端温度 T0 0 的条件下测得的 只有满足 T0 0 的条件 才能直接应用 分度表 但是在工程测量中 冷端温度不是 0 或常随环境温度的变化而 变化 这样将引入测量误差 由热电偶的作用原理可知 热电偶的热电 势的大小 不仅与测量端的温度有关 而且与参比端 冷端 的温度有关 写成关系式为 3 4 式中 E t 0 为热电偶的测量端温度为 t 参比端温度为 0 时的热电势 E t t0 为热电偶的测量端温度为 t 参比端温度为 t0时的热电势 也就是 热电偶两端实际的热电势值 E t0 0 为热电偶的参比端温度为 t0时所应加 的校正值 或冷端处理值 所以 必须采取一些措施来修正或补偿 下面 介绍一下热电偶的各种冷端补偿方法 6 1 冷端冰点法 此方法是将热电偶的冷端放置于冰水混合物的冰槽中 使冷端处于 0 状态 如图 3 2 所示 这样 可使热电偶输出的热电势与热电偶分度表 一致 该方法简单易行 补偿精度高 但冰水混合物不易保存 常用于实 验室高精度测量中 00 0 0E tE t tE t 毕业设计 论文 8 图 3 2 冷端冰点法 2 电桥补偿法 采用不平衡电桥进行冷端补偿的方法如图 3 3 所示 RG 采用温度系 数大的铜电阻 其余电阻 R1 R2 R3 采用温度系数小的锰铜电阻 电路 设计时 一般使电桥在 20 或 0 处于平衡状态 此时电桥无电压输出 当温度变化时 RG 阻值变化 电桥输出补偿电势 此电势与热电偶的热 电特性相似 即可对冷端进行自动补偿 图 3 3 电桥补偿法 3 半导体PN结补偿法 半导体二极管或者三极管 PN 结的温度特性广泛应用于冷端补偿技术 中 PN 结在 100 100 范围内 其端电压与温度有理想的线性关系 温度系数约 2 2mV 因此是理想的冷端补偿器件 图 3 4 是一种用二 极管作冷端补偿的电路 图中 D 是用作补偿器件的二极管 其正向压降随 毕业设计 论文 9 温度呈线性变化 补偿电势由 R 和 W 分压得到 采用二极管作冷端补偿 精度可达 0 3 0 8 采用将基极和集电极连接使用的三极管时 补偿精 度可达 0 05 0 2 图 3 4 半导体 PN 结补偿法 4 集成温度传感器补偿法 集成温度传感器不仅可用于温度测量 而且也可用于热电偶冷端补偿 大多数集成温度传感器的输出电信号随温度的变化具有良好的线性特性 可作为理想的冷端补偿器件 利用集成温度传感器的补偿电路较多 这里 仅举两例 图 3 5 为集成温度传感器 AD590 用于热电偶冷端补偿的一个例 子 AD590 为电流输出型器件 其输出电流与绝对温度成正比 工作温 度范围为 55 150 图中 AD590 的输出电流在 R1 上转换为所需的 补偿电势 放大器负端提供的电压 V 将补偿电势所对应的绝对温度转换成 摄氏温度 图 3 6 为另一种集成温度传感器 LM134 用于热电偶冷端补偿 的例子 LM134 为三端可调恒流源器件 其输出电流与摄氏温度成正比 图中调节 R1 可调节 LM134 的输出电流的大小 输出电流在 R2 上转换为 所需的补偿电势 图 3 5 AD590 用于热电偶冷端补偿 毕业设计 论文 10 图 3 6 LM134 用于热电偶冷端补偿 5 数字化补偿法 微机技术的运用 使热电偶冷端补偿的数字化成为可能 数字化补偿 的方法如图 3 7 所示 将测温电路中的温度传感器与热电偶冷端置于同一 温度环境中 则可获得与冷端温度相对应的电信号 该信号通过电子开关 和 A D 转换送入单片机 可测得热电偶冷端处的温度 t0 然后再将热电 偶输出的热电势通过电子开关和 A D 送入单片机 测出一温度值 t 该 温度即热电偶测量端和冷端的温差 将 t0 和 t 相加即得到需要测量的真 实温度 该方法的补偿精度和补偿范围完全取决于测温电路的性能 按现 有的技术水平很容易获得很高的补偿精度和很宽的补偿范围 而且测温电 路的热电特性无需和热电偶的热电特性一致 大大提高了冷端补偿技术的 方便性和灵活性 毕业设计 论文 11 图 3 7 数字化补偿 在上述各种补偿方法中 方法 2 3 4 均属于模拟补偿法 其特点是 简单易行 成本较低 但补偿精度较低 0 5 1 补偿范围不大 0 50 一般能满足工程测温的要求 数字化补偿技术设计复杂 价 格较高 其补偿精度高 0 02 补偿范围宽 可用于精确测温的场合中 因此 