基于pt1000的精密测温系统

毕业设计（论文）题目基于PT1000的精密测温系统所属院（系）电子信息工程学院2012年6月10日目录目录I摘要III第1章绪论111测温技术的概述与发展1111温标的发展1112温度测量的成果1113温度测量技术近年来的发展重点212本文设计的工作环境2第2章温度测量概述与原理分析321温度测量方法的分类及特点3211接触式测温方法3212非接触式测温422热电阻测温原理623铂热电阻温度计724PT1000概述825PT1000测温原理8第3章系统硬件组成1031总体系统框图10311系统介绍10312元器件选型1032PT1000测温系统的硬件组成11321热电阻的引线方式11322温度变送器ADT70123233V稳压模块TPS78930133245V稳压模块LM25761433主控单片机系统16331C8051F320单片机主要特性19332SPI总线介绍20333片内可编程比较器2134AD转换与LCD显示电路23第4章系统的软件结构2641软件流程图2642SPI总线工作原理2743AD7795编程2844液晶编程28第5章实测数据29第6章总结30参考文献31致谢32附录33基于PT1000的精密测温系统摘要温度控制精度对精密工业产品的质量有着决定性的影响，而高精度的温度测量时温度控制的前提，设计并实现了基于四线制温度变送器ADT70驱动PT1000的高精度温度测量系统，分析了温度测量中的恒流源、信号调理、AD转换等功能电路的工作原理和设计依据，给出了电路结构和电路参数。实验结果表明，该温度测量系统性能稳定可靠，测量误差不大于001。关键词PT1000铂电阻，温度测量，单片机，液晶显示HIGHPRECISIONTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMBASEDONPT1000ABSTRACTTHEACCURACYOFTEMPERATURECONTROLHASADECISIVEINFLUENCEONTHEQUALITYOFTHEHIGHPRECISIONINDUSTRIALPRODUCTS，ANDTHEPREMISEOFTHETEMPERATURECONTROLISTHEHIGHPRECISIONTEMPERATURE，MEASUREMENTTHISPAPERDESIGNSANDREALIZESTHEHIGHPRECISIONTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMBASEDONPT1000WHICHISDRIVENBYFOURWIRECONSTANTSOURCE，ITANALYZESTHEOPERATIONPRINCIPLESANDDESIGNBASISOFTHEFUNCTIONALCIRCUITSINTHISTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEM，WHICHCONSISTSOFCONSTANTCURRENTSOURCE，SIGNALPROCESSINGANDADCONVERSION，ITALSOGIVESCIRCUITSTRUCTURESANDPAREMETERSEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHISTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMHASSTABLEHASSTABLEPERFORMANCESANDHIGHRELIABILITIES，ITSERRORSISNOTGREATERTHAN001KEYWORDSPT1000，TEMPERATUREMEASUREMENT，SINGLECHIP，LCD第1章绪论11测温技术的概述与发展温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普通的测量项目。它在工业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高，温度测量技术也得到了不断的发展。111温标的发展在生产和科学研究中，为了便于测量结果准确一致，需要给物体冷热程度以定量的描述。因此，有必要建立适当的标尺来衡量物体的冷热程度，以便科学的描述物体各种性能随温度变化的关系。温标就是温度的数值表示方法，它是借助于随温度变化而变化的物理量来定义温度数值的。各种各样的温度计的数值都是由温标来决定的。所以可以说温标就是温度的标尺。温度是表示温度数值的一套规则，它明确了温度的单位。温度测量离不开温标的概念，温标是温度测量中的参照标准。