1、<p><b>　　《智能儀器設計》</b></p><p><b>　　課</b></p><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設</b></p><p><b>　　計</b></p>

2、<p><b>　　報</b></p><p><b>　　告</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　零. 摘要..................................................................4</

3、p><p>　　0.1 摘要..................................................................4</p><p>　　0.2 Abstract..............................................................5</p><p>　　一. 設計目的及

4、原理7</p><p>　　1.1設計題目和目的5</p><p>　　1.1.1設計題目5</p><p>　　1.1.2設計目的5</p><p>　　1.2設計基本要求5</p><p><b>　　1.3設計原理6</b></p><p><b&g

5、t;　　二．硬件設計7</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)原理框圖7</p><p>　　2.1.1STC89C51簡介8</p><p>　　2.1.2 產(chǎn)品外觀8</p><p>　　2.2基本模塊簡介…………………………………………………………...11</p><p>　　2.2.1

6、Pt100溫度測量接口技術11</p><p>　　2.2.2熱電阻PT100信號調(diào)理電路設計12</p><p>　　2.2.3功率輸出電路12</p><p>　　2.2.4 4-20mA電流輸出電路13</p><p>　　2.2.5數(shù)碼管顯示及指示電路13</p><p>　　2.2.6按鍵電路15

7、</p><p>　　2.2.7報警電路15</p><p>　　2.2.8下載電路15</p><p>　　2.2.9 通信電路16</p><p>　　2.2.10輸出驅(qū)動電路16</p><p>　　2.2.11電源電路17</p><p>　　三．系統(tǒng)流程圖軟件設計………………

8、……………………………………..25</p><p>　?。?１　軟件設計算法分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p>　　３.１.1比例控制算法17</p><p>　?。?１.２熱非線性校正算法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

9、．．．．．．．．．18</p><p>　　３.１.3 溫度數(shù)據(jù)顯示子程序........................................</p><p>　　3.２ 軟件設計基礎．．．．...........................................</p><p>　　3.２.1基于STC89C51單片機實現(xiàn)智能測溫儀表軟件

10、設計………………………19</p><p>　　3.２.2基于STC89C51單片機的智能測溫儀表程序框架21</p><p>　　3.3 系統(tǒng)流程圖...............................................</p><p>　　四.總電路圖.26</p><p>　　4.1 Protel99SE電

11、氣原理....................................................</p><p>　　4.2 PCB版圖................................................................</p><p>　　五. 電路仿真的設計與分析27</p><p>　?。?1 P

12、roteus仿真軟件介紹. </p><p>　　5.2 仿真分析..............................................................</p><p>　　六. 體會心得27</p><p>　　附錄１ c語言程序28</p><p>　　附錄２　參考文獻．．．．．．．．．．．

13、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．</p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　０.１　摘要：</b></p><p>　　運用單片機原理及應用-基于51與高速新型C8051F330單片機做的智能儀器是含有微型計算機或者微型處理器的測量儀器，擁有對數(shù)據(jù)的

14、存儲運算邏輯判斷及自動化操作等功能。它的出現(xiàn)，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應用。本次課程設計就是基于STC89C51單片機的數(shù)字測溫智能儀器。</p><p>　　傳感器取被測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關；由單片機逐路選通模擬開關將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng)A

15、／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據(jù)儀器所設定的初值進行相應的數(shù)據(jù)運算和處理(如非線性校正等)；運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)據(jù)進行顯示和打?。煌瑫r單片機把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)FlashROM(閃速存儲器)或EPROM(電可擦除存貯器)內(nèi)的設定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結(jié)果和控制要求，輸出相應的控制信號(如報警裝置觸發(fā)、繼電</p><p>　　器觸點等)。本次設計使用PT100熱電阻。<

16、/p><p>　　目前的智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的，它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結(jié)晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)。社會的發(fā)展使人們對傳感器的要求也越來越高，現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機的基礎上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感