由在这些修正方法中的比较 选择了 AD590 对热电偶进行冷端补 偿 AD590 式电流输出性集成温度传感器 国内同类产品型号为 SG590 实际中通过对电流的测量即可得到相应的温度数值 AD590 后缀以 I J K L M 表示 实质上指特性不同和测量温度范围不同 其外形 电路符号如图 3 8 所示 图 3 8 AD590 外形 电路符号 毕业设计 论文 12 AD590 主要技术参数为 工作电压 4 30V 工作温度 55 150 保存温度 65 175 焊接温度 10 秒 300 正向电压 44V 反向电压 20V 灵敏度 1 A K 输出电阻 710M AD590 基本工作原理 在被测温度一定时 AD590 实质上相当于恒流源 把它与直流电源相 连 并在输出端串接一个标准 10K 的电阻 结果此电阻上流过的电流与 被测热力学温度成正比 电阻两端将会有 10mV K 的电压信号 它的内部 电路如图 3 9 利用晶体管的阻抗变换特性使集电极获取高阻抗电流输出 并通过串接阻抗很大的负载把信号放大 使电路的总电流与温度系数很 小的电阻中的电流成固定比例关系 T1 T2 T3 T4 的发射极连在一 起接到 R1上 T6 的发射极则接到 R2上 这使流过 T1 T4的 12 4 RR 总电流与流过 T6 的电流之比更好地符合 4 1 克服了因 T6集电极电位与 其它 NPN 管集电极电位不同而引起的误差 在 T7的集电极回路中增加了 一个二极管接法的 PNP 管 T5 它的作用除了与 T6对称以平衡 T7 和 T8的 集电极电压 以减小 T7和 T8基区调制效应引起的误差之外 还对器件 提供了很好的保护作用 T12是一个结型场效应管 实际上是一个高值电 阻 它的作用是保证电路在接上电源时能可靠地启动 流过 T12的电流最 后也流过 T10 因此不会产生附加的误差电流 电容 C 和电阻 R3 R4 是 为了防止寄生振荡 T8 T11是产生基 射电压正比于绝对温度的晶体 管 R5 R6将电压转换电流 T10的集电极电流跟踪 T9和 T11集电极电流 它提供所有的偏置及电路其余部分基底漏电流 从而迫使总电流正比于绝 对温度 基本电路如图 3 10 所示 7 毕业设计 论文 13 图 3 9 AD590 的内部电路 图 3 10 AD590 测量电路 AD590 集成温度传感器应用相当广泛 在工程上主要应用测量热力学 温度 摄氏温度 两点温度差 多点最低温度 多点平均温度等 因此 不仅广泛应用在日常生活中 更重要大量应用在工业自动化控制系统以及 自动检测过程控制系统 另外 由于 AD590 精度高 价格低 不需辅助 电源 线性好 常用于测温和温度检测和控制领域以及测温和热电偶的冷 端补偿 8 10K Vcc Vo AD590 ADC1 毕业设计 论文 14 3 1 4 单片机 AD C812 1 主要功能 9 模拟 I O 8 通道 高速 12 位 ADC 片内 100 ppm C 的电压参考源 速度高达 200 kSPS ADC 至 RAM 高速捕获型 DMA 控制器 2 个 12 位电压输出 DAC 拥有片内温度传感器 存储器 8 K 字节片内闪速 电擦除程序存储器 640 字节片内闪速 电擦除数据存储器 256 字节的片内数据 RAM 16 M 字节的外部数据地址空间 64 K 字节的外部程序地址空间 基于 8051 的内核 标称的 12 MHZ 工作频率 最大 16 MHz 3 个 16 位定时器 计数器 高电流驱动能力端口 端口 3 9 个中断源 2 个优先级 电源 运行于指定的 3V 和 5V 电压下 正常模式 空闲模式和掉电模式 片内外围设备 UART 和 SPI 串行 I O 双线 400 KHz I2C 兼容 串行 I O 看门狗定时器 WDT AD C812 是一个完全集成的 12 位数据采集系统 在一个芯片内结合 毕业设计 论文 15 了高性能的自校准多通道 12 位 ADC 双 12 位 DAC 和可编程 8 位微控制 器 片内的 8K 字节闪速 电擦除存储器 640 字节片内闪速 电擦除数据存 储器和 256 字节的片内数据静态存储器均由可编程 8051 兼容内核控制 另外微控制器具有包括看门狗定时器 电源监视器和 ADC DMA 功能 为 多处理器接口和 I O 扩展提供了 32 条可编程的 I