随着社会生产及科学技术的进步，温标的复现也在不断的发展。大约每20年对温标做一次较大的修改或更新。1990年国际温标是根据第18届国际计量大会第7号决议的要求，由第77届国际计量委员会于1989年会议通过的。本世纪初国际权度局制定的“标准温标”范围从0100，其复现性为002，随着科学技术的发展，标准温标的复现精度大幅提高，前苏联计量科学研究院在0400范围内温标点精度达00005，美国标准局水三相点的温度复现性达00001。112温度测量的成果在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果，其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达00001，理论上可达000001，而且在40230范围内具有温度与频率的线性特性；日本利用所谓石英温度频率转换器可在80200温度范围内，最大分辨率达00001；美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计，电桥分辨率为000002；我国生产的石英温度传感器分辨率达到00001，误差在005以内，中国航天工业总公司702所研制的5901（STP1000）型粘贴式温度片，其静态测温精度为05，快速响应时间小于0013S。113温度测量技术近年来的发展重点传统的热电偶、热电阻测量方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点，在未来温度测量领域中依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展，其应用范围更加拓展。12本文设计的工作环境硬件环境各种元器件、电路板、仿真软件开发工具PROTEL99SE电路设计、MULTISUM仿真软件、SILICONLABORATORIESIDE单片机编程界面。第2章温度测量概述与原理分析21温度测量方法的分类及特点温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中七个基本物理量之一，它与人类生活、工农业生产和科学技术研究有着密切关系。随着人类社会的不断进步和科学技术水平的不断提高，温度测量技术也得到了不断的发展。温度测量方法有很多，也有多种分类。比如从测量时传感器中有无电信号可以划分为非电测量和电测量两大类；从测量时传感器与被测物体接触方式不同可以划分为接触式和非接触式两种等等。而每种测量方法中又有很多种类，如膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、光学温度计和红外温度计等。近年来，随着技术水平的进步，出现了更多新的测试方法。211接触式测温方法将接触式测温方法分为膨胀式测温、电量式测温和接触式光电、热色测温等三大类。接触式测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触，测量的是被测对象和传感器的平衡温度。在测量时除了会对被测温度有一定干扰外，还要保证传感器不与被测介质有化学反应，另外大多数接触式测量方法会存在导热误差、辐射误差等影响。2111膨胀式测温方法膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法，它主要利用物质的热胀冷缩原理，即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。2112电量式测温方法电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度的测量，包括热电偶温度测量、热电阻温度测量、集成芯片温度测量等。2113接触式光电、热色测温方法接触式光电测量方法主要是指通过接触被测对象，将温度变化引起的热辐射或其他光信号引出，通过光电转换器件检测其变化从而测量温度的方法。接触式光电测温方法本身使用辐射或光电原理进行温度测量，但在测量中传感器要和被测对象接触。因此这种测温方法兼具有两种测量方法的优点和缺点。首先是不像电量式测量方法一样容易受到电磁的干扰，可以应用在电磁环境下进行温度测量；另外可以避免非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。缺点是也会干扰被测对象的温度，带来接触式测温方法引起的一些误差。热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的。示温涂料是一些化合物或混合物，能够伴随外界温度的改变而迅速引起其固有颜色的变化，反过来可以根据其显示的当前颜色来测量温度。