智能热电偶测温系统设计

1、摘摘 要要温度是表征物体冷热程度的物理量。在工农业生产和日常生活中，对温度的测量控制始终占据着重要地位。温度传感器应用范围之广、使用数量之大，也高居各类传感器之首。本文使用温度传感器设计了一个完整的测温系统。该系统所采用的温度传感器为热电偶，A/D 转换器件为 ADC0809，微型计算机采用的是 MCS-51 单片机。系统将温度变换、显示和控制集成于一体，用软件实现系统升、降温的调节，控制采用了模糊控制原理对系统进行控制。设计的系统所满足的技术指标：测温范围为 500800，响应时间为小于等于1s，误差范围为-5+5。关键词关键词：热电偶 A/D 转换 模糊控制ABSTRACTTemperat

2、ure is the physical quantity of symptom object cold hot level. In the daily life and production of industry and agriculture, occupy important position all along for the measure control of temperature. Temperature sensor application broad scope and use big quantity, also hold the head of each kind of

3、 sensor high. This paper uses temperature sensor and has designed , is a and complete to measure warm system. The temperature sensor adopted by this system is thermocouple, the converter of A/D is ADC0809, what personal computer adopt is that MCS-51 only flat machine. System alternates temperature ,

4、 shows and controls to be more integrated than one body , realizes system with software to rise , cool down regulation, control has adopted vague control principle as system controls. The technical index of design satisfied by system: Measure warm scope is 500 800 , respond time to be smaller than i

5、s equal to 1 s, scope is error - 5 + 5. Keyword: Thermocouple Conversion of A/D Vague to control 目目 录录第一章第一章 绪论绪论.1第二章第二章 系统设计系统设计.2第三章第三章 硬件结构及分析硬件结构及分析.43.1 温度检测元件热电偶.43.1.1 热电偶的特性.43.1.2 热电偶的基本定律.53.1.3 热电偶测温.63.2 电源电路.93.3 测量电路.103.4 滤波电路.113.5 控制电路.123.6 A/D 采集部分原理.133.6.1 A/D 转换器概述.133.6.2 逐次逼

6、近式 A/D 转换原理.133.7 显示部分原理.153.8 键盘部分的应用.163.8.1 键盘的工作原理.163.8.2 矩阵式按键接口.173.8.3 键盘、显示器组合接口.19第四章第四章 控制软件及流程控制软件及流程.224.1 键盘、显示及 A/D 转换.224.2 控制程序.244.2.1 控制程序原理.244.2.2 模糊控制在该系统中的实现.25总总 结结.29致致 谢谢.30参考文献参考文献.31第一章第一章 绪论绪论检测与传感是实现单片机控制的关键环节，它与信息系统的输入端相连，并将检测的信号输送到信息处理部分，是单片机控制系统的感受器官。在科学实验和生产实际中，很多物体

7、和现象具有明显和稳定的数量特征，我们可以通过测量和计算，确定该量的大小，并用数字给出结果，还有一些物体特征数量较少，或某些现象不十分明显，常常被很多其他量或现象所掩盖，能否检出这些被掩盖量的存在，进而得出这些量的大小数值，都需要传感和检测技术。在科学技术的研究、工业生产应用的过程中，对这些量不仅要进行测量，而且要对其进行控制、变换、传输、显示等。在实践的过程中，人们逐步认识到电量具有易测等许多优点，而且大多非电量可以精确的转化为电量，这就是所谓的非电量测量技术。在单片机控制系统中信号检测主要就是应用这种非电量测量技术。本文就是采用了非电量测量技术，用热电偶将温度这一非电量转化为电量，在通过信号

8、调理电路对输出信号进行放大、滤波，并送 A/D 转换，最后送单片机处理并实现对后续电路的控制。在加热过程中，我们采用了可控硅调压控制的方案，因为可控硅控制方法简单，元件的性能可靠，使用时不易损坏，且成本较低，故在设计中采用了可控硅元件进行调压。加热对象为电阻性元件（如碳棒等） 。由于被控对象是温度，且恒温箱体的热容量大，热惯性大，在加热过程中容易产生超调和震荡现象，控制精度难以实现。本设计采用模糊控制的方法，不仅控制程序较为简单，而且能达到较好的控制效果。第二章第二章 系统设计系统设计该系统的基本组成如图 2.1 所示。传感器放大器滤波器A/D转换器加热装置单片机键盘 显示图 2.1 系统原理

9、框图 如上图所示，本系统由传感器、放大器、滤波器、A/D 转换电路、单片机及键盘和显示电路组成。 温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接的获得。温度传感器的基本工作原理正是利用了这一性质。随着科学技术的发展，现已开发出种类繁多的温度传感器。常用的温度传感器由 P-N 结温度传感器、热敏电阻温度传感器、集成温度传感器、热电阻及热电偶温度传感器等。其中，P-N 结温度传感器有较好的线性度，热时间常数约 0.2s2s,灵敏度高，其测温范围为-50 +50。其温度与压降的关系如图(2.2)所示。这种温度传感器的缺点是，同一型号的二极管或

