基于温度器件检定的高精度温度控制系统的研究与实现

1、 东南大学硕士学位论文基于温度器件检定的高精度温度控制系统的研究与实现姓名:陈伟申请学位级别:硕士专业:检测技术与自动化装置指导教师:戴义保20060227摘要摘要随着现代化生产和科学研究的发展,人们对温度过程控制的要求越来越高。这就要求计量部门具有能建立具有更高的精度、稳定性和可靠性的恒定的温度场环境的温度控制系统。本文首先简要介绍了测温的方法、特点及测温铂电阻的特性。在此基础上结合系统的实际指标和要求设计开发了以单片机为核心的低成本高精度温度控制系统。在硬件上,采用增强型.单片机作为控制仪的核心控制器件,并选用为系统的转换器,通过该器件完成了测温通道的自调零与自校正,使仪表的测温精度及准确

2、度基本上不依赖于零点失调和增益等因素;同时采用锁相环与分频器相结合,跟踪电网频率,从硬件上消除了电网频率变化对电阻炉输出的影响:采用显示器件,使人机交互更加的友好。在软件上,温度控制采用传统的控制算法实现,由于系列的单片机运算能力、运算速度较低。在计算程序设计中,全部采用了分段线性插值的方法来代替复杂的数据运算,以程序代码空间来换取运算的速度以及精度。温度控制仪表通过总线把数据传送到机上,上位机可以弥补下位机由于单片机内部资源的限制,不能保存大量的数据的缺陷。系统的上位机软件除了可以实现历史数据保存的功能之夕卜,还有查看数据和打印等功能。关键词:温度控制,单片机,线性插值东南大学硕士学位论文山

3、廿也 , .,妇啦印出】守 如。. . 血廿.廿 恤 ,工弓 乜. 髓咖. , “ . 血 街乜. 疗. ?.,台. , ., 汹 , 锄 曲 . . 胁廿 廿 .:廿,东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名: 日期:盈丛:竺孤垒东南大学学位论文使用受权声明东南大学、中国科学技术信息研究所

4、、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。期:“.丝一躲址新徽尜学第一章概述第一章 概述.测温方法分类及其特点九根据传感器的测温方式,温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触,两者进行充分的热交换,最后达到热平衡,此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等,温度计就可据此测出被测对象的温度。因此,接触式测温一

5、方面有测温精度相对较高,直观可靠及测温仪表价格相对较低等优点,另一方面也存在由于感温元件与被测介质直接接触,从而影响被测介质热平衡状态,而接触不良则会增加测温误差;被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。根据测温转换的原理,接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接触,而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换,据此测出被测对象的温度。因此,非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布,热惯性小,测温上限可设计的很高,便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。两类测温方法的主要特点如下表.所示。方式 接触式非接触

6、式测量 感温元件要与被测对象良好接触:感温元件的加 需准确知道被测对象表面发射率:被测对条件 入几乎不改变对象的温度;被测温度不超过感温 象的辐射能充分照射到检测元件上元件能承受的上限温度:被测对象不对感温元件产生腐蚀测量 特别适合以下、热容大、无腐蚀性对象的 原理上测量范围可以从超低温到极高温,但范围连续在线测温,对高于 以上的温度测量较 以下,测量误差大,能测运动物体和困难 热容小的物体温度精度 工业用表通常为 通常为.、 、 级用表可达 级响应 慢,通常为几十秒到几分钟 快,通常为秒钟速度其它 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、特点 便、

7、价格低廉,仪表读数直接反映被测物体实际 价格昂贵;仪表读数通常只反映被测物体表温度;可方便地组成多路集中测量与控制系统 现温度需进一步转换;不易组成测温、控温一体化的温度控制装置热阻式测温方法基于热电阻测温原理是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质,将电阻值的变化转换为电信号,从而达到测温的目的。用于制造热电阻的材料,要求电阻率、电阻温度系数要大,热容量、热惯性要小,电阻与温度的关系最好近于线性;另外,材料的物理、化学性质要稳定,复现性好,易提纯,同时价格尽可能便宜。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传与热电偶相比、无需参比温度;东南大学硕士学位论文金属热电阻稳定性高

8、、互换性好、准确度高,可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有自热现象以及测量温度不能太高。常用铂电阻传感器。铂电阻的电阻率较大,电阻一温度关系呈非线性,但测温范围广,精度高,且材料易提纯,复现性好;在氧化性介质中,甚至高温下,其物理、化学性质都很稳定。国标一规定,在一.温度范围内,以铂电阻温度计作为基准温度仪器。目前工业用铂电阻分度号为和,其中更为常用;铂电阻范围通常最大为.。铂电阻与温度的关系:当 一时五。 爿一当时爿四.×一/ 一.×一/ 一.×一/。式中民为温度为零时铂热电阻的电阻值为,为为温度为时铂热电阻的电阻值;显然铂电阻适合用于高精度、较宽