17、器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展，本文將介紹智能集成溫度傳感器鉑金屬電阻的結(jié)構特征及控制方法，并對以此傳感器，單片機為控制器構成的數(shù)字溫度測量裝置的工作原理及程序設計作了詳細的介紹。與傳統(tǒng)的溫度計相比，其具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫要求比較準</p><p>　　確的場所，或科研實驗室使用。此外，智能儀器還可以與PC機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作

18、為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機——PC機，由PC機進行全局管理。</p><p>　　本次課程設計采用keil編譯軟件編寫C語言源代碼。經(jīng)調(diào)試好后，裝載入單片機進行仿真，完成智能儀器的核心設計。</p><p>　　關鍵字：STC89C51單片機，A／D轉(zhuǎn)換器，鉑金屬電阻，EPROM，智能儀器，數(shù)字測溫溫度計</p><p>　　0.

19、2 Abstract:</p><p>　　Using single chip microcomputer principle and applications-based on 51 with high speed and new single chip microcomputer intelligent instrument do C8051F330 contains a microcomputer or m

20、icro processor measuring instrument for data storage operations with logic and automatic operation etc. Function. The emergence of the traditional instruments greatly expanded the range. Intelligent instrument with its s

21、mall size, the function is strong, low power consumption advantages, quickly in home appliance</p><p>　　Sensor measured parameters to take information and translated into electrical signals, the filter remov

22、e interference into more road after analog switch; By way of microcomputer choose the analog switch will each input channel one signal into program-controlled gain amplifier, enlarge the signal after the A/D converter co

23、nverted into the pulse signal into the single chip microcomputer after; Single chip set by the instrument according to the initial corresponding data operation and treatment (su</p><p>　　The current intellig

24、ent temperature sensor (also called digital temperature sensor) is in the mid 1990 s came, it is microelectronics technology, computer technology and automatic test technology (ATE) crystallization, characteristic is to

25、output data and related temperature of temperature control quantity, adaptation various micro controller (MCU). The development of the society to the requirements of the sensor to make people more and more is also high,

26、now of the temperature sensor is based o</p><p>　　This course design uses keil software compiler language C source code. After the commissioning, loaded into the single chip microcomputer, and simulation com

27、plete intelligent instrument the core design.</p><p>　　Keyword: STC89C51 single-chip microcomputer, A/D converter, platinum of resistance, EPROM, intelligent instrument, digital temperature thermometer</p

28、><p><b>　　設計目的及原理</b></p><p>　　1.1設計題目和目的:</p><p><b>　　1.1.1設計題目</b></p><p>　　題目要求：27. 試設計智能儀表</p><p>　　實現(xiàn)智能數(shù)字顯示儀表。要求8位數(shù)碼管顯示（4位顯示測量值，4

29、位顯示設定值），4輸入按鈕（功能選擇、數(shù)碼管選擇、數(shù)字增加、數(shù)字減少），可設定上下限報警（蜂鳴器報警）。適配PT100熱電阻，測溫范圍為0℃~300℃。采用比例控制、并用晶閘管脈寬調(diào)制驅(qū)動1000W電加熱器（電源電壓為AC220V）。</p><p>　　.1.1.2設計目的</p><p>　　涉及智能儀表硬件與軟件設計。智能儀器課程設計是智能儀器課程教學的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)設計智能儀表產(chǎn)品

30、的課程改革目的，特選擇一些小型智能儀表產(chǎn)品作為課設題目，滿足教學需求。單片機綜合練習是一項綜合性的專業(yè)實踐活動，目的是讓學生將所學的基礎理論和專業(yè)知識運用到具體的工程實踐中，以培養(yǎng)學生綜合運用知識能力、實際動手能力和工程實踐能力。</p><p>　　1.2 設計基本要求:</p><p>　　（1）正確理解設計題目，經(jīng)過查閱資料，給出正確設計方案，畫出詳細儀表原理框圖（各個功能部分用方框

31、表示，各塊之間用實際信號線連接）。在網(wǎng)上收集題目中所用到的器件資料，例如傳感器（熱偶分度表等）、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、單片機、繼電器、電源、顯示器件等。通過課程學習熟悉單片機內(nèi)部資源，學會ADC、SPI接口、定時器、中斷、串口、I/O引腳等模塊的編程。相關單片機的顯示、AD轉(zhuǎn)換、顯示、控制算法等程序。在充分研究這些資料基礎之上，給出設計方案（選擇信號調(diào)理電路、單片機、顯示、按鍵輸入、繼電器驅(qū)動、電源等，簡要說明選擇的理由）</