10、三极管的特性不一致。热敏电阻是电阻式传感器。它利用阻值随温度变化的特性来测量温度。一般把由金属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻。热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用于精确测量，主要用于电路温度补偿和保护。集成温度传感器实质上是一种集成电路。它的线性好、灵敏度高、体积小、使用方便，但其测温范围窄，只可测 180以下的温度。 图 2.2 二极管的 V-T 特性热电阻的基本材料有铂、铜和镍，其阻值随温度的升高而增大。其中铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，为-200600，但价格高。铜电阻测温范围窄，为-50+150。热电偶测温范围宽，一般为-50+1600

11、，最高的可达 2800，并且有较好的测量精度。另外，热电偶已标准化，系列化，易于选用，可以方便的用计算机做非线性补偿，因此应用很广泛。因为该系统测温范围为 500800，所以经比较采用热电偶作为温度传感器。热电偶使用时用二极管构成温度补偿电路，二极管的线性度好，且用这种方法构成的补偿电路与以往电路比较，性价比高。热电偶的输出信号较小，所以放大器选用低失调低漂移运放 OP-07，组成增益可调的差动结构。该差动结构一方面用于放大热电偶的输出信号，另一方面用于与二极管构成的温度补偿电路的输出值相减。因为热电偶的输出信号小，所以有一点干扰也会对输出产生很大影响。该系统的干扰主要以 50HZ 及其以上的

12、频率的干扰为主，所以采用两级低通滤波器滤除干扰。滤波器用的是有源低通滤波，其转折频率为 10HZ。系统的设计指标要求测量精度在-5V+5V 范围内，响应速度为小于等于1mS。ADC0809 为逐次逼近式 A/D 转换器，转换精度约为 1/256，转换速度约为120uS，所以选用 ADC0809 完全可以满足系统要求。通过单片机完成键盘控制、显示及对加热系统的控制。键盘采用 4*4 矩阵式键盘，用四个数码管显示温度值，采用动态显示。对加热装置的控制通过单片机控制可控硅的导通角来完成。因为可控硅控制方法简单、性能可靠、不易损坏且成本较低，故在设计中采用了可控硅元件进行调压来控制加热，加热对象为电阻

13、性元件（如碳棒等） 。控制原理采用模糊控制，因为被控对象是温度，且恒温箱体的热容量大，热惯性大，在加热过程中容易产生超调和震荡现象，控制精度难以实现。本设计采用模糊控制的方法，不仅控制程序较为简单，而且能达到较好的控制效果。第三章第三章 硬件结构及分析硬件结构及分析3.1 温度检测元件温度检测元件热电偶热电偶3.1.1 热电偶的特性热电偶的特性基于热电效应原理工作的传感器称为热电偶传感器，简称热电偶。热电偶的测温范围宽，一般为50+1600，最高的可达 2800。并且有较好的测量精度。另外，热电偶已标准化，产品系列化，易于选用，可以用模拟法调整电路或仪表，也可以方便地用计算机作非线性补偿，因此

14、它是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。如图 3.1 所示，两种导体（或半导体）A 或 B 的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合回路。若两个接点处于不同的温度，导体 A 和 B 的电子的逸出电位不同（即逸出功不同） ，电子密度不同，因而在他们的接触面处电子向对面流出的量不同，一面有多余电子，另一面缺少电子，便产生接触电动势（称为热电势） ，在回路中产生电流。图中导体（或半导体）A 和 B 称为热电极，它们组成热电偶 AB。测温时接点（1）置于被测温度场中，称测温端（或工作端，热端） ；接点（2）一般处于某一恒定温度，称参考端（或自由端，冷端） 。AABTT0(1)(2)图 3.1 热电

15、效应示意图 热电偶产生的热电势与两个电极的材料及两个接点的温度有关，由单一导体的温差电势和两种导体的接触电势组成，通常写成。),(0TTEAB 温差电势是指一根匀质的金属导体，当两端的温度不同时，其内部产生的电动势。温差电势的形成是由于导体内高温端自由电子的动能比低温端自由电子的动能大。这样，高温端自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率大，使得高温端因失去一些电子而带正电，低温端因得到一些电子而带负电，从而两端形成一定的电位差。根据物理学推导，当导体 A 两端的温度分别为 T，时，温差电势可由下式表示0T （3-1）dtTTETTAA0),(0式中导体 A 的温差系数。A同理导体 B 的

16、温差电势为 （3-2）dTTTETTBB0),(0当 A，B 两种金属接触在一起时，由于两种金属导体内自由电子密度不同，再结点处就会发生电子迁移扩散，若金属 A 的电子密度大于金属 B 的电子密度，ANBN则由金属 A 扩散到金属 B 的电子数要比从金属 B 扩散到金属 A 的电子数多。这样，金属 A 因失去电子而带正电，金属 B 因得到电子而带负电，于是在接触面处形成电场。此电场将阻止电子由金属 A 进一步向金属 B 扩散，直到扩散作用与电场的阻止作用相等时，这过程便处于动态平衡。此时，在 A，B 两金属的接触面形成一个稳定的电位差，这就是接触电势。接触电势写成，表示它的大小与两金属的材料)