9、温度范围的测量。课题背景、意义及任务内容.课题背景及意义吲随着工业生产和科学研究的发展,人们对温度测量及控制的要求越来越高,具体表现在温度测量控制的精度、稳定性、可靠生等方面。特别是在尚陛能、高精度的器件的生产、标准检测领域的应用、高要求的实验环境的建立等方面,都有高精度温度控制仪表的需求。高精度的温度控制仪表实现就必然离不开前端电路中高质量的温度传感器的使用。然而即使是同种条件、工艺下生产出来的传感器件,它们的性能指标也不尽相同。这就要通过对温度传感器的检定来实现。我国从年月日起开始对各级标准温度计进行改值,整个工业测温仪表的改值在年年底前全部完成,并从年元旦开始全面推行一新温标。对温度计或

10、传感器的检定,有标准值法和标准表法两种方法。标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点恒温作标准值,把被标定温度计或传感器依次置于这些标准温度值之下,记录下温度计的相应示值或传感器的输出,并根据国际温标规定的内插公式对温度计传感器的分度进行对比记录,从而完成对温度计的检定;被检定后的温度计可作为标准温度计来测温度。常用的另一种检定方法是把被检定温度计传感器与已被检定好的更高一级精度的温度计传感器,紧靠在一起,共同置于可调节的恒温槽中,分别把槽温调节到所选择的若干温度点,比较和记录两者的读数,获得一系列对应差值,经多次重复测试,若这些差值稳定,就成了对被检定温度计的检定。本论文

11、主要讨论高精度的恒温槽的温度控制系统的设计,该系统能用于热电阻温度器件的检定。.温度控制系统的功能要求:温度控制系统主要分为两大部分:现场温度控制仪表和上位机程序。现场温度控制仪表主要用蔓二兰塑堕于建立标准的高精度温度场,并在标准温度下测量标准热电阻和被检定热电阻的阻值然后传送到上位机。上位机程序负责接受下位机的数据并以文件形式保存以供其它热电阻分析软件使用。、现场温度控制仪表:温度的测量和显示功能:对于恒温槽的温度的实时测量,显示实际的测量温度以及目标控制温度的值。工作参数的设定功能:温度控制现场仪表的工作参数可以重新设定,方便根据实际的工作环境选择最佳的工作参数。温度控制功能:输出控制采用

12、可控硅调相调功方式,确保恒温槽建立的温度精度能满足要求的指标;远程通信功能:现场温度控制仪表可以把测得的温度的值、工作参数、被测铂电阻的电阻值传送给上位机。现场故障诊断及故障显示功能:传感器和被测铂电阻开路或其它故障时,温度控制仪表能诊断出实际故障并显示出来。、上位机程序:串口通信功能:从机串口读取现场仪表传送上来的各项数据。界面显示:显示每台表的工作状态以及每台表所测量得到的温度值。历史数据的保存:把下位机传送上来的数据按年、月、日保存在机中可以供以后调档查看打印功能:可以打印历史数据,温度曲线。.温度控制系统的主要性能指标:输入种类:标准热电阻输入点数:个测点、个被测点温度控制范围:.测量

13、误差:±.温控稳定性:±.显示:显示通信接口:.论文的总体结构论文的总体章节安排如下:首先简要的介绍相关的背景以及论文的主要内容;第二章介绍了系统的总体方案;第三章介绍现场温度控制仪表的硬件电路;第四章介绍了现场温度控制仪表的软件设计:第五章介绍了上位机软件的设计;第六章介绍了系统抗干扰设计东南大学硕士学位论文第二章温度控制系统的总体设计.系统总体方案设计系统可以分为两个部分:上位机软件以及现场温度控制仪表。现场温度控制仪表主要功能是测量控制恒温槽的温度、测量待检定热电阻的阻值并可以通过总线传送到上位机上。上位机实现的主要功能是接收下位机的数据,并在机上显示和保存,同时还能

14、提供历史数据显示以及数据图表的打印等功能。.现场温度控制仪表的方案设计现场温度控制仪表的总体设计框图如图.所示,主要可以分为五个模块:前端测量模块、按键的人机交互模块、后端可控硅输出控制模块、电源主处理器模块、通信模块。、测量模块方案的选择】常用的铂电阻测量的方法主要有种:利用单电桥来测量电阻的阻值的变化;利用高精度的恒流源电位压将法来测量电阻的变化。利用电桥测量可以实现较高准确度的温度的测量,但是在实现±.以上的精度的话,电桥本身的非线性,以及被测电阻接入单电桥作为一个桥臂以后,该桥臂中的接线电阻和接触电阻的数值可能与引起最小温度变化所对应的阻值在同一数量级,甚至还要大些。因此,如