根据示温涂料变色后出现颜色的稳定性，可以分成逆型示温涂料和不可逆型示温涂料；又可根据涂层随温度变换所出现的颜色多少分为单变色示温涂料和多变色示温涂料。示温涂料根据材料的不同，可以覆盖室温到1600温度范围，测温误差大约在（1020）。示温涂料可以测量运动的物体或其他复杂情况表面的温度分布，使用简单方便，缺点是影响判别温度结果的因素比较多，如涂层厚度、判读方法、样板和示温颗粒大小等，目前主要还是靠人工判读。212非接触式测温与接触式测温相比，非接触式测温法不需要与被测对象接触，因而不会干扰温度场，动态响应特性也很好，但是会受到被测对象表面状态或测量介质特性参数的影响。2121辐射式测温方法辐射式测温方法都是建立在热辐射定律基础上的。当实际物体的辐射强度（包括所有的波长或大部分波长）与黑体的辐射强度相等，则黑体的温度称为实际物体的辐射温度；当实际物体（非黑体）在某一波长下的单色辐射亮度同黑体在同一波长下的单色辐射亮度相等时，则该黑体的温度称为实际物体的亮度温度；当黑体与实际物体（非黑体）在某一光谱区域内的两个波长下的单色辐射亮度之比相等，则黑体的温度称为实际物体的颜色温度。基于以上三种表现温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。不同结构类型的辐射高温计测量范围不同，目前定型的高温计可以覆盖503200的温度范围。2122光谱法测温非接触式的光谱法测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。它主要通过检测被测激发光谱信号进行温度测量。当单色光线照射透明物体时，会发生光的散射现象。散射光包括弹性散射和非弹性散射，弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射中的拉曼散射都的光强都与介质的温度有关。相比而言，拉曼散射光谱测温技术的实用性更好，其主要应用之一就是测量高温气体的温度。2123激光干涉测温方法激光散斑照相法、纹影法和干涉法均是基于光的干涉原理，都适用于高温火焰和气流温度的测量。基于干涉原理的各种光学方法测量介质的温度场，均可以等效为首先测量介质的折射率分布。它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化（即密度的变化）转变为各种光参量的变化，记录并处理后可以得到其温度和分布。2124声波、微波法测量声学测温是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关这一基本原理实现的，因此只要测的声速，就可以推算出温度。可以直接测量声波在被测介质中的传播速度，也可以测量放在被测介质中的细线的声波传播速度。这种方法可以用于测量高温气体或液体的温度，选用合适的细线材料，也适用于测量腐蚀性介质的温度。声波法测温在高温时有更高的灵敏度。温度测量方法接触式测温非接触式测温膨胀式测温电量是测温接触式光电、热色测温辐射式测温激光干涉测温光谱法测温声波、微波法测温压力式温度计测温双金属温度计测温玻璃液体温度计测温集成芯片测温半导体测温铂热电阻测温热电偶测温光导管测温光纤测温示温漆热像仪测温多光谱测温比色式测温亮度式测温全辐射测温激光散斑照相法测温纹影法测温、干涉仪法测温激光全息照相法测温光谱吸收法测温受激荧光光谱测温瑞利、拉曼散射光谱GARS测温超声波法测温微波衰减法测温图21温度测量方法22热电阻测温原理由于金属、半导体等的电阻随温度的变化而变化，这就使得我们有可能利用金属电阻的变化来测量温度，利用金属、合金或半导体的电阻的变化来测量温度的仪器叫做电阻温度计。电阻温度计使用方便，易于实现自动测量和控制，因此在各行各业中都得到了广泛的应用。电阻温度计的优点是准确度高；输出信号大，灵敏度高；测温范围广，稳定性好；不需要参考温度点。但是抗机械冲击差，元件结构复杂、尺寸较大，热响应时间长。原理上很多金属的电阻率都随温度变化而变化，可以作为电阻温度计的材料。但由于各方面因素的影响，只有若干种金属适于作电阻温度计的敏感元件，它们应满足以下要求（1）为了达到电阻和温度之间关系稳定，复现性好，要求在使用的温度范围内材料的化学和物理性质稳定。（2）电阻温度系数要大，这样才有一定的灵敏度。（3）电阻率要大，使敏感元件可以小型化。（4）电阻与温度必须单值对应，电阻与温度的关系线性要好。（5）材料要易于提纯，要能分批复制而不改变其性能，有良好的互换性。经过对大量材料的比较研究，适宜作测温元件的金属有铂（PT）、铜（CU）、镊（NI）、钨（W）等。其中以铂为最好，其次是铜。