17、(TEAB有关，也与接触面处的温度有关。由物理学推导，接触电势的表达式为 (3-3)BAABNNeKTTEln)(式中 K波尔兹是常数；T接触处的绝对温度；e电子电荷量；，分别为金属 A，B 的自由电子密度；ANBN对于图 3.1 所示的由 A 和 B 两种导体构成的热电偶回路，热端和冷端温度分别为 T，时，其总热电势用表示，它等于整个回路中各接触电势与各温差0T),(0TTEAB电势的代数和。即 (3-4)TTABBAABdtNNTTKTTE0)(ln)(),(00上式右边第一项称接触电势，第二项称温差电势，接触电势一般大于温差电势。由上式可见，如果 A 和 B 两导体的材料相同，即=，=，

18、即使两端ANBNAB温度 T，不同，总电势也为 0，因此热电偶必须用两种不同成分的材料作热电极。0T此外，如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即 T=，总的热0T电势也为 0。3.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律一 、中间导体定律在实际应用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入测量热电势的仪表。热电偶回路中接入测量仪表和连接导线相当于热电偶回路中接入第三种导体。可以证明：“在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种导体两端的温度相同，就不会影响热电偶回路的总热电势。”这就是热电偶的中间导体定律。根据中间导体定律，我们可以在回路中引入各种仪表和连接导线，而不必担心会对热

19、电势有影响。同时也允许采用任意的焊接方式来焊制热电偶。而且，应用这一定律，还可以采用开路热电偶测量液态金属和固体金属表面的温度。利用这一原理时应特别注意热电偶和仪表的两连接端温度必须相等或极近似。但在一般情况下，因热电偶的参比端都靠近被测对象，所以有较高或变化不定的温度，在这种情况下，应首先将参比端设法引到一温度比较恒定并且和仪表所在地点有极近似温度的地方，然后才能运用这一原理。二 、中间温度定律热电偶 AB 在接点温度为 T，时的热电势等于该热电偶在接点温度 T，和，0TnTnT时的热电势之和。即0T=+ (3-5),(0TTEAB),(nABTTE),(0TTEnAB称为中间温度。这个中间

20、温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。nT只要求得参考温度大于 0时的“热电势温度”关系，就可以根据该定理求出参考温度不等于 0时的“热电势温度”关系。即= （3-6）),(0TTEAB)0 ,()0 ,(0TETEABAB三 、标准电极定律由 3 种材料成分不同的热电极 A，B，C 分别组成 3 对热电偶，在相同结点温度（T，）下，如果热电极 A 和 B 分别与热电极 C（标准电极）组成的热电偶所产生0T的热电势已知，则由热电极 A 和 B 组成的热电偶的热电势可由下式求出： = （3-7）),(0TTEAB),(),(00TTETTEBCAC标准电极 C 通常由纯度很高，物理化学性能

21、非常稳定的铂制成，称为标准铂热电极。利用标准电极定律可大大简化热电偶选配工作，只要已知任意两种电极分别与标准电极配对的热电势，即可求出这两种热电极配对的热电偶的热电势而不需要测定。3.1.3 热电偶测温热电偶测温一 、测温原理和方法热电偶两个电极的材料确定后，热电偶的热电势就只与热电偶两端温度有关。如果使参考端温度恒定不变，则对给定材料的热电偶，其热电势就只与工作端温度0TT 成单值函数关系，即 = （3-8）),(0TTEAB)(Tf这个函数关系就是热电偶测温的原理。在热电偶中，A、B 热电极材料的电子密度与温度有关，但其严格的数学函数关系是难以准确得到的，故热电势与温度的一一对应关系不是用

22、计算的方法而是用实验的方法得到的。对给定的热电偶通过实验测得=0时，T 取不同温度时的热电势数据，形成“热电势温度 T 对应0T)0 ,(TEAB关系数据表”称为该热电偶的分度表。有了这个分度表，今后在用该热电偶测量温度时，只要测得该热电偶的热电势，就可查分度表，确定出对应的被测)0 ,(TEAB温度的数值 T，这种方法称为查表法。如果把热电偶与专用的测量仪器配套使用，通常该测量仪器的刻度就按热电偶型号所对应的分度表标定成温度数值，这样在用该热电偶及其配套测量仪器测温时，如=0，便可直接从仪表上读取温度值 T，这种方法称为直接法。0T一般来说，热电偶的分度表和相配的测温仪表都是规定在参考温度为

23、 0的情0T况下使用的。在参考温度为已知值但不是 0的情况下，应采取如下计算修正的办0T法。若用查表法测温，则应在测出和已知后，先从分度表上查出与对),(0TTEAB0T0T应的值，再按（3-5）式计算出值,)0 ,(0TEAB)0 ,(TEAB即=+ （3-9）)0 ,(TEAB),(0TTEAB)0 ,(0TEAB最后从分度表查出与对应的温度 T 值。)0 ,(TEAB若采用直接法测温，因此时的热电势是且0，而仪器刻度确实按),(0TTEAB0T照“与 T”的关系刻度的，故此时仪表指示温度“T”并不是真实温度 T。)0 ,(TEAB通常热电偶测温仪器产品说明书上都会给出与指示值 T 相对应

