智能仪表综合训练课程设计-热电偶线性化LED显示.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 智能仪表综合训练设计说明书题 目：热电偶线性化LED显示学生姓名：x学 号：08x专 业：测控技术与仪器班 级：2008-1指导教师：x 中文摘要进入21世纪，自动化、智能化水平越来越高，人们的工作和生活水平明显提高。为了给现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施，智能仪器的研究就尤为显得重要。现代智能仪器的研究还主要处于对单片机软件开发的研究阶段。本设计以STC89C52RC单片机为核心，由热电偶测量热端温度T，经过放大电路和ADC0832进行模数转换， 再由单片机进行线性化处理，最后由4位LED显示器显示测量温度。该设计的软件由C51语言编写，采用模块化结构设计。关键词：热电偶；A/D转换器；单片机；线性化；LED显示。 前言和概述前言 热电偶是一种应用广泛的测温元件，工业生产中的许多仪器设备都要用热电偶测温、控温，在热加工中热电偶的应用更是必不可少，另外在汽车、家用电器中也经常使用热电偶。热电偶一般用来检测-2001600的温度，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。热电偶测温原理 图1.1热电偶示意图热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。只要两个接点处的温度不同（设TT0）时，则在该回路中就会产生电流，这种现象称为热电效应。与此相应的电动势称为热电动势。导体A,B构成的闭合回路称为为热电偶，导体A,B称为热电极。热电偶的两个接点中，温度为T的一端称为热端，温度为T0的一端则称为冷端。由于在同一金属导体中，温差电势极小，可忽略。因此在一个热电偶回路中起绝对作用的是接触电势。所以回路总的热电势可以近似宝石为： EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0) (1.1)热电偶冷端温度补偿热电偶测温时，冷端温度必须为0，否则将产生测量误差。当冷端温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个稳定的地方，然后再考虑将冷端处理为0，这称为热电偶的冷端温度补偿。热电偶的补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。冷端温度补偿方法有很多，如：冰点法、恒温迁移法、计算修正法、电桥补偿法、二极管补偿法、集成温度传感器补偿法、软件补偿法等。由于电桥补偿法有结构简单、使用方便、硬件投资少等诸多优点,工业现场最长用的就是电桥补偿法。它是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度t0的变化对输出电势的影响，其原理图如图1.2所示 图1.2电桥补偿法原理图在补偿导线末端放置一个同电阻Rcu，通过选择合适的补偿电桥参数（电桥设计在0时平衡），使电桥产生的输出电压Uab的大小正好补偿因冷端温度t0而引起的热电势EAB（t0，0），即 U=EAB（t，t0）+EAB（t0，0）=EAB（t，0） (1.2)从而消除了冷端温度对测量结果的影响，实现了冷端补偿。线性化简介图1.3线性化线流程图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，流程图如图1.3。光进行线性化还不够，还要进行标度变换。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00FFH的数字量DX。之后还需要将DX值滤波，滤波后的码值为NX，最后在程序进行过程中，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。线性表度变换公式（2）： (1.3)该式是线性化标度变换的通用公式。（1.3）式中：v A0：一次测量仪表的下限；v AM：一次测量仪表的上限；v AX：实际测量值（工程量）；v N0：仪表下限所对应的数字量；v NM：仪表上限所对应的数字量；v NX：测量时所对应的数字量。其中，AM、A0、NM、N0对于某一固定的被测参数来说都是常数，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A0所对应的A/D转换值置为0，也即N0=0，这样可以简写成： (1.4)在很多测量系统中，仪表下限值A0一般都等于零，即A0=0，此时，对应的N0，下式可进一步化简： (1.5) 或是 (1.6) 第二章 总体方案设计热电偶温度计因其具有结构简单、性能稳定、测温范围宽、测量精度高、动态性能好、使用方便及便于维护等优点，被广泛应用于各种大型工业领域。但由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系，增加了显示与处理的复杂性；且随着工业发展、自动化的不断加强，对温度精度要求也越来越高。为了提高热电偶测量温度的精度，必须从硬件和软件两方面同时入手。硬件设计必须使用高精度A/D 器件，软件设计必须设计出合理的满足工业要求的线性化算法，从这两方面解决热电偶测试高温的精度问题。如图2.1所示是热电偶线性化及LED显示的测温原理图。该系统硬件结构由热电偶、冷端温度补偿、放大器、A/D转换器、单片机和4位LED显示器组成。热电偶测温是产生的热电动势经冷端温度补偿后，输出mV信号，经过放大器放大后，在ADC0832做A/D转换并做线性化处理，得到数字信号在单片机内经过运算转换为温度信号，并送到LED显示所测得的温度。图 2.1 热电偶测温原理图 单片机采用STC89C52RC进行核心编程；用8位A/D转换器ADC0832实现0-5V模拟电压到8位数字量的转换；J1_164LED显示器实现温度t以及A/D转换值的实时显示。第3章 硬件设计方案热电偶线性化LED显示硬件原理图见附录A3.1单片机STC89C52RC图3.1 单片机STC89C52引脚图 STC89C52RC系列单片机，是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，可以用串口（P3.0与P3.1）下载用户程序，实现在线编程功能。STC89C52的引脚分布如图3.4所示，各部分引脚描述：:1. P0.0P0.7引脚（32-39）：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。2. P1.0P1.7引脚（1-8）：P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入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。