精品毕业论文--基于单片机的多功能智能化温度测量仪设计

精品毕业论文--基于单片机的多功能智能化温度测量仪设计内容摘要：

其温度系数约为 10mV/℃，电流 型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为 mV/K，常用的有 LM134/23TMP1 AK590、 AD592 等，电流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。 本次设计用到电流型两线制集成温度传感器 AD590（ 0℃时为 ）。 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。 它的主要特性如下： （ 1）流过器件的电流（ mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： Ir/T=1mA/K 式中： Ir— 流过器件（ AD590）的电流，单位为 mA； T— 热力学温度，单位为 K。 （ 2） AD590 的测温范围为 55℃～ +150℃。 （ 3） AD590 的电源电压范围为 4V～ 30V。 电源电压可在 4V~6V 范围 变化，电流 变化1mA，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 （ 4）输出电阻为 710M。 （ 5）精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M 五档，其中 M档精度最高，在 55℃～ +150℃范围内，非线性误差为177。 ℃。 AD590 测量热力学温度、摄氏温度、两 点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。 由于 AD590 精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。 选择单片机器件 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 选择器件时应考虑其性能是否满足设计需求，是否具有良好的技术支持和文档支持，是 否具有良好的性价比等，其核心是单片机的选型。 在大多情况下，理应选择性价比高的单片机及其它器件，但在某些特殊场合，当性能成为决定因素时，应以性能优先原则选择所需的单片机或其它器件。 单片机一般分为 51系列和 52系列，本次设计用到的是 52系列即 8051单片机。 13 在微机控制系统中，工业生产过程的被测控参数，如温度、压力、流量、液位、成份、速度等都是连续变化的量，习惯上称为模拟量，而计算机所需要的则是离散的数字量。 因此，在过程控制及微机进行数据处理的系统中，必须首先把模拟量变成数字量。 这样才能送到微机进行处理和运算， 然后显示打印结果，或通过控制电路对现场进行控制。 单片机控制的一般模式如图。 图 单片机用于测量控制系统原理示意图 时钟电路设计、接口设计 在许多的单片机系统中，通常进行一些与时间有关的控制，这就需要使用实时时钟。 若再要求记忆用户的一些设置，还需要使用存储器。 本系统采用一片 DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片 DS13 02和两片 Intel公司的 E2PR OM2 864芯片。 DS 13 02 是一个实时时钟芯片，附加 31字节静态 RAM，可通过简单的串行总线与单片机进行通讯，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于 31天时可自动调整，包括闰年，有效期至 2100年。 可采用 12h或 24h方式计时，采用双电源 (主电源和备用电源 )供电，可设置备用电源充电方式，芯片为 8引脚小型 DIP封装 包括 A/D接口、 D/A接口、 LED显示器接口等。 单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的 放大器的设计 温度传感器的输出电压经过 ISO100隔离放大 (单增益 )后，将输 出电压送给测量放大器进行放大，以便放大后的输出电压和 A/D转换器的量程相匹配。 测量放大器的输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。 它的输入失调电压、输入失调电流及输入偏置电流小，时间漂移小，因而稳定性好。 它的共模抑制比大，适用于在大的共模电压背景下对微小差模信号的放大。 它是一种高性能的放大器，常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生需测 量现场 集成 温度 传感器 共射极放大器 多路开关 转换 采样保持 A/D 单片机 系统 显示打印 控制 14 物测量以及其它有较大共模干扰下的本质上是直流缓变的微弱差模信号放大。 本设计中选用了 AD521，它是美国 AD公司生产的第二代单片集成精密仪表放大器。 AD521的特性参数如下 (1) 可调范 围为 ～ 10000 (2) 温度稳定性为士 (3士 ) PPM/℃ (3) 失调电压为 (4) 差模输入电阻为 3 109 (5) 共模输入电压为 6 109 (6) 温漂系数为 ℃ A/D和 D/A 转换器设计 [21] 通常嵌入式单片机（ MCU），由于设计用途的不同，并不是每一种都有 A/D转换，即使有的带 A/D转换，一般都是 8位或 10位分辨率，用户在使用这些芯片而又需要较高分辨率的 A/D功能时，一般要外接专用的 A/D芯片，如 MAX110等。 这些芯片虽然具有精度好、分 辨率高，使用方便等优点，但价格很高，增大了系统成本，为此可使用各种 A/D转换技术构成廉价的 A/D。 一般 A/D转换常用以下四种方式： 1 计算式 A/D。 速度慢，结构简单，价格低。 2 双积分式 A/D。 精度高，速度慢，能消除干扰和电源噪声。 3 逐次逼近式 A/D。 速度高。 4 并行转换 A/D。 速度最快，但成本高。 在与计算机相配接时，逐次逼近式 A/D转换器使用最多，常用的有 8位、 10位、 12位、 16位等。 位数越多，精度越高，价格也越高，应用时根据精度要求选用。 常用的 8位 A/D转换器有 ADC080 080 0804等型号， 有的还带 8位多路开关，如ADC080 0809等。 转换方式可分为两种： 1 软件转换方式 —— 用 A/D器件加上软件实现 A/D转换。 其特点是价格较低、速度慢、软件复杂。 2 硬件转换方式 —— 直接用 A/D器件，其特点是速度快、价格高、硬件简单。 A/D转换器硬件与单片机连接的方式如图。 8 位 A/D 启动转换 转换结束 P1 单片机 8031 8051 8751 P20 INT 锁存器 VINN 15 图 A/D转换器硬件与单片机连接的方式 若 A/D转换器中带锁存器，可与单片机直连；若 A/D片中不带锁存器，则在单片机与 A/D之间要家锁存器（如图 ），如 74LS373等。 至于进入单片机后的信号如 何处理，则要根据测试控制要求来决定。 控制可用位控方式，也可用 D/A转换方式等。 