24、的修正系数 k 值,应按下式计算出真实温度 T： （3-10）0 kTTT二 、热电偶的冷端温度校正为了使热电偶的热电势与被测温度呈如（3-8）式的单值函数关系,需要使热电偶的冷端温度保持恒定或进行其它处理。1、冷端的恒温方式把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的冷端置于其中，在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在 0，这时热电偶输出的热电势符合分度表的对应关系。这种方法称为冰浴法，适用于实验室且无须校正。使冷端保持恒温的方法，也可以将冷端置于恒温槽中，在恒温槽内充油，冷端置于油中，以改善冷端温度的稳定性。亦可将冷端置于温度变化缓慢的容器中或置于深埋于地下的

25、铁盒或充满绝热体的铁管中等等。上述方法的冷端温度 T 0,因此必0须校正。2、冷端延伸工业测温时，被测点与指示仪表间往往有很长的距离，如果将热电偶直接延长到很远的地方，对于价格很高的贵金属来说，显然是不可能的。即使是对于普通廉价金属热电偶来说也是浪费材料。因此应设法找到一种导线，使它在温度为 0150范围内，其热特性与热电偶近似相同，而且价格便宜。这种导线叫做热电偶补偿导线或称作延长导线，为保证接入补偿导线后不影响原热电偶回路热电势的测量值，必须注意以下几点：（1） 补偿导线的热特性在一定范围内（一般为 0150） ，要与所配用的热电偶的热电特性相同，即满足= （3-11）),(0TTEnBA

26、),(0TTEnAB（2） 补偿导线与热电偶的两个接点的温度必须相同，且不得超过规定的范围。（3） 补偿导线的正负极以其绝缘层的颜色来区分。在使用时，一定要使补偿导线与热电偶的同性电极相接，切不可反接。不同的热电偶要求配用不同的补偿导线。对于廉价金属热电偶，其补偿导线就采用与其电极材料相同的合金丝。而对于贵重金属热电偶，通常用实验方法找出热电特性相同的廉价合金丝作为补偿导线。3、冷端温度补偿使冷端温度保持恒定需要用冰浴法或恒温槽，而且当 T 0时还须用计算修正0测量结果，因此不大方便。在实际热电偶测量中经常使用的是能自动补偿冷端温度波动对温度指示值影响的“冷端自动补偿”方式。这种自动补偿方式是

27、在热电偶与测量仪表间接入一个直流电桥补偿电桥，基本原理如图 3.2 所示。R1，R2，R3 和 Rc与热电偶冷端处于相同环境温度下。其中 R1=R2=R3=1，且都是锰铜电阻，而 Rc是铜线绕制的补偿电阻。Vc 是电桥电源。R4 是限流电阻。不同的热电偶 R4 的值不同。在 20时电桥平衡。当冷端温度 T 升高时，Rc 增大，使 U（补偿电压）也增0ab大。同时，也增大，但两项极性相反，使 U-为常数，得到补),(nABTTEab),(nABTTE偿。在使用时，应注意极性切勿接反，否则不但起不到补偿作用，反而会增大误差。 123456ABCD654321DCBAT itleN um berR

28、evi sio nS i zeBD ate:1-Ju n-2 00 8 S h eet of F i le:C :D ocum en ts and S ett ing s人人人人人人M yD esig n.dd bD raw n B y:1234R 2R 4V CR 3R cR 1ab+-EABU 0 图 3.2 热电偶冷端补偿电路3.2 电源电路电源电路电源电路由变压器和整流稳压电路组成。变压器用于将 220V 交流电压转换为正、负 8V 低压交流电压，整流电路用于将低压交流电压整流为脉动电压。该脉动电压与滤波电容 C1、C2、C3 和 C4 相连，形成较平滑的直流电压。将两路直流电压分别送

29、入三端稳压器 MC7805 和 MC7905 的输入端 Vin后，在输出端形成+5V 和-5V 直流稳压电压，供单片机和测量电路使用。电容 C5、C6、C7 和 C8 也起到滤波的作用，用于滤除导线上的干扰。因为该电源电路提供+5V 和-5V 两组电压，供电电流为 200mA,变压器的输出电压为 8V,故总功率为 P=20.28=3.2W。所以电路采用 5W 容量的变压器，电路滤波电容确定根据计算公式 CR (35)T,其中 T=10ms,R =25,解得LLAV2 . 05C=2000uF。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:8-

30、Jun-2008 Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign1.ddbDrawn By:C2C6C4C8C1C3C5C778057905+-220V人人人人123123 图 3.3 电源电路3.3 测量电路测量电路测量电路如图 3.4 所示。图中由 D 所构成的桥路用+5V 单电源供电，放大器A1、A2 和 A3 用+5V 和 -5V 双电源供电。在使用时应注意一定要给所加电源进行滤波，因为热电偶的输出信号十分微弱，所以若电源上引入的干扰过大将严重影响信号的输出。该电路使用 100F 的电容和 750 的