3. P2.0P2.7引脚（21-28）：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(MOVXDPTR)，此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式(MOVRi)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。 4. P3.0P3.7引脚（10-17）：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：v RxD(p3.0)：串行输入口v TxD(P3.1)：串行输出口v INT0(P3.2)：外部中断0v INT1(P3.3)：外部中断v T0(P3.4)：定时器0外部输入v T1(P3.5)：定时器1外部输入v WR(P3.6)：外部数据存储器写信号v RD(P3.7)：外部数据存储器读信号 5. 引脚（31）：外部程序存储器选择信号，低电平有效；在复位期间CPU检测并锁存引脚的电平状态，当读引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器PC超出片内程序存储器地址编码范围时，才转到外部程序存储器中取指令；当该引脚位低电平时，一律从外部程序存储器中取指令。6. （29）：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。7ALE（30）：低8位地址锁存信号，在访问外部程序存储器时，ALE下降沿锁存从P0口输出的低8位地址信息A7A0,以便随后将P0口作为数据总线使用；在正常情况下，ALE输出信号为1/6振荡频率，并可用作外部时钟或定时信号。8. XTAL1（19）：片内晶振电路反向放大器输入端，接CPU内部时钟电路； XTAL2（18）：片内晶振电路反向放大器输出端；9. RST（9）：复位信号输入端，高电平有效；10. VCC（40）：电源引脚。VSS（20）：电源地。STC89C52系列单片机属于MCS51型系列单片机，它们的存储器在组织结构上有4个物理上相互独立的空间：片内程序存储器和片外程序存储器，内部数据存储器和片外数据存储器7。其中片外数据存储区共64KB，相应的地址空间为0000FFFFFH；片内数据存储区共256B，其中80HFFH为SFR（特殊功能寄存器区），20H2FH为位寻址区，00H1FH为R0R7工作寄存器区，30H7FH为用户存储数据用的存储区，共80个字节；片内程序存储区有4KB，通过=1进行选通；片外程序存储区有64KB是通过=0进行选通。下表所示为P口地址： u P0口接8个LED灯，u P1.0接74LS164的A或B，u P1.1接74LS164的CLK3.2热电偶温度传感器 本设计采用的是市场上造价比较昂贵的铂铑10-铂热电偶即S型热电偶。短期最高使用温度为1600，长期最高使用温度为1300。 铂铑10-铂S型热电偶具有准确度高、测温区域宽使用寿命长和稳定性好等优点。它的物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中，使用广泛。 铂铑10-铂S型热电偶的不足之处是热电动势率比较小、灵敏度低、高温下机械强度下降、对污染敏感、金属材料昂贵，因而一次性投入资金比较大。3.3放大电路如图3.2仪用放大器是一种精密的差动电压增益器件，它不但可以提供很高的输入阻抗, 而且如果第一级设为高增益, 无须匹配就可以得到高共模抑制比。 可以有效地抑制工频干扰等共模噪声、。仪用放大电路特点是：放大电路的输入阻抗和共模抑制比高、误差小、稳定性好。放大增益可由用户选择电阻来设定。它的主要用途是作传感器信号的放大，或作差动小信号的前置放大。图3.2 仪用放大电路 3.4A/D转换ADC0832具有以下特点：1 8位分辨率2 双通道A/D转换；.3 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；4 5V电压供电时输入电压在05V之间；5 工作频率位250KHZ,转换时间为32us；6 一般功耗仅为15mW；7 8P、14P-DIP(双列直插) 、PICC多种封装；8 商用级芯片温宽为0to+70,工业级芯片温宽为-40to+85；ADC0832由于它体积小，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。本次设计采用它来实现模数转换功能，它能将变送器传送到的模拟信号转换为可让STC89C52接收的数字信号，以方便后续工作的进行。该芯片的引脚及与STC89C52连线如图3.2所示，ADC芯片接口说明：u 片选使能，低电平芯片使能；u CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；u CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；u GND 芯片参考0 电位；u DI 数据信号输入，选择通道控制；u DO 数据信号输出，转换数据输出；u CLK 芯片时钟输入；u Vcc/REF 电源输入及参考电压输入；图3.3 A/D转换如图3.4为单片机串行口方式0与ADC0832的接口， ADC0832的选通引脚CS端受单片机的STC89C52RC2.0控制，TXD作为时钟信号输出端，RXD作为启动位、配置位的发送端以及A/D转换后输出数据的接受端。由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可将DO和DI 并联在一根数据线上使用。图 3.4 单片机与ADC0832的接口ADC0832的工作时序：当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当CS由高变低时，选中ADC0832。在时钟的上升沿，DI端的数据移入ADC0832内部的多路地址移位寄存器。在第一个时钟期间，DI为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位。当输入启动位和配置位后，选通输入模拟通道，转换开始。转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。ADC0832接着在第4个时钟下降沿输出转换数据。数据输出时先输出最高位(D7D0)；输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据(D7D0)，两次发送的最低位共用。当片选CS为高时，内部所有寄存器清0，输出变为高阻态。如果要再进行一次模/数转换， 片选CS必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位。表3.1 P口地址MnemonicAdd76543210P080HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P190HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P2A0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0。