15、果采用单电桥的测量方法得到的测量结果将是极不可信的。恒流源压降法是一个恒流源与一个被测电阻相串联,通过测量电阻两端的压降就可以计算出被测电阻的阻值。这个测量的精度主要决定于电流源的精度。现在的带隙电压源以及齐纳稳压二极管都能生成很高精度的电压源能够满足实际的测量要求的精度,所以前端测量模块电路采用选用恒流第二章温度控制系统的总体设计源压降法。薹二?/显示调/、理/电厂/路 按键输入待 检宝?、。定/的传感匕器二刊输出控广叫电 、件网 ?/制电路 裂电路号?/输 /”入、人机交互模块的选择准确、清晰、可靠的参数显示对于任何一种仪器来说都非常重要。一般来讲,常用的显示器件有:发光二极管显示器和液晶

16、显示器。发光二极管显示器是全固态型显示器件,具有极高的可靠性和极长的寿命,在智能化测量与控制仪表中普遍使用。它又可分为数码管显示器和点阵显示器两种。数码管显示器常用的一般为字型,通常主要用来显示数字。点阵显示器常用×点阵图形来显示字符,可显示的内容比数码管显示器丰富。而点阵显示器虽然可以实现各种字符的显示,但其体积过大,功耗太高。液晶显示器是利用液晶的物理特性来实现显示的。在通电时导通,使液晶排列变的有秩序,光线容易通过;不通电时,排列变的混乱,阻止光线通过。按照显示性能,液晶显示器可分为段行显示、点阵显示、字符显示等。段行显示依靠长条形像素进行显示,只能显示数字和个别字符;点阵显示

17、依靠矩形点像素进行显示,可以显示任何字符、数字、图形;字符显示是只能显示分割开的字符的点阵式产品。与其他显示器件相比较,液晶显示器有以下特点:由于液晶的像素可以做的很小、很精细,因此显示同样的参数,液晶显示器的体积更小、更薄:工作电压低,功耗小。有些液晶显示器只要即可工作,而工作电流仅几个毫安,这是其它任何显示器件无法比拟的:寿命长。液晶材料是有机高分子合成材料,具有极高的纯度,而且其他材料也都是高纯物质,在极净化的条件下制造而成。而且液晶的驱动电压又低,驱动电流更是微乎其微,因此,其劣化效应几乎没有,寿命很长;无辐射、无污染,对于人身安全和信息保密都非常理想。由于液晶显示器,显示比较灵活,与

18、相比能够实现更加友好的人机对话,而且液晶显示器的功耗更小所以在现场温控仪表中选用作为人机交互的界面显示。、可控硅输出控制模块输出控制接口电路要求具有弱电控制、强电输出的特点,只需要较小的电流、电压就可以控制较大的电流。满足这个要求的常用的是机械继电器输出控制电路和可控硅输出控制电路。机械继电器输出控制接口电路简单,但是机械继电器的开关响应时间长,触点的寿命较短,不适合用于频繁开关的场合。可控硅输出控制接口电路相对复杂,其优点就是开关无触点,寿命长、开关响应时间短,控制方式灵活,可以根据不同的情况选用不同的触发方式来进行控制。在温度控制系统中广泛应用。东南大学硕士学位论文、电源主处理器模块根据各

19、模块的电压需求,一共需要组直流电源:,¨。其中的一组用于前端的测量模块的稳压芯片供电电源,另一组为可控硅控制模块供电。电源中的一组为测量模块供电,另一组用于其他各个模块。电源设计方案是常用的设计方案:先将交流电通过变压器分别变压二线,三线:在分别通过整流桥和二级管对降压后的交流信号整流;最后经过电容和稳压芯片,后输出所需的路直流信号。单片机是目前国内外工业测量控制领域内使用极为广泛的一类位微控制器,它的特点是、使用方便灵活,外围硬件支持十分丰富,世界上许多大半导体厂商,如:、订、等公司都推出了具有各自特点的增强型系列单片机,现共有多种的型号可供选择。现场温度控制仪表的处理器选用的是飞

20、利浦的增强型单片机,该单片机片内资源丰富这就无需再进行片外扩展就可以满足系统的设计需要。而且片内自带了看门狗,这不仅节约了芯片的外部接口,而且还提高了系统的稳定性。.编译调试软件的选择、下位机软件编译调试环境的选择现场温度控制仪表的单片机软件采用语言开发。实际调试采用的仿真头,所以调试软件只能选用 ,但是 软件仅能较好的支持汇编语言的编译调试,对于语言的编洋则相当的差,而且效率低。公司的订是绝大部分系列单片机开发者的首选,它将项目管理器、编译器、汇编器、几连接定位器、实时操作系统、模拟器以及目标调试器的功能全部集成在单一而灵活的 中,为用户提供了极为简便的操作环境。 具有强大的项目管理功能,项