O 线 I2C 兼容的 SPI 和 标准 UART 串行口 I O 等 其功能框图如图 3 11 所示 10 图 3 11 AD C812 的功能框图 2 AD C812 的资源占用问题 AD C812 具有 3 个 16 位定时器 计数器 即 定时器 0 定时器 1 和 定时器 2 每一个定时器 计数器包含 2 个 8 位寄存器 THX 和 TLX X 0 1 和 2 所有 3 个定时器 计数器均可配置作为定时器或计 数器 此功能和普通单片机相同 由于与其他单片机不同 AD C812 具备在线调试功能 因此 芯片处 毕业设计 论文 16 于在线工作状态下某些功能将会受到限制 这是因为在线调试时 计算机 和芯片之间的通信占用一定的资源所导致 经实践证明 定时器 1 就是被 占用的资源之一 若用户在线调试的程序中使用了定时器 1 则无论是设 断点调试 还是单步或连续运行 都会有程序无法执行的情况发生 但若 将程序中的定时器 1 屏蔽掉 则程序能正常运行 实现用户预定的功能 当然 在线调试程序时可以使用定时器 0 和定时器 2 因它们未被占用 虽然在线调试时 定时器 1 无法使用 但并不意味着用户不能在用户 系统中利用该定时器 用户可先将预定功能用定时器 0 实现 在调试通过 之后 再改用定时器 1 来实现 也可直接用定时器 1 实现 但只能盲调 因程序必须下载后脱机运行 3 A D 转换器的使用问题 AD C812 内集成的 ADC 转换模块 包含了 8 通道 12 位 单电源 A D 转换器 这些 A D 转换器是由基于电容 DAC 的常规逐次逼近转换器 组成的 接收的模拟输入范围为 0 至 VREF 2 5V 另外 此模块还 为用户提供片内基准 校准特性 模块内的所有部件能方便地通过 3 个寄 存器 SFR 接口来设置 总之 AD C812 的 ADC 模块具有与一般 ADC 芯 片相比拟的性能 并且操作简单 可靠性高 采集速率可高达 200kHz A D 转换器的 2 5V 基准电压既可由片内提供 也可由外部基准经 VREF 引脚驱动 若使用内部基准 则在 VREF 和 CREF 引脚与 AGND 之 间都应当连接 100 F 电容以便去耦 这些去耦电容应放在紧靠 VREF 和 CREF 引脚处 为了达到规定的性能 建议在使用外部基准时 该基准应 当在 2 5V 和模拟电源 AVDD 之间 由于片内基准高精度 低漂移且经工 厂校准 并且当 ADC 或 DAC 使能时 在 VREF 引脚会出现此基准电压 因此 在进行系统扩展时 可将片内基准作为一个 2 5V 的参考电源来使 用 若要把片内基准用到微转换器之内 则应在 VREF 引脚上加以缓冲并 应在此引脚与 AGND 之间连接 100 F 电容 在实际应用中应当特别注意 内部 VREF 将保持掉电直到 ADC 或 DAC 外围设备模块之一被它们各自的 使能位上电为止 毕业设计 论文 17 与其他 ADC 芯片相比 AD C812 的 ADC 模块有一个缺点 就是 ADC 正常工作的模拟输入范围为 0 2 5V 而允许输入的电压范围只能 为正电压 0 5V 经实验证明 若输入的模拟电压超过 2 5V 最大值 为 5V ADC 的采样结果为最大值 0FFFH 虽然结果不对 但并没有 影响 AD C812 正常工作 但是 一旦输入负的模拟电压 则会影响 AD C812 正常工作 表现为 ADC 的基准电压 VREF 2 5V 消失和采 样结果不正确 且若长时间输入负电压 将有可能损坏芯片 因此 在实 际应用中 若发现启动 ADC 之后 VREF 端无电压 则应立即将芯片复位 并检查模拟输入信号的采集放大部分 在确保进入 AD C812 的模拟信号 在 0 2 5V 范围内之后 才能再次启动 ADC 实际应用时 应保证输入 的模拟电压为正电平 AD C812 由于自身带有 12 位的 AD DA 转换 这就大大简化了测量系 统 所以直接需要对输出模拟电压进行调理 3 1 5 调理电路 由于来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压 包括干扰电压 因此一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它 但是必须要求外接电阻 完全平衡对称 