31、电阻对其进行滤波。A1,A2 为LM358，A3 选用 OP-07。OP-07 是低失调低漂移运放，它的输入失调电压温漂和输入失调电流温漂都很小，因而这种运放的精度高。尽管它的响应速度不太高，但是作为对热电偶输出信号的放大是可以的。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:8-Jun-2008 Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign1.ddbDrawn By:R1R3R11R14R5R12R9R2Rf2R15R13R7R6R8R10C1C2Rf1

32、W2W1A1A2A3GND+-U0R4D人人 人人+5VU2U1图 3.4 测量电路该测量电路中热电偶的冷端补偿采用 P-N 结温度传感器（由普通硅二极管 D 充当） 。如图 3.4 所示，P-N 结 D 处在冷端温度环境中，P-N 结的压降随温度 t0 上升而下降，呈线性关系。也随成正比增大。这两项在运放 A3 相减，实现对冷)0 ,(0TEAB0T端的补偿。因为二极管在通过 0.13 mA 以下电流时电压与温度才呈线性关系，即 PN结在温度每升高 1时，压降下降 2mV。所以图中 R4=R5=30K,W1 取5K。R1,C1,R2,C2 用于滤波，R1=R2=750,C1=C2=100F。

33、为了达到 温度补偿的目的，选用 R3=R6=1K，Rf2=10K，Rf1为 100K 的滑动变阻器。 对于运放 A3,令 R12=R，R11=R15=R，R13=R14=R，W2=R，则图中 A3的输出 U0 为：U0=+2/(1+)(U1-U2) （3-12）合理选择 、 三个参数使得热电偶处于 100时 A3 输出为+5V，从而使A/D 被充分利用，即保证其精度。本系统中取 R=1K，=10，=10，=40，实现的放大范围为 25 倍到 220 倍。3.4 滤波电路滤波电路 A3 输出的电压波形有干扰，所以用一个截止频率为 20HZ 的有源低通滤波器滤除这些干扰。有源滤波器的优点是低频性能

34、好，精密度高，稳定性好。该系统使用了一级低通滤波器，经过滤波器滤波后，当输出直流为 5V 左右时，其上的干扰约为15mV,完全可以满足系统的技术要求。滤波电路如图 3.4 所示。具体参数计算如下，因为转折频率为 50HZ，所以对第一级，则，取HZCRf20221110056. 011CR ,解得 R 约为 30K。22. 01C1，为使 不为负，所以 (3-13)令 则， 从 3-13 式中还可导出122CC 121 RR5OCK 且，所以，；取 ，。25ock21OCKKR13KR104123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evi sio nSi zeBD

35、ate:1-Ju n-2 00 8 Sh eet of Fi le:C :D ocum en ts and S ett ing s人人人人人人M yD esig n.dd bD raw n By:R 130 KR 31KR 230 KR 430 KC 10.22 uFC 20.47 uFA 1V iV o1123图 3.5 滤波电路2121112211CCRRCKRCRRoc1112212CRCRCCKOC3.5 控制电路控制电路本系统通过控制可控硅的导通角来控制恒温箱的加热速度，图 3.6 和图 3.7 为控制电路图。热电偶采集到的温度通过单片机处理并判断后，通过 8031 的 P1.1 口

36、输出一脉冲来控制可控硅的导通角，从而控制了加热速度。由于加热箱为三个千瓦，在最高电压达到 300V 时，流过的电流为 10A,所以选用 20A/600V 的可控硅。由于加热箱为三个千瓦，当电压最大值达 300V 时，流过的电流为 10A，所以选用 20A/600V 的可控硅。R2 和 C1 是用来保护可控硅的，防止在可控硅通电瞬间浪涌电流过大，烧毁可控硅。123456ABCD654321DCBAT itleN umberR evisio nSizeBD ate:1-Ju n-2 00 8 Sh eet of File:C :D ocumen ts and S etting s人人人人人人M y

37、D esig n.dd bD raw n By:R 247 -6 5/2 WC 10.02 2u F/6 30 VD IO DE22 0V12 图 3.6 控制加热电路图（1）123456ABCD654321DCBAT itleN umberR evisio nSizeBD ate:1-Ju n-2 00 8 Sh eet of File:C :D ocumen ts and S etting s人人人人人人M yD esig n.dd bD raw n By:人1K /1 .6 WR 23.3K /1 .6WR 35K /1 .6 WC ?0.01 uFR 41K /1 .6 WV 122N

38、 3 55 1+5V80 31 人P1.1人+9VGK图 3.7 控制加热电路图（2）3.6 A/D 采集部分原理采集部分原理3.6.1 A/D 转换器概述转换器概述A/D 是将模拟量转换成于其大小成正比的数字量信号的器件。模拟量可以是电压、电流等电信号，它们只有被转换成数字量才能被计算机系统所采集、分析、计算。衡量 A/D 器件性能的主要参数有：1.分辨率：即输出量变化一个相邻的值所对应的输入模拟量变化值。2.转换精度：分为绝对精度和相对精度。前者指转换器中任何数码所相对应的实际模拟电压与其理想的电压之差的最大值。后者指将上述最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应