21、目中包括源程序文件、开发工具选项以及编程说明等。 内部还集成了一个数据库文件 ,其中存储了各种型号单片机的片上存储器和集成外围功能信息,通过器件数据库可以自动设置编译器、汇编器、儿连接定位器、调试器等开发工具的功能选项,充分满足用户使用特定的起始地址及代码大小规模。编译器具有如下优越性:.源程序经过优化后生成的代码,其效率接近于汇编语言生成的代码。.支持所有的系列单片机,提供对所有外围硬件部件的操作。.无论在有无工作寄存器区转换的情况下,编译器都能产生快速中断代码。.能够在整个应用程序中执行全局寄存器优化。.支持再入功能和寄存器区的独立代码.便于中断服务程序和多任务应用程序的执行。在进行调试时

22、,先选用 编译环境生成文件,然后在 中调用文件进行调试。下位机的调试软件选用订与 相配合使用。、上位机软件编程调试软件的选择等。是机的编程软件较多,在环境下常用的有、微软推出的在操作系统上建立应用程序的编程软件。使用方便,可以借助于其生成代码的向导,就能在数秒内生成可运行的应用程序的基本外壳。自带的类库,即已经成为许多编译器进行软件开发的工业标准。选用能够很好的利用 对底层硬件操作,所以上位机的编程软件选用.。?笪三皇里堑墨堕墼垡壅塑皇堕堡生第三章现场温度控制仪表的电路设计本章主要介绍现场温度控制仪表的硬件电路设计,现场温度控制仪表的硬件电路共分为个模块:前端测量模块、十按键的人机交互模块、后

23、端可控硅输出控制模块、电源主处理器模块和通信模块。测量模块电路设计测量模块在整个温度控制仪表甚至整个温度控制系统中处于最基础的地位。测量模块的测温精度决定了整个系统的精度;测量的结果又是温度控制系统进行控制的依据,也是检验温度控制效果的依据。这个模块设计对整个系统起着决定性的作用。.精密直流电流源电路的设计.精密直流电流源电路】测量电路首先的任务就是把前端热电阻变化线性的转换成电压的变化。即¨衄,?由式一可以看出当为常数时,电压的变化,只与电阻变化相关,所以这就需要一个高精度的、稳定性好的恒流源,。图精密直流电流源电路恒流源基本实现是:由电压基准芯片生成恒定电压。,经过运放跟随输出。

24、们,此时惋;当电压和都为恒定值时输出时;瓜也一定为固定不变的值。电阻,采用高精度、低温漂的标准电阻,其阻值基本固定,所以的输出质量的优劣基本上取决于.。选用沟道场效应管。电压基准芯片的精度是整个系统东南大学硕士学位论文.电压基准芯片简介】电压芯片选用公司的.电压基准芯片封装见图?。炳几项重要技术指标:.低温漂,/ .低噪声,. 的噪声.卜赫兹见图?.长时间稳定性好,/.低功耗,功耗剐.初始化精度±.% 响淞箱.协搬疆斗、;譬、喜、¨蠹。言,毫非邶邬笛钟佰伯?电容,对输出电压噪声的影响在这个系统中既是恒流源的生成参考电压也是芯片的参考电压。所以的精度是这个测量系统精度的保证。

25、而的温漂小,纹波噪声小见图?,精度高,所以稳压芯片选用。当工作在频率?区间时,脚接电容。与否直接影响了输出电压的输出噪声见图所示。在后,在时输出噪声与未接电容。接电容。时相差不大,但是到了处,。 的输出噪声为矿/瓦而,的输出噪声是矿/瓦:当频率时,“ 的输出噪声为竹矿/瓦而产图.噪;赫制电容电路的输出噪声是矿/月,显然当在脚接上 的电容。能很好的改善【的输出噪声。眦噪声抑制电容参考电路如图?所示。实际使用时,的电路见图?所示。在实际电路中,用六位半电压表在运放输出端测量所得的电压值为.稳定不变:通过示波器测量得到的电压的纹波为.,满足实际应用的要求精度。第三章现场温度控制仪表的电路设计.斩波稳

26、零低漂移运放妣【】在微弱信号的测量时,常常需要放大微伏级的电信号。这时,普通的运算放大器已无法使用了,因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上,而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。固然输入失调电压可以被调零,但其漂移则是难以消除的。江公司生产的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放大问题的方案。斩波稳零的工作方式使具有优异的直流特性,失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小,非常适合用于微信号的放大。内部主要的功能单元有:主放大器、校零放大器、时钟开关电路、补偿网络、校零记忆电容、箝位电路。的内部简化结构如图?所示。斩波稳零运放可以分为两个主要