运算放大器具有理想特性 否则放大器将有共模误差输出 其大小既与外接电阻对称精度有关 又与运算放大器本身的共模抑制能力 有关 一般运算放大器共模抑制比可达 80dB 而采用由几个集成运算放大 器组成的测量放大电路 共模抑制比可达 100 120dB 所以 对于测得的 值采用双运放高共模抑制比放大电路调理 既可以能抑制共模电压 又可 以将测得值放大 其电路如图 3 12 所示 毕业设计 论文 18 图 3 12 调理电路 由上述分析可知 而此双运放高共模抑制 比放大电路需要将信 号放大 200 倍 即根据这个 可以选取 R1 1 M R2 5 K 3 2 复位电路 系统上电时提供复位信号 直至系统电源稳定后 撤销复位信号 为 可靠起见 电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号 以防电源开关 或电源插头分 合过程中引起的抖动而影响复位 如图 3 13 所示 RC 复位 电路 当复位开关闭合时 能提供一个高电平给单片机 RESET 使其复位 当断开复位开关时 撤销复位信号 1 021 2 1 ii R UUU R 1 2 1200 R K R N1 N2 R1 R2 R1 R2 K二二二二 ADC0 毕业设计 论文 19 图 3 13 复位电路 单片机复位电路有多种 上图为基本复位电路 高电平手动复位 C2 可避免高频谐波对电路的干扰 该复位电路简单易行 但缺点是在遇到较 强干扰或瞬间断电时 复位端电平随电容器充放电特性变化 往往电源电 压低至 RAM 区数据不能保持时 复位端电容器上仍储有相当的电荷 致 电源电压恢复时复位端不能产生复位信号而出现 死机 或 程序跑飞 3 3 串行通信电路 3 3 1 串行通信 串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数 据线上 以每次一个二进制位移动的 它的优点是只需一对传输线进行传 送信息 因此其成本低 适用于远距离通信 它的缺点是传送速度低 串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式 同步通信适用于 传送速度高的情况 其硬件复杂 而异步通信应用于传送速度在 50 到 19200 波特之间 是比较常用的传送方式 在异步通信中 数据是一帧一 帧传送的 每一串行帧的数据格式由一位起始位 5 8 位的数据位 一位 Vcc 10K 二二二二 F C2 104 C1 22 位位位位位位 RESET 毕业设计 论文 20 奇偶校验位 可省略 和一位停止位四部分组成 在串行通信前 发送方 和接收方要约定具体的数据格式和波特率 通信协议 几乎所有的 AD C812 的应用设计都要利用器件在线编程的特点 在 线编程须要利用 AD C812 的 UART 通用异步串行接口 如果从 PC 机 下载程序代码到 AD C812 须要外接一个 RS 232 实现电平转换 11 3 3 2 RS 232C 标准 RS 232C 是美国电子工业协会 EIA 正式公布的 在异步串行通信中 应用最广的标准总线 该标准适用于 DCE 和 DTE 间的串行二进制通信 最高数据传送速率可达 19 2kbps 最长传送电缆可达 15 米 RS 232C 标 准定义了 25 根引线 对于一般的双向通信 只需使用串行输入 RXD 串 行输出 TXD 和地线 GND RS 232C 标准的电平采用负逻辑 规定 3V 15V 之间的任意电平为逻辑 0 电平 3V 15V 之间的任意电 平为逻辑 1 电平 与 TTL 和 CMOS 电平是不同的 在接口电路和计算 机接口芯片中大都为 TTL 或 CMOS 电平 所以在通信时 必须进行电平 转换 以便与 RS 232C 标准的电平匹配 MAX232 芯片可以完成电平转换 这一工作 3 3 3 MAX232 芯片介绍 MAX232 芯片是 MAXIM 公司生产的低功耗 单电源双 RS232 发送 接收器 适用于各种 EIA 232E 和 V 28 V 24 的通信接口 MAX232 芯 片内部有一个电源电压变换器 可以把输入的 5V 电源变换成 RS 232C 输出电平所需 10V 电压 所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单 