39、的数字量。3.转换速率：指每秒所能完成转换的次数。这个指标也可表述为转换时间，即A/D 转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。使用时要注意 A/D 转换器与微型机的接口原则有以下几点：（1） 数据输出接口：芯片数据输出接口方式取决于芯片内部数据输出的硬件结构。输出要求三态。（2） ADC 芯片与微型机接口中的时序配合：时序配合主要有五点，而且应该熟练会读作为电子学语言的时序图，这对软件编程亦非常重要。（3） ADC 数据输入方式：微机在 ADC 转换结束后，读取转换数据的方式有延时等待、查询、中断及 DMA 方式。A/D 的种类很多，根据转换原理可分为逐次比较式、双积分式、并行式、V/F

40、式等。目前常用的 A/D 转换电路主要是逐次逼近式和双积分式。因为逐次比较式 A/D 在数据采集系统中应用最为广泛，它易于获得较高的转换速度、高分辨率及较高的精度，也易于和微机接口。且该系统的设计指标中要求精度为 0.1，采用 ADC0809 来完成 A/D 转换部分完全可以达到设计要求。所以以下将介绍逐次逼近型 A/D 转换原理及 ADC0809 与单片机的接口电路。3.6.2 逐次逼近式逐次逼近式 A/D 转换原理转换原理逐次逼近式转换的基本原理是用一个计量单位使连续量整量化（简称量化） ，即用计量单位与连续量比较，把连续量变为计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分。这样所得到的整

41、数量即数字量。显然，计量单位越小，量化误差也越小。可见，逐次逼近式的转换原理即“逐位比较” 。一个 N 位的逐次逼近式 A/D 转换器结构如图 3.8 所示。时序与控制逻辑电路D/A转换器N位寄存器输出缓冲器比较器 EOC N位数字量输出 OE图 3.8 逐次逼近 A/D 转换器原理图它由 N 位寄存器、N 位 D/A 转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲等五部分组成。当启动信号作用后，时钟信号先通过逻辑控制电路使 N 位寄存器的最高位DN-1为 1，以下各位为 0，这个二进制代码经 D/A 转换器转换成电压 U0（此时为全量程电压的一半）送到比较器与输入的模拟电压 UX比较。若 UX U0

42、，则保留这一位；若 UX U0，则 DN-1位置 0。DN-1比较完毕后，再对下一位即 DN-2位进行比较，控制电路使寄存器 DN-2为 1，其以下各位仍为 0，然后再与上一次 DN-1结果一起经 D/A 转换后再次送到比较器与 UX相比较。如此一位一位的比较下去，直到最后一位 D0比较完毕为止。最后，发出 EOC 信号表示转换结束。这样经过 N 次比较后，N 位寄存器保留的状态就是转换后的数字量数据。ADC0809，它是一种逐次逼近式 A/D 转换器件，这种 A/D 器件采用对半搜索法进行逐次比较、逐次逼近的原理，完成一次转换需要 100S，整个转换过程是个试探过程。ADC0809 是一种

43、8 路模拟输入，8 位二进制数字输出的器件，其引脚功能简介如下：1IN0IN7：8 路模拟量输入线，输入量范围 05V。2D0D7：8 位数据输出线，TTL 电平，三态输出。3ALE：地址锁存允许信号输入端。4START：启动信号输入端。5CLK：时钟信号输入端，频率范围为 101200KHz。6EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，转换结束为高电平。7：A、B、C：地址输入线，经译码后可选通通道 IN0IN7中的任意一个进行转换。实际使用时应注意这三条线与被选通通道的关系。8：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。OE9 Vcc： 电源+5V。10GND：数字地。 设计所使

44、用的实验板上 ADC0809 与 8031 的接口方式如图 3.9 所示，它的地址范围是 FEF8HFEFFH。2+P0ALE8031INT1WRP2.0RD74LS373GA1 A2A0 A0A7+5vGNDIN0 IN7 ADC0809OESTARTEOCD0D7CLKALEABCVR(+)VR(-)图 3.9 ADC0809 与 8031 的接口电路示意图因为测温范围为 500800，所以热电偶、A/D 转换器的输入、输出入表 3.1 所示。表 3.1 温度、电压和数字量之间的关系温度（）热电偶输出（mV）A/D 转换器输入（V）A/D 转换器输出（BCD 码）2004006008001

45、.43.35.27.41.252.53.7551.252.473.724.973.7 显示部分原理显示部分原理数字化显示是智能仪器中不可缺少的部分，它使显示更加直观。本设计采用七段LED 作为显示器，它是单片机应用最简单，最方便的输出设备。它有共阳，共阴两种。有两种显示方式：即静态和动态。静态显示占用系统资源较多，且硬件连接比较复杂。所以本系统采用动态显示。动态显示适合多位显示，硬件电路大大简化，成本降低。它将所有段选位的段选码连接在一个 I/O 口上，而共阴（共阳）极分别由相应的 I/O 口线控制，其中一个口控制段选码，一个口控制位选码。因为在一瞬间，八位 LED 只能显示相同的字符，所以要