27、的时钟周期:校零周期和放大周期。主放大器一直与电路的输入端和输出端相连,而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零。在校零周期内,开关闭合、开关闭合,使校零放大器的口盯仉一舞图. 的内部简化结构两个输入端短路,通过自身的反馈,校零放大器的失调电压被减到最小。同时,外接记忆电容中储存了这一失调电压,使校零放大器在放大周期内仍保持校零。在放大周期内,开关打开、开关闭合,把校零放大器的输出与主放大器的同相输入端连接起来,使主放大器被校零。同时,外接记忆电容中储存了校零电压,使主放大器在下一个校零周期内仍保持校零。在中,内部时钟使放大器以的固定频率校零。在这种连续校零的机制下,失调电压及其漂移

28、、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小。由于片内自带有记忆电容和内部时钟,所以实际应用电路较为简单见图.。通过六位半的电压表测量等到的输出电压等于的输出参考电压。.模数转换/模块电路模数转换器是前向通道中的关键器件。它实现了被测控对象的模拟信号温度、压力、流量等转换成计算机可以接受处理的数字量信号。目前,仍转换技术在不断的更新发展,功能越来越强,精度越来越高,只有对他转换芯片的工作原理和各项性能有一个综合的了解,才能在实用中选择正确的仍转换器满足设计指标。仍转换器的种类很多,目前常用的仍转换器有四种类型:并行式转换型、双积分型,转换器、逐次比较型仍转换器和新型一巾

29、转换器。./转换器的基本原理【】并行式转换型亦称为瞬时比较.编码式仍转换技术,是一种转换速度最快、转换原理最直观的他转换技术。并行式,所有位的数据理论上在一个时钟周期内全部转换完成。并行式,转换东南大学硕士学位论文需要大量的低漂移电压比较器,工程上较难实现。它的特点是:转换速度最快,但转换精度低,价格高,它一般用于待转换量是高速变化的模拟量的场合如:瞬态信号分析、高速数据采集以及视频信号量化等。双积分型仍转换器的转换速率最慢转换时间为毫秒级,但是转换精度高,而且具有抗周期干扰能力,价格便宜。适用于模拟信号变化缓慢,采样速率要求比较低,而且对精度要求比较高,或现场干扰比较严重的场合。常见应用于非

30、实时控制的高精度数字仪器仪表中。逐次比较型皿转换器主要由逐次逼近寄存器、/转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。它的实质是逐次把设定的寄存器中的数字量经/转换后得到电压,与待转换电压进行比较。比较时,先从的最高位开始,逐次确定各位的数码是“”还是“”。逐次比较型转换速度虽然不及并行转换型,属于中速,但具有结构简单的价格优势,在精度一般为位/上可以达到一般工业控制要求,应用比较广泛。新型一/转换器具有抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高和线性度好的优点,转换速度也高于双积分型。一/转换器适用于音频信号处理和低频模拟测量中。一/转换器主要有三个处理:过采样、量化噪声整形、数字滤波和采样抽取。.

31、过采样如果对理想输入恒定直流电压,多次采样得到的数字输出量总是相同的,而且分辨率受到量化误差的限制。如果在这个输入直流电压上叠加一个交流信号,并用比这个交流信号频率高的多的采样频率进行采样,此时得到的输出数字是变化的,用这些采样结果的平均值表示转换结果,便可得到比用同样高的多的分辨率,这种方法称作过采样。即使模拟输入本身就是一个交流信号,采用过采样的方法即采样频率远远高于输入信号频率也同样可以提高的分辨率。假设噪声的能量为口/,当采样频率为 时,由于采样频率远小于噪声的频率,所以会在采样出的信号中含有有大量的由于欠采样引起的混叠噪声见图?。而当提高采样频率为虾时,在频率范围为/到/的范围内的量

32、化噪声在频谱上能真实地反映出来见圈?,再通过数字低频滤波器后,在到/的频率上的量化噪声明显降低见图?。当过采样比例因子为时,就能提高信噪比。只要选择合适的比例因子,就能使实际得到的信号上只含有频率从到/范围内的噪声。这就大大提高了的分辨率。雌声 嘴声,芦爪隧眦.量化噪声整形可以通过一调制器对量化噪声的频谱整形使得大部分噪声位于/到虾/的范围内,噪声频谱在经一调制器整形后,通过后接的数字滤波器可以去除大部分量化噪声能量,可以极大地提高信噪比。图?给出了一阶一的原理结构图。虚线框内的是一调制器,它以的采样速率将输入信号转换成和构成的连续串行位流。一路数据串行进入数字滤波器,一路以负反馈形式与输入信