一的 5V 电源就可以 MAX232 外围需要 4 个电解电容 C1 C2 C3 C4 是内部电源转换 所需电容 其取值均为 1 F 25V 宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片 C5 为 0 1 F 的去耦电容 MAX232 的引脚 T1IN T2IN R1OUT R2OUT 为接 TTL CMOS 电 平的引脚 引脚 T1OUT T2OUT R1IN R2IN 为接 RS 232C 电平的引 毕业设计 论文 21 脚 因此 TTL CMOS 电平的 T1IN T2IN 引脚应接 MCS 51 的串行发 送引脚 TXD R1OUT R2OUT 应接 MCS 51 的串行接收引脚 RXD 与之对应的 RS 232C 电平的 T1OUT T2OUT 应接 PC 机的接收端 RD R1IN R2IN 应接 PC 机的发送端 TD 12 3 3 4 串行接口电路 采用 MAX232 接口的硬件接口电路如图 3 14 所示 图 3 14 串行通信接口 现选用其中一路发送 接收 R1 OUT 接 AD C812 的 RXD T1 IN 接 AD C812 的 TXD T1 OUT R1 IN 接 9 针串口连接器 用以实现 RS232 通信的连接 因为 MAX232 具有驱动能力 所以不需要外加驱动 电路 3 4 显示电路 显示电路采用了 74LS164 这个串入并出的移位寄存器 图 3 15 给出了 串行口扩展的 4 位共阳 LED 显示接口电路 配接了 4 片串入并出移位寄 存器 74LS164 其中 74LS164 的引脚 Q0 Q7 为 8 位并行输出端 分别接 在 LED 显示器的 hgfedcba 各段对应的引脚上 引脚 A B 为串行输入端 引脚 CLK 为时钟脉冲输入端 在 CLK 脉冲的上升沿作用下实现移位 在 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 VCC 39 GND 38 T1OUT 37 R1IN 36 T2OUT 7 R2IN 8 R1OUT 35 T1IN 34 T2IN 33 R2OUT 32 MAX232 DVDD 1 6 2 7 3 8 4 5 1 F 1 1 1 0 1 F F F F RXD TXD 毕业设计 论文 22 CLK 0 清除端 1MR 时 74LS164 保持原来数据状态 0MR 时 74LS164 输出清零 把单片机的 P3 5 口作为虚拟数据 DATA 输出端口 P3 6 口作为虚拟移位时钟 CLOCK 脉冲输出端口 74LS164 为 TTL 单 向 8 位移位寄存器 可实现串行输入 并行输出 图 3 15 显示电路图 其工作过程如下 串行数据由 P3 5 同步发送 移位时钟由 P3 6 送出 在移位时钟的作用下 串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入 74LS164 中 4 片 74LS164 分别连接到 4 位 LED 显示器的段选端作静态显示 但是由于 74LS164 无并行输出控制端 所以在串行输入过程中 它的 输出端状态会不断变化 会造成不应显示的字段仍有较暗的亮度 影响了 显示的效果 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS6 LE D 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS5 LE D 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS4 LE D 10 9 8 7 65 4 3 2 1 a bf c g d e DPY dp DS3 LE D Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 7 Vcc 74LS164 200 RES2 200 RES2 200 RES2 200 RES2 P3 5 RXD GND P3 6 TXD VCC 1 2 3 4 5 CON5 二二二二 二二 二二 二二 二二 二二 二二 二二 二二 毕业设计 论文 23 3 5 报警电路 在单片机应用系统中 