32、p><p>　　（2）用Protel99SE軟件設計儀表詳細原理圖要求正確標記元件序號、元件數(shù)值、封裝名。</p><p>　?。?）設計PCB圖。在畫PCB前應該購買元件，因為有了元件才知道封裝尺寸，本次設計只到元件商店測量實際元件尺寸后，使用Protel99SE畫封裝圖。</p><p>　?。?）采用C語言開發(fā)所設計儀表的程序。按照題目要求，確定儀表需要完成的任務

33、（功能），然后分別編制各任務的程序。程序應該有說明，并有詳細注釋。</p><p><b>　　1.3設計原理：</b></p><p>　　PT100是溫度敏感元件，由于溫度不同，它的電阻值不同變化?？梢詫崿F(xiàn)溫度采集并轉(zhuǎn)化為電量。由熱電阻傳感器送來的電信號在測量橋路進行冷端自動補償后，送入放大器，一面把信號進行放大，同時把非線性信號校正為線性信號，經(jīng)線性放大信號一路

34、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行數(shù)字顯示，另一路傳輸?shù)秸{(diào)節(jié)網(wǎng)絡，進行規(guī)定的比較運算，同時輸出一個需要的控制信號和進行工作狀態(tài)指示。通過數(shù)字濾波等信號調(diào)理電路將所得數(shù)字量，傳送至數(shù)碼管顯示，即可實時讀出所測得溫度值</p><p><b>　　第二章 硬件設計</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)原理框圖：</p><p><b

35、>　　圖1 基本原理圖</b></p><p>　　本設計智能溫度數(shù)顯表由溫度監(jiān)測、信號處理、輸出控制三部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示,它通過Pt100熱電阻傳感器獲取繞組溫度值,經(jīng)信號調(diào)理電路處理后直接送入控制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。微控制器根據(jù)信號數(shù)據(jù)及設定的各種控制參數(shù),按照嵌入的軟件控制規(guī)律執(zhí)行計算與處理,自動顯示智能儀表數(shù)顯表可測的溫度范圍、并根據(jù)當前狀態(tài)輸出正常、設定上下限報警等。&

36、lt;/p><p>　　STC89C51簡介：</p><p>　　圖2 STC89C51單片機引腳</p><p>　　STC89C52系列單片機是從引腳到內(nèi)核都完全兼容標準8051的單片機，有PDIP-40、PLCC-44、PQFP-44三種封裝形式。</p><p>　　Intel公司MCS-51單片機的基本結(jié)構如圖1-4所示。該單片機具

37、有如下資源：</p><p>　?。?）一個8位算術邏輯單元（CPU）。</p><p>　?。?）4組，共32個I/O口，每口8個引腳，可單獨尋址，其中P0、P2口具有地址/數(shù)據(jù)總線功能。</p><p>　?。?）兩個16位定時/計數(shù)器（簡稱為定時器）。</p><p>　?。?）全雙工串行通信口。</p><p>

38、;　?。?）5個中斷源，具有兩個中斷優(yōu)先級。</p><p>　?。?）128B內(nèi)置RAM。</p><p>　　（7）具有64KB可尋址數(shù)據(jù)和代碼區(qū)。</p><p>　?。?）各個模塊采用三總線（地址、數(shù)據(jù)和控制）連接。</p><p>　?。?）開放總線接口，P0口分時作為8位數(shù)據(jù)總線與8位地址總線，P2口作為地址總線高8位。</

39、p><p>　　每個MCS-51單片機處理周期包括12個時鐘周期（又稱為一個機器周期），每12個時鐘（一個機器）周期用來完成一個操作，例如取指令等，指令執(zhí)行時間為時鐘頻率除以12后取倒數(shù)，如果系統(tǒng)時鐘是12MHz，則相當于執(zhí)行每條指令所需要的時間1μs。</p><p><b>　　1.I/O端口</b></p><p>　　I/O端口0、1、2、