33、号求和。第三章现场温度控制仪表的电路设计;?一?菌矗?图一阶一的原理结构图根据反馈理论,具有积分环节的反馈环路的静态误差等于零,因此的输出平均值串行位流接近输入信号的平均值见图?。显然当被采样的信号的频率过高接近采样频率时,位的输出的位流是没有意义的。只有当大量的采样数据取平均所得到的值才是有实际有效的值。棒曹“玎?躺,椭 厂厂厂玎玎 嘲基月开。?笋口埘计:今;蚋习厂?.?厂客黑? ,图?积分器输出和比较器输出的位流一调制器可作进一步的分析。其中积分器模拟一个传递函数为的滤波器,量化模拟放大器的输出与量化噪声叠加。输入信号为,输出信号为。己知/,则有:一】,/?/由上式?可以看出,当频率接近于

34、零时?,输出接近于,噪声分量接近于零。对于高频分量,输出的主要是噪声。而积分器对输入信号具有低通滤波作用,对噪声分量有高通滤波作用。因此,调制器能实现噪声整形滤波器的作用。量化噪声.数字滤波和采样抽取一调制器对量化噪声整形后,将量化噪声移到/之外,然后应对整形后的噪声进行数字滤波。数字滤波器的作用有两个:一是相对于最终的频率,它必须起到滤波器的作用,二是将一东南大学硕士学位论文调制器整形过程中产生的高频噪声滤除。由于采取了过采样,采样过程中产生了许多多余的信号。数字滤波器通过每输出个数据抽取一个数据的重采样方法,实现了使输出数据低于原来的过采样速率,直到使关心的频带满足采样定理。.位/转换器仰

35、【是 “公司生产的位高精度.模/数转换器件。的主要优点是:片内自带有可编程的差分放大器,这就使得能直接获得来自于铂电阻的电压信号可以在片内调整到适当的范围;带有控制寄存器它能够控制滤波器的截止频率、输入增益、选择通道、信号极性和校准模式,这使得易于与微控制器相配合使用:精确度高,在位动态范围内的误差仅为.%,而且它的内部自校正能够消除温漂影响,它还能消除零量程和满量程误差。非常适合用于需高分辨率但速度要求不太高的场合。、的引脚和功能 一。罴篇篇意 筹罢罴:采用脚双列直插式封装,如图.所示。各引脚的应用特性说明如下。 图? 封装引脚图表 各引脚的应用特性说明脚号 脚名 功能说明串行时钟。当为高,

36、芯片进入自时钟模式,脚提供串行时钟的输出。当低,将进入外部时钟模式,脚作为输入脚。在这种模式下,数据将以串行脉冲的形式输出连续时钟脉冲。地址输入端。当地址输入端为低电平时,可读写元件的控制寄存器。当地址输入端为高电平时,可读写数据寄存器或校准寄存器。逻辑输入端。当,元件将进入自时钟模式。当,将进入外部计时模式。.两路可编程差分模拟输入端.基准电压源输入端十帧同步传输端。在输入低电平时,可用于将串行数据写入元器件通过脉冲的下降边沿读取信号。帧同步接收端。在低电平时,芯片的数据通道选通。逻辑输出端。低电平表明新的输出数据可传输。当将数据完全传送后,该引脚将转为高电平。当完成校准程序后,该引脚将输出

37、确认信号。串行数据端。串行数据可输入给控制寄存器和校准寄存器,串行数据可输出给控制寄存器,校准寄存器和数据寄存器。、控制寄存器及芯片的工作状态的参数的设定第三章现场温度控制仪表的电路设计&匝帕 曰 粥王图. 的位控制寄存器、操作模式的选择:标准模式。这是芯片运行的标准模式,将置,可对数字寄存器进行读操作。内部电源复位后寄存器的这几位将进入这一默认状态。零刻度系统校正。在校正期间,输入电压应保持稳定。开始校正时高电平,校正完成后回到低电平。校正结束,回到标准模式。满刻度系统校正。过程与零刻度系统校正相同。校正结束后回复到标准模式。激活系统补偿校准模式。这种校准模式由控制。这是一步校准,当

38、校准完成,将回到标准模式,同时由/输出确认信号。在这种模式下,零量程对选定的通道进行校准,满量程可通过内部的校准。激活背景校准模式。这种校准模式由控制。如果这种模式打开,将不断的对参考输入和零点平输入进行自校准。在转化过程将进入这种模式,它会延长转化时间和降低传输速率。它的优势是当外界温度发生很大变化时,用户不用担心对芯片进行重校准。在这种模式中,零电平输入和以及模拟输入电压都将受到监视,并且,芯片的校准寄存器将能够自动更新。、增益系数选择:控制字.对应增益.:控制字增益为为上电默认状态。.为滤波器频率设置:滤波器频率的选择关系到采样的速度,它与增益系数共同决定了仍芯片的输出噪声和输出的有效位