铂具有制造电阻温度计的很多优点，因此从ITS1927温标以来一直作为内插仪器，在工业上铂电阻的应用也非常广泛。铜的特点是电阻温度系数大，电阻温度关系近似于一条直线，铜易提纯而且价格便宜，因此在工业生产中广泛使用。但是它易于氧化，所以只能在低于150的温度下无腐蚀的环境中使用，镊与铜的情况类似。23铂热电阻温度计铂作为热电阻温度计的优点是（1）铂的物理性质和化学性质非常稳定，即使在高温下也不易氧化，除还原性介质外不与介质作用；（2）铂的温度系数大，在0100之间平均温度系数为左右；310925（3）铂的比阻较大，为；M2981（4）铂的电阻与温度关系平滑，可用一个比较简单的方程表示；（5）铂易提纯，可达很高的纯度。正因为铂具有制造电阻温度计的很多优点，因此从1927年国际温标（ITS27）以来一直选用它作为内插仪器。ITS90温标选用它作为138033K96178范围的标准内插仪器。铂热电阻温度计一般的使用范围是200850，其电阻和温度关系分成两个温度范围分别描述。对于2000的温度范围10132TCBTAROT在0850的温度范围2TOT式中温度为0时铂电阻的电阻值，；R温度为T时铂电阻的电阻值，；TT被测温度，；A常数，等于；13098B常数，等于；275C常数，等于。10834在工业生产和科研试验研究中大量使用工业铂电阻温度计（IPRT）。在我国一般习惯称为铂热电阻，国外称RTD。铂热电阻的主要型式有两种一种是由细铂丝绕制而成，丝的直径可以小到01MM，然后封装在金属、玻璃或陶瓷保护管内；另一种使用铂制薄膜作为元件，它又有厚、薄膜铂电阻之分。厚膜是将铂墨水印制在氧化铝制的载体上，然后再绕制，随后表面覆盖一层釉，再次焰烧以在铂元件的表面形成一层坚固的保护膜，它的使用温度不太高，约为500。另一种薄膜铂电阻是用真空溅射薄膜元件，经过光刻、镀保护膜，焊接引线而做成适宜于工业化大规模生产，是现在比较常见的工业铂热电阻。24PT1000概述PT1000是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的1000即表示它在0时阻值为1000欧姆，在300时它的阻值约为2120515欧姆。它的工作原理当PT1000在0摄氏度的时候他的阻值为1000欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。25PT1000测温原理铂电阻传感器是利用金属铂（PT）的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。按照IEC751国际标准，现在常用的PT1000（R01000）是以温度系数TCR0003851为标准统一设计的铂电阻。其温度电阻特性是对于2000的温度范围10132TCBTAROT在0850的温度范围2TOT式中温度为0时铂电阻的电阻值，；R温度为T时铂电阻的电阻值，；TT被测温度，；A常数，等于；13098B常数，等于；275C常数，等于。10834这样就可以把温度的测量装换为电阻值的测量，只要能精确地测出PT1000的电阻值便可以精确地测量出温度。第3章系统硬件组成31总体系统框图CPU5V电源模块LED显示开关温度测量模块33V电源模块电源图31系统总体框图311系统介绍PT1000温度测量系统主要由温度测量模块、CPU、LED显示、电源部分以及开关等组成。312元器件选型经过反复的筛选，所选用的器件既考虑到经济成本，又考虑到其精度问题，主要用到以下器件铂电阻PT1000、单片机C8051F320、AD转换芯片AD7795、铂电阻温度变送器ADT70、5V稳压电源芯片LM2576、3V稳压电源芯片TPS78930、液晶显示器MZLH0412864。32PT1000测温系统的硬件组成321热电阻的引线方式二线制在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制，这种方法引线简单，但由于连接导线存在电阻误差，不适合精度要求较高的场合。三线制在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端引出两根线，这种接线方式叫做三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。四线制在热电阻的两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定的电流I，把R的变化转换成电压信号U的变化，再通过另两根引线将U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度测量。