46、显示不同的字符，则必须扫描显示。这种方式是利用人的视觉上的暂留效果，将要显示的字符在瞬间显示，并延时，轮流把不同的段选码送入显示器，与此同时，相应的位选码也送入显示器则实现了 LED 的动态显示。本系统采用硬件实验板，其段选和位选端口地址分别为8FFFH，9FFFH。调试中要注意段码表的设计、查表指令的用法，延时时间要合适。3.8 键盘部分的应用键盘部分的应用3.8.1 键盘的工作原理键盘的工作原理键盘是最简单的输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。非编码键盘按照与主机连接方式的不同，分为独立式和矩

47、阵式。前者的特点是一键一线，结构简单，适合于小型键盘；后者将检测线分为行线与列线，每个键有对应的键值，按键数目大于 8 时，大都采用矩阵式键盘。键盘的工作原理说明如下：（1） 判别键盘上有无闭合键：扫描口列线输出全“0” ，读行线状态，若行线全为“1” （键盘上行线全为高电平） ，则键盘上没有闭合键，若行线不全为“1” ，则有键处于闭合状态。（2） 去除键抖动：判断出键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判别键盘状态，若仍有键闭合，则确实有键按下。（3） 判别闭合键键号：对键盘列线进行扫描，扫描口列线依次只有一位保持低电平，相应的依次读行线的状态，若行线全为“1” ，则列线为“0”的这一列上没有键闭

48、合。闭合键的键号等于低电平的列号加上低电平的行的首键号。（4） 使 CPU 对键的一次闭合仅作一次处理：即等待闭合键释放以后再作处理。该系统采用了实验中只使用了四个键，即增加键、减少键、清零键及测试键。所以设计时采用的是独立式键盘。但在具体调试是由于有现成的实验板，所以用的是4*4 矩阵式键盘。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:8-Jun-2008 Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign1.ddbDrawn By:C2C6C4C8C1C3

49、C5C778057905+-220V人人人人123123C2C6C4C8C1C3C5C778057905+-220V人人人人123123C2C6C4C8C1C3C5C778057905+-220V人人人人12312374LS273Q3-Q7人人 人人2人人 人人374LS244人 人 人 人人 人 人 人5V人人 2人人 33.8.2 矩阵式按键接口矩阵式按键接口在单片机系统中需要安排较多的按键时，通常把键排列成矩阵形式，这样可以节省硬件资源。如对于 20 只按键接口。用独立按键方式，需用 20 个 I/O 端口。用矩阵式按键方式，用 9 个 I/O 端口。图 3.10 为采用 1 个 74L

50、S244 和一个 74LS273 组成的 20只按键接口电路。单片机系统中的非编码式键盘程序主要由以下几部分实现。图 3.10 20 只矩阵形式按键接口电路 判别是否有键按下子程序该电路通过向所有行线（端口 2）发出低电平信号，如果该行线所连接的键没有按下的话， 则从列线所接的端口 3 得到的是全“1”信号，如果有键按下的话，则得到非全“1”信号。下列程序为判别是否有键按下子程序，A 寄存器内容不为 0 有键按下。KS: MOV DPTR，#9FFFH ；判别键按下子程序 A 不为 0 有键按下 MOV A ，#00 MOVX DPTR ，A ；关显示 MOV DPTR，#8FFFH MOV

51、A，#00H MOVX DPTR，A ；向所有行线发出低电平信号 MOV DPTR，#0BFFFH MOVX A，DPTR ；输入列线信号 CPL A ANL A, #0FH RET 键的识别子程序如果有键按下，还需判别具体的键值。具体方法是采用逐行输出低电平，输入列线信号，判断端口 3 是否得到全“1”信号，如果得到非全“1”信号，则表明找到键。采用特征码寻找键值。下列程序为判别键值子程序。位地址 00H=0，表示没有找到键值，位地址 00H=1，表示找到键值，键值在 R3 寄存器中K2: MOV R3 ，#0F7H ；键识别子程序 MOV R4 ，#00HKEY: MOV DPTR ，#8

52、FFFH ; MOV A ，R3 ；使某行为 0 MOVX DPTR ，A MOV DPTR ，#0BFFFH MOVX A ，DPTR ；输入列线信号 ANL A ，#0FH CJNE A ，#0FH ，KN1 ；判断端口 3 是否得到全“1”信号 MOV A ，R3 RL A MOV R3 ，A ；扫描下一行 CJNE A ，#0FEH ，KEY CLR 00H RETKN1: XCH A ，03H ；得到非全“1”信号，则表明找到键 ANL A ，#0F0H ADD A ，R3 ；形成特征码 MOV R2 ，A MOV R3 ，#0LKP: MOV DPTR ，#TG MOV A ，R3

53、 MOVC A ，A+DPTR ；取某键的特征码 CJNE A ，02H ，NEXT ；与形成特征码比较 SETB 00H ；找到键值，在 R3 寄存器中 MOV A ，R3 RET NEXT: INC R3 MOV A ，R3 CJNE A ，#14，LKP CLR 00H RETTG : DB 0FEH ，0FDH ，0FBH ，0F7H ；特征码DB 0EEH ，0EDH ，0EBH ，0E7HDB 0DEH ，0DDH ，0DBH ，0D7H DB 0BEH ，0BDH ，0BBH ，0B7HDB 7EH ，7DH ， 7BH ， 77H找到闭合键后，读入相应的键值，再转至相应的键处理