40、3驅(qū)動器與鎖存器。</p><p><b>　　2.存儲器部分</b></p><p>　　RAM：51單片機具有128字節(jié)的片內(nèi)RAM，</p><p>　　FLASH：片內(nèi)ROM，用于保存代碼等，片內(nèi)ROM采用FLASH結(jié)構的存儲器構成，具有ISP功能，容量隨型號不同而不同，對于AT89S51單片機，F(xiàn)LASH容量為4KB。</p&g

41、t;<p><b>　　SP：棧指針</b></p><p>　　3.算術與邏輯運算部分</p><p>　　寄存器B：用于乘除等操作的寄存器，常保存運算的第2操作數(shù)。</p><p><b>　　ACC：累加器，</b></p><p>　　TMP1、TMP2：暫存器，用于暫時保存數(shù)

42、據(jù)。</p><p>　　ALU：8位算術邏輯單元ALU，</p><p>　　PSW：程序狀態(tài)字，</p><p><b>　　4.指令處理部分</b></p><p>　　程序地址寄存器：用于保存程序地址。</p><p>　　緩沖器：緩沖總線數(shù)據(jù)。</p><p>　

43、　PC+1：程序計數(shù)器加1處理模塊。</p><p>　　PC：保存下一條指令地址的16位地址寄存器，可尋址范圍為64K。</p><p>　　DPTR：雙數(shù)據(jù)指針，DPTR為兩個8位緩存器（DPH和DPL）組成的16位緩存器，。</p><p>　　5.時序控制與指令寄存部分</p><p><b>　　定時與控制單元：</

44、b></p><p>　　指令寄存器：保存指令并指令譯碼后，在定時與控制單元的配合下，使CPU執(zhí)行各種操作。</p><p>　　WDT：看門狗。用于程序不運行時，自動復位單片機。</p><p>　　OSC：時鐘振蕩器，與外接石英晶體一起組成時鐘振蕩器。</p><p><b>　　6.ISP部分</b><

45、/p><p>　　ISP端口：通過該端口與PC通信，實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）。</p><p>　　編程邏輯：控制ISP操作。</p><p><b>　　7.外圍模塊部分</b></p><p>　　該單片機的外圍模塊包括兩個定時器，串行接口、4個I/O口與外中斷模塊。</p><p><b&

46、gt;　　產(chǎn)品外觀：</b></p><p><b>　　圖3 舉例產(chǎn)品</b></p><p><b>　　基本模塊簡介：</b></p><p>　　由題目可知，該測溫儀表需要如下電路模塊：</p><p>　?。?）單片機電路（包括單片機最小系統(tǒng)、ADC、數(shù)碼顯示、按鍵、LED

47、燈、電源等）。</p><p>　?。?）熱電阻PT100信號調(diào)理電路</p><p>　?。?）4~20mA輸出電路與加熱功率驅(qū)動電路。</p><p>　　Pt100溫度測量接口技術：</p><p>　　下圖為Pt100電阻外觀：</p><p>　　圖4 Pt100電阻</p><p>

48、;　?。?）鉑金屬熱電阻簡介</p><p>　　鉑金屬電阻精度高，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越??；最常用鉑電阻按照0℃時的電阻值分為R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種，稱為Pt10、Pt100、Pt1000；</p><p>　　鉑電阻阻值與溫度之間的關系呈非線性,即</p><p>　　Rt = R0 ( I +αt +βt

49、2 ) (t在0～630℃之間) </p><p>　　式中: Rt是鉑熱電阻的電阻值，單位為Ω;</p><p>　　R0是鉑熱電阻在0℃時的電阻值，對于PT100，R0 = 100Ω;</p><p>　　α是一階溫度系數(shù)，α = 3.912 ×10 -3 (℃)</p><p>　　β是二階溫度系數(shù)，β = 6.179 