一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来 指示 供操作人员参考 了解系统的工作状况 但是对于某些紧急状态 比如系统检测到的错误状态等 为了使操作人员不至于忽视 及时采取措 施 往往还需要有某种更能引人注意 提起警觉的报警信号 这种报警信 号通常有三种类型 一是闪光报警 因为闪动的指示灯更能提醒人们注意 二是鸣音报警 发出特定的音响 作用于人的听觉器官 易于引起和加强 警觉 三是语音报警 不仅能起到报警作用 还能直接给出警报种类的信 息 其中 前两种报警装置因硬件结构简单 软件编程方便 常常在单片 机应用系统中使用 而语音报警虽然警报信息较直接 但硬件成本高 结 构较复杂 软件量也增加 在本系统中使用了闪光报警 报警电路的作用 主要是在温度超过设定的温度值或低于下限温度时 报警子程序就会控制 报警信号的输出 温度低于或高于设定的温度值范围时 单片机 P3 4 会 发出低电平信号 此时报警电路才可以导通 并且发光二极管就可以导通 并发光报警 报警电路如图 3 16 所示 图 3 16 报警电路 Vcc 二二二二二 R 位位位位 P3 4 毕业设计 论文 24 第 4 章 软件的设计 4 1 软件实现方法 软件设计主要是单片机语言部分 单片机语言程序部分采用模块化程 序设计方法 采用 C 语言编写 利用 Keil Vision3 软件编写调试 主要 包括 初始化程序 主控程序 数据采集及转换程序 显示程序 报警功 能块等 整个单片机部分的软件运行由主控程序操作完成 是整个系统的 总调度 负责整个系统的控制和各个子程序的调用 系统通电后 先对单 片机及外围芯片的内部资源进行初始化设置和自检工作 在正常情况下 不 正常 则显示出错信息 提示操作人员输入命令 根据操作员的命令调用 相应的子程序模块 数据采集与转换模块完成数据的采集与转换工作 负 责通知单片机读取转换数据 对各路温度值进行检测 并进行数据处理 显示 存储等工作 为了消除外接模拟通道中的随机干扰 在数据处理中 采用了算术平均值滤波法 显示程序完成了测量结果由 LED 显示出来 而报警程序完成了通过测得数据与系统最初设定值的比较来控制报警电路 的导通使发光二极管发光达到报警的作用 系统设定比较的温度值为 400 当启动系统工作时 温度检测系统 不断定时地去检测两个通道的温度 可以得到两个电压值 一个为热电偶 测得的电压值 另一个是由集成温度传感器 AD590 测得的当前室温的电 压值 通过单片机内部自带的 AD 转换芯片将模拟信号转换成数字信号并 且由分辨率得出十进制的温度值 由于 K 型热电偶测得的电压值经过了一 个双运放高共模抑制比放大电路的放大作用 因此需要将热电偶测得的温 度值还原成真正的温度值 然后计算出补偿后的温度值并且由 4 位 LED 数码管显示出来 同时将最终的温度值与设定值 400 相比较 当测得的 温度值高于 400 设定值时 单片机的 P3 4 口置 0 导通报警电路 同时发 光二极管道通发光 这样不断重复上述过程 使系统具有测量炉温并且对 高温报警的功能 毕业设计 论文 25 4 2 总体程序流程图 温度测量程序的设计应考虑如下 1 炉温采集 2 数据处理 3 温 度显示 4 高温报警 主程序包括单片机 AD C812 本身的初始化等等 具体来说 本程序 包括了显示缓冲区清零 设定温度初值 温度采样 温度显示和报警 主 程序的框图如图 4 1 所示 在主程序中首先设定温度比较的参数初值 然后单片机开始采样两个 通道的温度值 再通过循环显示出当前的温度 软件设定定时器 T0 为 5 秒定时 以用来采集经过 A D 转换的温度信号 毕业设计 论文 26 图 4 1 主程序框图 Y N 开始 系统初始化 设定参数初值 温度采样 报警 大于设定初值 温度显示 计算温度 毕业设计 论文 27 主程序 void main char adc while 1 a adc 0 采集 0 通道热电偶数据 b adc 1 采集 1 通道 AD590 数据 a a 5 4096 b b 5 4096 u a 200 T u 41 b 10 273 AD 采样值转换为实际温度 if T A else LED 1 若不高于 A 则不报警 display T 显示当前温度 4 3 子程序清单 4 