图 A/D转换与 51单片机的接口 显示器及键盘的设计 [7] 单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器 LED (Light Emitting Diode)。 液晶显示器 LCD (Liquid Crystal Display)。 近年也有配置 CRT显示器的。 LCD和CRT器可进行图形设计，但接口比较复杂，成本也较高。 LED显示器，价格便宜，配置灵活，与单片机接口方便，因此本设计中采用的是 LED显示器。 在电路中为 8279扩展工 /0控制的 8位共阴极 LED动态显示接口电路。 由于所有 8位段选线皆由一个 1/0口控制，因此，在每一瞬间， 8位 LED会显示相同的字符。 要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位 LED，记载每一瞬间只使某一位显示字符。 在此瞬间，段选控制 T/0口输出相应字符段选码 (字型码 )，而位选则控制工 /0口在该显示为送入选通电平 (因为 LED为共阴，故应送低电平 )，以保证该位显示相应字符。 如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。 逐位轮流点亮各个 LED，每一位停留 lms，在 1020ms之内再一次点亮，重复不止，这样，利用人的视觉暂留好像六位 LED同时点亮了。 在此仪器的设计中， LED显示器的显示方式采用的是动态显示方式。 在本设计中采用 8279可编程键盘、显示器接口芯片。 8279芯片是一种专用于键盘、显示器的接口器件，它能对显示器自动扫描，能识别键盘上闭合键的键号，提高 CPU的 16 工作效率。 8279包括键盘输入和输出两部分。 键盘部分提供扫描工作方式，可以和具有64个按键和传感器的阵列相连。 能自动消除抖动以及对 n键同时按下采取保护。 显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工 作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号可显示多达 16位的字符或数字由于显示所需电流比 8279输出的电流要大，所以在显示器前端用 7407驱动器对 8279的输出电流进行放大。 8279的中断请求信号线 IRQ经反向驱动器 74F04接至 8031外部中断，这样，可通过中断方式对按键进行处理 抗干扰措施 单片机应用系统的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，为提高系统的可靠性。 抗干扰措施在硬件电路设计中显得尤为重要。 根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从以下方面考虑。 1）电源供电系统 为了克 服电网以及自本系统其他元件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。 2） 电路上的考虑 为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施： (1) 大规模 IC芯片电源供电端都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级供电节点还应加足够容量的退藕电容； (2) 开关量 I/O通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连接的通道，一定要采取隔离措施； (3) 可采用 CMOS器件提高工作电压（如 +15V），这样干扰门限也相应提高； (4) 传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强； (5) 电路应有合理的布线及接地方法； (6) 与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。 本章中确定了系统的设计总体方案，温度检测所用到的方法，单片机应用系统的研制方案。 还具体介绍了各模块设计方案，初步明确了系统研制方法。 此外还考虑到了系统设计中所遇到的干扰和消除干扰的方式，为系统 进一步 的设计做好了准备。 17 第 3 章 系统的硬件设计 系统总体原理框图 系统总体原理框图如图 图 系统总体原 理框图 信号输入部分总体设计 信号输入部分总体设计如图 图 信号输入部分总体设计 18 信号输入部分设计 集成温度传感器 [1] 常用的热电传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感器等。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 be 结压降的不饱和值 VBE与热力学温度 T和通过发射极电流 I的下述关系实现对温度的检测： ln eBE sJkTUaqJ （ ） 式中， k— 波尔兹常数； q— 电子电荷绝对值。 集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种，其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。 电压型集成温度传感器一般是三线制，其温度系数约为 10mV/℃，电流 型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为 mV/K，常用的有 LM134/23TMP1 AK590、 AD592 等，电流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。 本次设计用到电流型两线制集成温度传感器 AD590（ 0℃时为 ）。 AD590 是美 国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。 它的主要特性如下： a、流过器件的电流（ mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： Ir/T=1mA/K 式中： Ir— 流过器件（ AD590）的电流，单位为 mA； T— 热力学温度，单位为 K。 b、 AD590 的测温范围为 55℃～ +150℃。 c、 AD590 的电源电压范围为 4V～ 30V。 电源电压可在 4V~6V 范围变化，电流 变化 1mA，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 d、输出电阻为 710M。 e、精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M五档，其中 M 档精度最高，在 55℃～ +150℃范围内，非线性误差为177。 ℃。 集成温度传感器是利用晶体管 PN结的电流和电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。 它除了与半导体热敏电阻一样有体积小 反应快的优点外，还具有线形好、性能高、价格低、抗。