39、数。滤波器频率代码与实际频率的关系为:厅“钞厂/如式中为.相等的十进制数字,范围为至。由于】。等于,因此滤波器的频率的范围是.到.。同时它也指出了新数据到达的有效时间。当设定滤波器频率为,则新数据在后才有效;当设定滤波器频率为是,则新数据在后有效。芯片的输出噪声主要取决于频率。当频率设置比较低时,元器件本身是使产生噪声的主要因素,当频率越来越大时,产生噪声的主要因素变成了频率。所以改变滤波器的频率当频率产生的噪声占优势时对噪声的影响远大于改变内部半导体元件结构。滤波器的频率设置的越低低于,芯片以位接受数据时丢码越少。当滤波器的频率设为时,只能实现位的无误码。在这个系统中选用滤波频率为,输入增益

40、为时,输出的有效位数为.位。、的校准提供了多种校准选择,这些可以通过控制寄存器选择。只要将信号写入控制寄存器,校准模式可以在任意时候启动。芯片有白校准模式,这种模式可以通过使用校准寄存器和保存校准参数实现。通过使用系统校准模式,芯片的其他部分也可消除补偿和增益误差。在背景校准模式,芯片可不断的进行自校准,同时还可不断的更新校准参数。一旦芯片进入这种模式,用户不用周期性的发送校准命令给芯片或要求系统重校准当环境温度或电源供电压变化时。允许微处理器读取校准系数,还允许用户将预先存入的数据写进校准寄存器以改变校准参数。这使得微处理器对的校准过程具有更强的控制能力。这意味着用户能够检验所进行的校准是否

41、正确同时可以纠正它通过将校准寄存器中的参数与预先存入的数据进行比较。东南大学硕士学位论文、应用电路以及与单片机的接口电路的实际应用以及接口电路图如图.所示。在实际的使用时,工作状态设定为:外部时钟计数模式、外部信号差分输入、滤波器频率设置为选择自校正模式,差分可编程放大器增益为,输入通道为,输出位字长,单极性输入。时钟计数模式需要通过硬件设置选择,脚接低,选择外部时钟计数模式。其它状态的设定通过写状态控制寄存器来选定。懈眦?脚隅?一咖 删赢衄础飞图. 的实际应用以及接口电路图、的读写操作的读取:可以从寄存器、控制寄存器或校准寄存器中读数据。确定是从控制寄存器读数还是从输出/校准寄存器读数。在进

42、行读操作时,必须保持有效。,可对输出寄存器或校准寄存器进行读操作。,可对控制寄存器进行读操作。的作用取决于芯片输出数据的更新速率和输出寄存器输出数据的速率。当输出寄存器中有新的数据可输出时,变成低电平。当输出寄存器中的数据输出完毕后,将复位为高电平。如果数据没有从输出寄存器读出,将一直保持低电平。输出寄存器将不断的更新数据,而不会输出确认信号。在这种情况下,读操作所读取得数据是输出寄存器中最新的数据,如果新的数据已经到齐,并且希望能保存在输出寄存器,而此时的输出寄存器没有将数据输出完毕,将不会输出确认信号,这些新的数据将会丢失。在对控制寄存器和校准寄存器进行读操作时,豫不会受到影响。只有当为低

43、电平时,输出数据寄存器才能输出数据。如果当为高电平,而此时的变成低电平,仍然无法传送数据。在对控制寄存器或校准寄存器进行读操作时,不能施加任何影响。在外部时钟模式下的读操作时序图如图.所示。的写操作:可以对控制寄存器和校准寄存器进行写操作。在任何情况下,写操作都不会受的影响,同时写操作也不对的状态有任何影响。对控制寄存器和校准寄存器进行写操作时,写入的数据必须是位的。图?是写操作的时序图。决定是对控制寄存器还是对校准寄存器进行写操作。在对寄存器进行写操作时,必须一直有效。的下降沿启动输出。在的上升沿,输入的数据必须是有效的。数据是在的上升沿写入的,在最蔓三里翌垫塑垦笙堡至堕皇堕堂笪后一个高电平

44、处,最后一位数据写入寄存器。因此在这个高电平的下降沿,的输出端将被关闭。删斥二二二二习.卜 卜卜叫二:二元爵元趔 一§ 门一门门根据外部时钟模式的读写时序,读写操作的流程图如图.所示。进行读操作时,所有数据位在下降沿且在下一个上升沿有效,因此应该在置低后检测引脚电平。而写操作时,数据位必须先于的上升沿有效,且在高电平期间必须保持有效,因此应该先发送电平,然后再产生时钟信号。?而、厂面孬订堕.作流程图图. 读写操作的流程图.人机交互模块现场温度控制仪表可以实时显示恒温槽的实际温度值;用户可以通过按键设定现场温度控制仪表的各种参数,因而现场温度控制仪表应具有键盘显示接口,可以方便的实现人

45、机交互的功能。.液晶显示模块电路设计四显示模块选用致意电子技术的舣显示模块。是的单色、字符、图形显示模块,该模块内置液晶显示驱动模块,所以实际使用方便,与控制器的接口电末南大学硕士学位论文路简单。显示模块的显示屏为列,行结构。使用两片驱动控制器,每片有路输出,分别驱动列和.列;模块内部使用一片行输出及一片列输出驱动器。的液晶被分为相同的两块每块为;每块分为页:显示存储器用于存储显示数据,显示屏上各像素点的显示状态与显示存储器的各位数据一一对应,显示存储器的数据直接作为图形显示的驱动信号。数据为“”,则相应的像素点显示;数据为“”,则相应的像素点不显示。液晶显示模块的逻辑电路和接口电路框图如图.