在热电阻中，由于PT1000具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压而且线性度好的优点，因此在该设计中我们选用PT1000做为测温传感器。PT1000是铂热电阻，其外形如图所示，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的1000即表示它在0度时阻值为1000欧，在100度时它的阻值约为1385欧。图32PT1000实物图322温度变送器ADT70铂电阻必须配以专用的变送器才可以高精度的工作，在此次设计中我们选用ADT70。ADT70为铂电阻提供激励源和信号整形电路，专为PT1000型铂电阻设计使用，并允许一个宽温度范围。它也可以容易地应用于PT100铂电阻。使用一个低成本的薄膜铂电阻，ADT70的测量范围是50度500度。使用高效能的铂电阻，这个温度可扩展至1000度。ADT70PRTD系统的精确测量范围可以从200度1000度并取决于铂电阻的质量。ADT70的典型应用电路可在满量程内使误差减小为1度，并且此误差可通过修正后变为0。ADT70内部含有两个1MA的电流源，一个精密仪用放大器，一个25V基准源和一个独立的运算放大器，另外ADT70有一个关断控制引脚以使它工作在低功耗模式，它可以使ADT74的电流由4MA降到10A。用5V单电源或/5V双电源供电,传感器用四线制方式，可消除由铂热电阻引线而造成的测温误差。ADT70的内部结构框图如图39所示。单电源供电基本应用电路如图310所示，芯片内部包含25V基准电压源、2个对称输出式电流源、仪表放大器A1、运算放大器A2以及低功耗控制电路等。图33ADT70内部结构ADT70与PT1000组成的电路如下图所示，为了得到一个精密的电流源，在NULLA与NULLB之间必须加上一个50K的电位器，其中间抽头与VS连接，BIAS引脚与25V基准源输出连在一起，但如果需要不同的电流，它也可以连接到外部其它电压基准。INOA、INOA、OUTOA组成的运算放大器在这里构成一个电压跟随器，向外部提供25V的电压基准。SHUTDOWN是一个芯片控制端口，接在单片机的I/O上，当单片机送一个高电平给它时，ADT70正常工作，工作电流为4MA，当电平为低电平时，芯片处于关断状态，工作电流为10A。VS1GND2REFOUT3BI4UL567890REOTHWJKMPF图34ADT70应用电路两个电流源IOUTA、IOUTB分别为传感器与基准电阻提供恒定的电流，使电阻的值与转换输出的电压值一一对应。若想使用PT1000铂电阻，则RG两端必须接一个499K的偏置电阻来调节OP的放大系数。在这里，OP的输出会以5MV/C的速度变化，将该信号送给AD转换芯片AD7795，转换后的数字量送给单片机，供单片机处理并显示出来。3233V稳压模块TPS78930TPS78930是一个低压差稳压器，拥有低功耗、低噪声以及微小的尺寸，并且拥有极小的工作电流。在其内部有一个电阻与外部的旁路电容构成一个低通滤波器，有效地减少了噪声。TPS78930通过一个001的旁路电容和一个10的输出电容建立了一个FF仅56输出电压纹波。待机模式仅仅1的静态工作电流。100MA时的典型输入输RMSVA出电压差为115MV。其管脚及内部结构图如下图35TPS78930管脚图图36TPS78930内部结构图在其内部传统的PNP三极管用一个PMOS调整管所代替。因为PMOS调整管拥有较低的电阻值，使得输入输出的电压差变得很小，典型值为在100MA负载电流下的压差为115MV，并且与负载电流是成比例的。应用电路如下图所示IN1GD2EOUTBYPAS47890JCFRUF图37TPS78930应用电路3245V稳压模块LM2576LM2576系列的稳压器是单片机集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能驱动3A负载、有有意的线性和负载调整能力，这些器件的固定输出电压有33V、5V、12V、15V，还有可调整输出的型号。这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减到最少，使用简便。LM2576的效率比流行的三段线性稳压器要高的多，是理想的替代，一般情况下不需要或只需要很小尺寸的外加散热片。其他特征包括在指定输入电压和输出负载条件下保证输出电压的误差，以及振荡器频率的误差，还包括外部的关断电路，特410征有50的待机电流。输出开关包括逐周限流，以及在故障状态下提供安全保护的热关A断功能。特点33V、5V、12V、15V和可调节输出电压型号。可调节输出型号输出电压范围在线性和负载条件下123V37V（HV型号为57V）最大。