3.5 LED显示图3.5LED静态显示本设计选用的是LED164静态显示。74LS164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（A 或 B）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。 时钟 (CLK) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0 ，Q0 是两个数据输入端（A和 B）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 3.6 晶振电路时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。STC89C52RC单片机内部包括了一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。图3.6 晶振电路 1.内部时钟模式 内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。51系列单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入端口和输出端口，其工作频率为0-33MHZ。当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可，如图 所示。使用时对于电容的选择有一定的要求，具体如下:a.当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=3010pF;b当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=4010pF.在实际电路设计时，尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的XTAL1引脚和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。 2.外部时钟模式 外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。对于不同的结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟信号发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此外接一个上拉电阻。对于CMOS型的80C51、80C52等单片机和普通的8051不同的是其内部的时钟信号取自于反相放大器的输入端。因此外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空即可。根据实际应用，我们选择内部时钟电路，外接频率11.0592MHZ 的晶体振荡器，选择两个电容值为30pF的陶瓷电容。3.7报警电路图3.7报警电路蜂鸣音报警电路采用的是市场上常用的压电式蜂鸣器，然后通过STC89C52RC的一根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。本设计将温度上限设为1200。当温度高于1200时，蜂鸣器就会报警。第4章 软件设计方案主程序 主程序流程图如下图所示：图4.1主程序流程图4.1标度变换子程序 在使用热电偶测温时，热电偶产生的热电势与所测的温度是非线性函数关系，因此必须对热电偶的热电势进行线性化处理，使得热电偶的热电势与被测温度之间成线性关系。因为热电势与温度的量纲不同，热电偶把现场采集来得温度信号经过放大、A/D转换器转换成数字量，单片机读入这个数据后必须转换成量纲为的温度值，才能送到显示器进行显示。因为热电偶测出的数据与实际的参数不是线性关系，而且很难用一个简单的公式表达，因此，通常采用线性插值法进行线性化及标度变化。 环境温度t经过热电偶测量、冷端温度补偿后输出一个热电势信号Et(mV)，热电势信号经过放大器后输出05的电压信号u(V)，再经A/D转换输出数字信号N。 本设计采用S型热电偶测温仪表。S型热电偶的测量范围为01300,转换后的数字量是00HFFH。首先，根据分度表确定线性化转折点 表4.1 铂铑10-铂（S型）热电偶的线性化标度变换表温度t()热电势Et(mV)放大器输出u(V)转换值NT00000T11300.8720.33117T22601.9620.74538T33903.1641.20261T45204.4321.68486T56505.7532.101107T67807.1282.708138T79108.5623.253166T8104010.0513.819195T9117011.5904.404225T10130013.1595255 根据转折点，可以把热电偶热电势与温度所对应的数字量用如图所示的曲线来取代。图4.2热电偶转折点坐标 由图可知两个转折点之间温度与数字量是线性关系。编程时事先将转折点坐标（Niti）存入RAM中，A/D转换器输出的数字量N与存入RAM中的Ni 比较，确定函数关系，计算出环境温度。线性化标度变换子程序流程图如图4.3：图4.3线性化标度变换子程序流程图4.2 A/D转换子程序ADC0832输出的串行数据共5位，由两段8位数据组成，前一段是最高位在先，后一段是最高位在后，两段数据的最低位共用。只有在时钟的下降沿，ADC0832的串行数据才移出一位。由单片机控制时钟信号的发送，并由TXD发出，以达到控制ADC0832输出数据位的目的。为了得到一列完整的8位数据，单片机分两次采集含有不同位的数据，再合成一列完整的8位数据。精品文档图 4.4 A/D转换子程序流程图4.3LED显示子程序移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能。因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的LED段选码，然后由STC89C52RD的P0.0口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到LED的段选段。电路中设计了4位LED显示器，其功能为：从上至下分别为千位数、百位数、十位数和个位数。如图所示为显示子程序流程图：图4.5LED总结 本设计为对热电偶线性化LED显示的设计。在这短短的几周时间里，我经过李文涛老师及左鸿飞老师的指导，还有自我学习相关软件，完成了智能仪器的综合训练。通过这次设计训练，我确实学到了很多知识，还有自己搜索资料的能力以及在短期内自学的能力得到了进一步增强，同时熟悉了Keil 、Protel99、office word、visio、STC_ISP_V4.7.9下载软件等工具