54、程序。 可以利用键的散转程序实现相应的键处理程序。键的转移首地址在 DPTR 中。常用的程序段如下：MOV DPTR ，#TBB MOV A ，R3 ；取键值RL AJMP A + DPTR TBB ：AJMP KK1 AJMP KK2 AJMP KK203.8.3 键盘、显示器组合接口键盘、显示器组合接口1、硬件电路图 3.11 是一个采用两片 74LS273 和一片 74LS244 扩展口构成的键盘、显示器组合接口电路。图中设置了 20 个键。8 位 LED 显示器采用共阴极数码管。段选码由端口 1 提供，位选码由端口 2 提供。键盘的列输入由端口 3 提供，行输出端口与显示器的位选输入公

55、用，行输出由 Q0-Q4 提供。显然，因为键盘与显示器公用了端口 2，比单独接口节省了一个 I/O 口。2软件设计LED 采用动态显示、软件译码，键盘采用逐列扫描查询工作方式。由于键盘与显示做成一个接口电路，因此在软件中合并考虑键盘查询与动态显示，键盘消抖的延时子程序可用显示子程序替代。下列程序的显示缓存区的内 RAM 地址为 70H77H 。MAIN:MOV 70H ，#0 ；显示缓存区清 0 MOV 71H ，#0 图 3.11 键盘、显示器组合接口电路 MOV 72H ，#0MOV 73H ，#0 MOV 74H ，#0H 888 MOV 75H ，#2 MOV 76H ，#0 MOV

56、77H ，#0 MOV 78H ，#70H ；显示缓存地址 MOV 79H ，#0FEH ；显示缓存位地址 MOV 20H ，#00KK: LCALL DIR ；调用显示子程序 LCALL KS ；调用判别是否有键按下子程序 JZ KK ；没有有键按下转到 KK 处 ACALL K2 ；调用键识别子程序 JNB 00H ，KK ；判别是否找到键值 MOV A ，R3 ；键散转处理 RL A CLR 00H MOV DPTR，#TBB JMP A+DPTR 123456ABCD654321DCBATitleNum berRevisionSizeBDate:11-Jun-2008Sheet of

57、File:F:HOTDesign E xplorer 99 SEExam plesMyDesign2.ddbDrawn By:74LS 24474LS 273人人人人人人人人人人人人3人人人人2Q0-Q7abfcgdeDP YLEDgnabcdefgDS?3abfcgdeDP YLEDgnabcdefgDS?3abfcgdeDP YLEDgnabcdefgDS?3abfcgdeDP YLEDgnabcdefgDS?3abfcgdeDP YLEDgnabcdefgDS?3abfcgdeDP YLEDgnabcdefgDS?3Q0-Q7人人人人1人人人人74LS 273人人1人人2人人3TBB :

58、AJMP KW1 ；转到键 1 处理程序 AJMP KW2 ；转到键 2 处理程序 AJMP KW3 ；转到键 3 处理程序 AJMP KW20 ；转到键 20 处理程序 KW1 ： ；键 1 处理程序 AJMP KKKW2 ： ；键 2 处理程序 AJMP KKKW3 ： ；键 3 处理程序AJMP KKKW20 ： ；键 20 处理程序AJMP KK第四章第四章 控制软件及流程控制软件及流程该系统的整个程序分为初始化，显示，键盘扫描与处理，A/D 转换以及控制程序。4.1 键盘、显示及键盘、显示及 A/D 转换转换测试系统上电复位后，程序从 0000H 开始执行，首先进入系统初始化，即设置

59、堆栈指针，初始化 RAM 单元和通道地址等。在键扫描与处理子程序中，程序首先判断是否有键闭合，若有立即计算键号，并按键号转入执行的相应键处理程序。键处理程序完成启动测量和参数设置等功能。键扫描程序框图如图 4.1 所示，显示子程序如图 4.2 所示。开始有键闭合否调用显示子程序延时二次调用显示子程序延时有键闭合否判断闭合键键号闭合键释放否输入键号A返回开始显示缓冲器指针置初值30HR0扫描模式置初值FEHR1R19FFFH取显示数据查表延迟1ms显示缓冲器指针R0加1（R0）=38HR1左移一位开始YNYNNY图 4.1 键扫描程序流程图 图 4.2 显示子程序流程图A/D 转换子程序采用的是

60、延时的方式。因为这种方式可靠性高且不占用查询端口。在应用这种方式时，为了保险起见，通常延时时间应略大于 A/D 转换所需要的时间，例如，当时中频率取 640KHZ 时，转换一次约需 100us 时间，此时延时时间应取约120us。因为该温度检测的测量范围为 500800，且铂铑铂热电偶 mV 信号和温度之间呈非线性关系，因此在标度变换时必须考虑采样数据的线性化处理。该系统的线性化采用折线近似的方法，把热电偶 0800范围内的热电特性分成 5 段折线进行处理，这 5 段分别为 0200，200350，350500，500650，650800。处理后的最大误差在系统设计精度范围内。标度变换公式为m