3 1 温度采集子程序 为提高数据采样的可靠性 需要对连续采样的温度数据进行数字滤波 处理 数字滤波的算法很多 这里连续取 N 个采样值进行算术平均运算 N 值较大时 信号平滑度较高 但灵敏度较低 N 值较小时 信号平滑度 较低 但灵敏度较高 它的优点是适用于对一般具有随机干扰的信号进行 滤波 这样信号的特点是有一个平均值 信号在某一数值范围附近上下波 动 但是对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用 温度采集是从单片机 AD C812 的两个并行 P1 口输入 后转存于外部存 储区中 温度检测子程序流程图如图 4 2 所示 毕业设计 论文 28 图 4 2 温度检测子程序流程图 N Y 开始 初始化 采样程序 送通道号值 启动 A D 读 A D 数据 转换完毕 返回 毕业设计 论文 29 温度采集子程序 int adc char temp 通道选择 int da sum int temp1 float q da 0 sum 0 temp1 0 for temp1 0 temp1 10 temp1 10 次采集和滤波 ADCCON2 temp 选择通道 temp ADCCON1 0 x7c SCONV 1 单次 AD 转换使能 1 有效 转换完后由硬件清零 while ADCCON3 检测转化是否完毕 da ADCDATAH 保留 ADCDATAH 低八位 da da 256 ADCDATAL 合并成 ADCDATA 的扫描码 sum sum da q sum 10 return q 采样 10 次 取平均值 4 3 2 报警电路子程序 子程序框图 毕业设计 论文 30 图 4 3 报警电路子程序框图 报警子程序 void alarm 报警程序 LED 0 使报警电路导通 报警灯亮 4 3 3 LED 显示程序 本系统使用的 LED 为共阳极接法 因此 Vcc 端接 5V 电压 其它引 脚端接到锁存器 74LS164 的输出 当各段输入端为逻辑 1 时 对应的 LED 不亮 各段输入端为逻辑 0 时 对应的 LED 才发亮 使用时要根据 LED 正常发光需要的电流参数估算限流电阻取值 电阻取值越小 电流大 LED 会更亮 但要注意长时间过热使用烧坏 LED 开始 置 P3 4 低电平 启动报警 返回 毕业设计 论文 31 LED 多数情况用于显示十进制数字 要将 0 9 的数字用 7 段显示 必须将数字转换为 LED 对应七段码的信息 然后根据 LED 是共阴极还是 共阳极接法确定 LED 各输入端应接逻辑 1 还是逻辑 0 如果是共阳 接法 要显示 0 时 a b c d e 和 f 段就要输入逻辑 0 共阴极接 法则恰巧相反 也就是说 对于共阴极和共阳极两种不同的接法 显示同 一个字符时 对应的显示段码是不同的 互为反码 表 1 列出了这两种接 法下的字形段码关系表 从表中可以看出 对于同一个显示字符 共阴极 和共阳极的七段码互为反码 13 表 1 7 段 LED 显示器字符段码表 毕业设计 论文 32 LED 显示程序框图 图 4 4 LED 显示程序框图 开始 数码管初始化 百位送 LED 显示 十位送 LED 显示 个位送 LED 显示 小数点送 LED 显示 小数点后一位送 LED 显示 延 时 返回 毕业设计 论文 33 LED 显示程序 char code table 0 xco 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 0 x7f 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小数点 sbit DATA P3 5 定义串行数据输出端 sbit CLK P3 6 定义时钟端 unsigned char dsp unsigned int i unsigned char j j table i return j void SendData unsigned char SendDat 传送一个字节的数据 段码值 送去显示 unsigned char k for k 0 k 1 发送数据右移 1 位 先发低位 后发高位 void display unsigned int i LED 显示子程序 int a b