4保证3A输出电流。输入电压范围广，40VHV型号的60V。只需4个外部器件支持。52KHZ固定频率的内部振荡器。TTL关断功能，低功耗待机模式。高效率。使用现成可用的标准电感。热关断及电流限制保护。本次设计中使用LM2576的固定5V输出型电源芯片，具体电路如下图图38LM2576应用电路33主控单片机系统该系统选用C8051F320单片机，相比传统的51单片机而言，其内部有丰富的资源，在本次设计中，单片机的内部资源也得到了充分的应用。AD转换和LCD显示用到了SPI总线模式；超声波接收电路的比较部分用到了单片机的可编程比较器；而时间计数部分用到了PCA可编程计数阵列和两个定时/计数器。两个外部中断对系统运行的快速性也起到了积极的作用。以下对SPI及内部比较器做详细介绍。其内部原理图如图311所示图39C8051F320单片机内部资料分配图SILICONLABORATORIES是由NAVSOOCH、DAVEWELLAND和JEFFSCOTT在1996年于美国德州奥斯汀AUSTIN,TEXAS成立，专门开发世界级的混合信号器件。SILICONLABORATORIES首款产品是个人计算机的模拟调制解调器；十年后，公司已成为营运、销售和设计活动遍及世界各地的跨国企业。SILICONLABORATORIES成立仅两年就转亏为盈，随后又在2000年顺利完成公司股票的首次公开发行IPO。今天，SILICONLABORATORIES已经是一家资本额约5亿美元的上市公司，并且在各种混合信号产品领域居于领先地位。“只有极少数公司能像SILICONLABS一样保持稳定的成长与获利。我们努力为所做的每一件事情追求卓越，这不仅让我们创造出一家拥有强大产品阵容和财务绩效的公司，还有永续发展的价值导向文化和对社会的回馈。”SILICONLABORATORIES共同创始人暨董事长NAVSOOCH表示，“我们对过去十年的员工成就备感骄傲，对未来的业务潜力更感乐观。在下个十年里，我们将运用更丰沛的资源、世界一流的混合信号工程师团队和学习循环能力把我们的技术领先优势扩大到更多新市场。”备受肯定的混合信号领导者SILICONLABORATORIES产品广获业界重要刊物的认可，迄今已赢得20多项设计奖。公司还在许多半导体市场迅速取得领导地位，并且销售将近20亿颗CMOS混合信号器件，包括10亿颗模拟调制解调器芯片，获得全球超过一半的个人计算机与卫星机顶盒6亿颗AEROGSM/GPRS收发器，用于数百款不同的移动电话8,000万颗VOIP器件，用于多数VOIP产品将近4,000万颗微控制器和超过5万套微控制器开发套件“随着我们所处的模拟世界与计算机所在的数字世界持续汇集，混合信号已处在下一代创新的最前线。未来十年里，我们将看到便携式装置的耗电更少和电池寿命更长，大幅强化这些产品的功能汇集。广播技术将具备高度便携性；电源供应、无线网络和远距监控将变得司空见惯，带宽需求也会越来越大。”SILICONLABORATORIES总裁暨执行长NECIPSAYINER表示，“这将带来一个适合创新的市场，使得技术的成本更低、耗电更少和更容易使用。我们在这个环境表现杰出，未来十年更将在所处的竞争领域里开发更多创新产品。”财务优势SILICONLABORATORIES一直是德州公认成长最快的企业之一，以最佳实务为基础所建立的财务结构确保公司拥有最健全的财务绩效和不断增加的资金可供运用，目前的结余现金已超过4亿美元，而且完全没有负债。这种稳健的财务管理让公司持续投资于研发，进一步扩大公司专利的混合信号产品阵容。赢家文化SILICONLABORATORIES曾获员工票选为德州中部最佳工作地点之一，赢家文化WINNINGCULTURE让公司在成长过程专心一致。SILICONLABORATORIES员工对于他们所致力的核心价质备感自豪，这包括开放透明的沟通方式、持续创新、坚持质量、合作工作环境以及对于争取胜利和商业成功的强烈企图心。SILICONLABORATORIES致力将其营收成果与社会分享，同时捐赠资金和主动支持超过40个当地社团，这使得奥斯汀的生活质量有了非常明显的进步。SILICONLABORATORIES（芯科实验室）成立于1996年，位于美国德州奥斯汀市，是一家专业研发设计类比电路及混合信号IC的公司，为成长快速的通信产业设计等提供广大应用。SILICONLABORATORIES8051混合信号微处理器C8051FXXX系列，经过严格的调测，与全球领先的模拟器件、高速传输8051CPU、ISPFLASH存储器、JTAG结合为一体。通过高品质模拟器件、100MIPS8051中心以及内置可编程系统，可以为客户提供完全的设计弹性、更短的产品开发周期、可靠的系统品质、卓越的终端产品特性。