46、所示,其外部引脚说明如表.所示。引脚编号 引脚定义功能说明地供电电压驱动电源/ 数据,命令字控制九读,写片选使能.数据总线显示屏左半边使能显示屏右半边使能/复位信号负压输出脚背光电压.背光电压.液晶模块内部驱动器只要提供电源就能产生驱动信号和各种同步信号,所以只要了解了驱动器的输入特性以及几个简单的操作命令就能方便的使用显示模块。液晶显示模块与单片机的接口电路有两种:、间接访问方式接口电路间接访问方式是计算机通过自身的或系统中的并行接口与显示模块连接,如的口和口,等并行接口芯片以及像类的锁存器等。计算机通过对这些接口的操作,以实现对第三章现场温度控制仪表的电路设计液晶显示模块的读/写操作和相关

47、的显示控制。图?是实用电路图。图中单片机的口作为数据口,为读写信号,为寄存器选择信号,为使能信号,作为复位控制信号。片选信号?和一高电平有效,分别控制显示屏的左半部?列和右半部一列。这种方法的特点是电路简单,可以实现高速计算机与模块的接口,但是液晶模块的读/写操作的控制时序需要通过软件实现,增加了在软件上的开销,也增加了液晶显示模块调试的时间。所以在实际电路的设计中选用了另一种直接访问方式接口电路,在原有的电路上只增加了一个与非门,就大大的简化了调试以及程序的编写。/ 卜/. /“? ,、直接访问方式接口电路直接访问方式就是将模块的接口作为存储器或/设备直接挂在计算机总线上,计算机以访问存储器

48、或/设备的方式对模块操作。图?是直接访问方式的接口实用电路图。片选信号一和一高电平有效,分别控制显示屏的左半部?列和右半部一列;信号由单片机的读信号/和写信号/合成产生;为控制寄存器选择信号:/控制数据总线的数据流向。同过电位器可以调节液晶屏的显示亮度。/ ., 一/,、§,系统采用了直接访问接口电路,通过这种接口方式,单片机向液晶进行读写操作时不需要通过软件来实现复杂的时序控制,只是把它当成普通的,进行操作,实现简单有效。在实际使用时,与不同。显示需要单片机一次传输的数据量较小,所以不会占用太多的处理器时间,但是显示内容丰富,所以需要传输的数据量较大,但是实际上每次变化的内容并不多

49、,所以可以针对不同情况来对液晶屏更新可以节约处理器在显示上所花的时间。具体见软件部分的介绍。东南大学硕士学位论文.按键电路设计四在设计按键时,根据按键多少有不同的设计方法:独立式按键结构和矩阵式按键结构。独立式按键是指直接用/口线构建成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根/口线,每根/口线上的按键工作状态不会影响其它“口线的工作状态。独立式按键电路配置灵活,软件结构简单,但是每个按键必须占用一根/口线,在按键较多时,/口线浪费较大。故在按键数量不多时,常采用这种按键电路。矩阵式按键结构是用/口线组成行、列结构,按键设置在行列的交点上。在按键较多时,可以节省/口线。在单片机应用系统中,键盘

50、扫描只是在工作的一个内容而已。在忙于各项工作任务时,如何兼顾键盘扫描;即保证不失时机地响应键操作,又不过多占用的时间。因此,要根据应用系统中的忙、闲情况,选择好的键盘工作方式。键盘工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式。编程扫描工作方式是利用在完成其它工作的空余,调用键盘扫描子程序,来响应键输入要求。在执行键功能程序时,不再响应键输入要求。选用这种方案时要考虑这种键盘扫描子程序的编程调用应能满足键盘响应的要求。定时扫描方式是利用单片机内部定时期产生定时中断,响应中断后对键盘进行扫描、并在有键按下时转入键功能处理程序。中断工作方式主要用于不经常需要键输入的场合,在这种情况下无论是编程工作或定时工作,经常处于空扫描状态。为了进一步提高效率,则可以采用中断工作方式,即只有在有键按下时,才执行键盘扫描,执行该键功能程序。由于单片机的/口线的限制,所以系统只用了四个按键,接口电路采用键盘扫描工作方式。电路如图