SILICONLABORATORIES公司的C8051F320单片机是完全集成的混合信号系统级芯片SOC，具有与MCS51完全兼容的指令集。该系列单片机机器周期由标准8051的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，大大提高了单片机的速度，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了处理能力。C8051320F320单片机具有片内C2调试模式，通过JTAG接口可以对板上器件进行非侵入式、全速的系统调试。SILABSIDE软件支持观察和修改存储器、寄存器，支持断点运行，堆栈指示器和单步执行。调试时不占用MCU的其它资源，并且所有的模拟和数字外设都正常地工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设ADC除外都停止运行，以保持同步。令外，该单片机采用33V供电，工作电流20MA以下，可谓是低功耗单片机。331C8051F320单片机主要特性高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达25MIPS）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1KFIFORAM电源稳压器（5V至3V）真正10位200KSPS的17通道单端/差分ADC，带模拟多路器片内电压基准和和温度传感器片内电压比较器（两个）高精度可编程的12MHZ内部振荡器和4倍时钟乘法器16KB可在系统编程的FLASH存储器2304字节片内RAM（2561K1KUSBFIFO）硬件实现的SMBUS/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口4个通用的16位定时器具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器25/21个端口I/O（容许5V输入）C8051F320是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内SILICONLABS二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（45到85）内用27V36V的电压工作。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。332SPI总线介绍其中我们所用到的SPI0总线是增强性外设接口。SPI0提供访问一个全双工同步串行总线的能力。SPI0可以作为主器件或从器件工作，可以使用3线或4线方式，并可以同一总线上支持多个主器件和从器件。从选择信号（NSS）可被配置为输入以选择工作在从方式的SPI0，或在多主环境中禁止主方式操作，以避免两个以上主器件试图同时进行数据交换时发生SPI总线冲突。NSS可以被配置为片选输出（在主方式），或在3线操作时被禁止。在主方式，可以用其他通用端口I/O引脚选择多个从器件。其原理图及所用到的寄存器如图所示图310SPI总线工作原理图由原理图可知，若要正常使用SPI，就必须对时钟速率寄存器SPI0CKR、配置寄存器SPI0CFG、控制寄存器SPI0CN进行配置。另外，320单片机的端口为采用浮动的交叉开关配置型的，在使用之前必须对其进行配置，才能将SPI总线信号引出单片机引脚。SPI所使用的有四个信号引脚MOSI、SCK、MISO、NSS。其中MOSI为主输出从输入信号。SCK为串行时钟信号。MISO为主输入从输出信号。NSS的功能取决于NSSMD1与NSSMD0位的设置。333片内可编程比较器该系统还使用到了片内的电压比较器，该单片机共有两个片内比较器，其原理图如图所示图311比较器工作原理图C8051F320/1器件内部的电压比较器，可以由用户软件使能/禁止和配置。端口I/O引脚可以通过多路选择器被配置为比较器输入。如果需要，可以将两个比较器输出连到端口引脚一个锁存输出和/或一个未锁存的输出（异步）。比较器的响应时间是可编程的，允许用户在高速和低功耗方式之间选择。比较器的正向和负向回差电压也是可配置的。比较器能在上升沿、下降沿产生中断，或在两个边沿都产生中断。当MCU工作在空闲方式时，这些中断可用于唤醒MCU。比较器0还可以被配置为复位源。主控在系统中的接线如下图312主控接线图34AD转换与LCD显示电路AD在系统中是模拟量与数字量的桥梁。电源的POW_INT、超声波的时间扩展电路、两路温度转换电路都需要进行AD转换，因此外扩一个AD转换芯片是有必要的，AD7795是一个6差分，16位低功耗、低噪声、型AD，并带有片上程控放大与内部基准电路。内部结构如图所图313AD7795内部原理图由内部原理图可知，我们在进行转换时，可以配置其基准源为内部或外部，经过多路选择器后再经过缓冲和放大后给了AD转换电路，串行接口和逻辑控制模块再将转换结果以串行数据的形式送给单片机。其应用电路如图所示图314AD转换原理图为了确保AD转换的精度需要在AD779513管脚处外加一个125V电压基准。125V电压基准用芯片MAX6161提供，具体接线如下图所示12456JMAXC0UF图315基准源LCD在，电路中主要起到一个显示的功能，其通信协议与AD7795一样，也是SPI总线形式。因此，其接线也相对简单，如图所示图316LCD接线图第4章系统的软件结构41软件流程图主函数的编程主要就是协调各功能模块的工作、显示以及电源监控的功能。各功能模块主要包括温度测量模块、液晶显示模块等。初始化电量充足功能模块测试正常温度测量计算温度值切换显示模式显示电量检测报警电路休眠NYNY图41软件流程图由于上电后单片机从主函数开始执行，在第一步需进行初始化操作，其中包括对内部比较器、SPI总线、中断源、IO端口进行配置，并对各外部电路进行初始化。例如今NE555禁止输出，清除超声波接收端的中断标志等。为使电池不至于过放，在初始化完成后，对电波电量进行检测，此数据经过按键电路的两个分压电阻后送给AD7795，并将电压值转换为数字量，在程序里与设定值进行比较。如果电量不足，会发出报警，并使外部器件CS端置高，然后使单片机处于低功耗方式。如果电量充足，则进行下一步，对各个模块的性能进行试用，也就是功能模块测试，如果某电路出现故障，单片机会发出报警信号，该信号由两个LAMP的不同状态组成。以防止人们在未发现故障时误使用该产品。各功能测试正常后，就开始正常工作，首先由ADT70输出一个电流给PT1000，将温度值转换成为固定的电压值然后送给了AD7795，然后单片机读取AD7795里的数据通过计算便算出了此时的温度值。然后通过液晶显示将其显示出来。在一个周期完成后，为防止在工作过程中电池过放，此时再进行一次点量检测，为此一个完整的工作过程就完成了。温度测量和电量检测程序在系统中，重要的一环不光是超声波流量的测量，温度测量也同样重要，由于电路上的复杂性，使我们的程序处理相对简单，只需经过一次AD转换电路即可，然后再通过一定的数学表达示计算出来，电量检测也是同样的道理。因此，对AD7795的编程显得尤为重要，下面叙述对AD7795的编程。42SPI总线工作原理数模转换和液晶显示都用到了SPI总线的编程，所以对SPI的编程介绍如下SPI总线上的所有数据传输都由SPI主器件启动。通过将主允许标志（MSTEN，SPI0CFG6）置1将SPI0置于主方式。当处于主方式时，向SPI0数据寄存器（SPI0DAT）写入一个字节时是写发送缓冲器。如果SPI移位寄存器为空，发送缓冲器中的数据字节被传送到移位寄存器，数据传输开始。SPI0主器件立即在MOSI线上串行移出数据，同时在SCK上提供串行时钟。在传输结束后SPIF（SPI0CN7）标志被置为逻辑1。如果中断被允许，在SPIF标志置位时将产生一个中断请求。在全双工操作中，当SPI主器件在MOSI线向从器件发送数据时，被寻址的SPI从器件可以同时在MISO线上向主器件发送其移位寄存器中的内容。因此，SPIF标志既作为发送完成标志又作为接收数据准备好标志。从从器件接收的数据字节以MSB在先的形式传送到主器件的移位寄存器。当一个数据字节被完全移入移位寄存器时，便被传送到接收缓冲器，处理器通过读SPI0DAT来读该缓冲器。43AD7795编程AD7795的编程主要有配置子函数，检测子函数和转换子函数组成。对于配置子函数，主要是写模式寄存器，在这里我们把它写成单次转，外部时钟，斩波使能，开PSW，并写IO寄存器为0。在检测寄存器中，先复位AD7795，然后读取配置寄存器，模式寄存器的值，如果和默认值相同，则表明该芯片正常。对于AD转换，我们要一个通道一个通道的读取，而每次转换完成会在RDY输出一个低电平,来判断转换是否完成。由于在整个设计中，AD转换的重要性很大，能不能正确的编程对系统的影响明显，所以需对AD进行合适的编程。44液晶编程对于液晶的编程，有相应的控制指令字，如下所示表41液晶命令字表命令功能命令功能命令功能80清屏01绘点07显示ASCII81设置ASCII02画直线08显示汉字82汉字类型03矩形框0B显示UCHAR83设置绘图色04矩形0CUSHORT89字符覆盖模式05圆框0E位图显示8A背光亮度06圆注以上数字均为16进制数，如果相对LCD进行操作，只需对相应控制字进行更改即可，读取数字亦是如此。