50、15;10 -7 (℃)</p><p>　　鉑熱電阻PT100的阻值與溫度之間的關系稱為分度表，分度表給出溫度每變化10℃對應的阻值。如下表（0℃~300℃）：</p><p>　?。?）PT100 設計參數(shù)</p><p>　　PT100 鉑熱電阻A 級在0℃時的電阻值R0=100±0.06Ω；B 級R0=100±0.12Ω。PT100 鉑熱

51、電阻允許通過的最大測量電流為5mA，由此產(chǎn)生的溫升不大于0.3℃。設計時PT100 上通過的電流不能超過5mA。</p><p>　　由于非線性計算浪費時間，溫度測量會有很大的滯后，所以編程時不會用計算法，而是利用PT100熱電阻的分度表通過查表，找到對應溫度的阻值，即可得到實時溫度值。若R-T分度表沒該溫度下的電阻值，通過線性內(nèi)插法，大概估算溫度值。下表即為PT100的分度表。范圍是-200——390℃<

52、/p><p>　　2.2.2 熱電阻PT100信號調(diào)理電路設計：</p><p>　　1. 鉑熱電阻的工作原理：</p><p>　　鉑熱電阻元件作為一種溫度傳感器，其工作原理是在溫度的作用下，鉑電阻絲的電阻值隨著溫度的變化而變化。溫度和電阻的變化接近于線性關系，偏差極小且隨著時間的增長，偏差可以忽略，具有可靠性好、熱響應時間短等特點，且電氣性能穩(wěn)定。鉑熱電阻是一種精

53、確、靈敏、穩(wěn)定的溫度傳感器。鉑熱電阻元件是用微型陶瓷管、孔內(nèi)繞制好的鉑熱電阻絲脫胎線圈制成的感溫元件，由于感溫元件可以做的相當小，因此它可以制成各種微型溫度傳感器探頭?？捎糜?200～+240℃范圍內(nèi)的溫度測量。</p><p>　　2. PT100鉑電阻傳感器接線方式：</p><p>　　PT100鉑電阻傳感器有三條引線,可用A、B、C（或黑、紅、黃）來代表三根線,三根線之間有如下規(guī)律

54、：</p><p>　　A與B或C之間的阻值常溫下在110歐左右,B與C之間為0歐,B與C在內(nèi)部是直通的,原則上B與C沒什么區(qū)別. 儀表上接傳感器的固定端子有三個：   A線接在儀表上接傳感器的一個固定的端子.B和C接在儀表上的另外兩個固定端子，B和C線的位置可以互換,但都得接上，。如果中間接有加長線,三條導線的規(guī)格和長度要相同。熱電阻的3線和4線接法：是采用2線、3線、4線，主要由使（選）

55、用的二次儀表來決定。</p><p>　　目前熱電阻的引線主要有三種方式　　○1二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質(zhì)和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合　　○2三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電

56、阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻?！　　?四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。</p><p>　　圖5 三種接線方式比較</p><p>　　熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導

57、線電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。工業(yè)上一般都采用三線制接法。熱電偶產(chǎn)生的是毫伏信號，不存在這個問題。</p><p>

58、　　圖6 典型三線制方式</p><p>　　圖7 尺寸圖 圖8 接線圖</p><p>　　圖9 熱電阻PT100信號調(diào)理電路設計</p><p>　　2.2.3 功率輸出電路：</p><p>　　使用晶閘管過零驅(qū)動電路，實現(xiàn)功率放大和強弱電隔離，比例控制、并用晶閘管脈寬調(diào)制驅(qū)動100

59、0W電加熱器。經(jīng)過計算：如下選型：晶閘管BTA12，光隔離過零型晶閘管MOC3063.</p><p>　　圖10 功率輸出電路</p><p>　　4-20mA電流輸出電路：</p><p>　　圖11 4-20mA電流輸出電路</p><p>　　數(shù)碼管顯示及指示電路：</p><p>　　依據(jù)題目要求：要求8

60、位數(shù)碼管顯示（4位顯示測量值，4位顯示設定值），4輸入按鈕（功能選擇、數(shù)碼管選擇、數(shù)字增加、數(shù)字減少）圖12,13皆只畫出一半。驅(qū)動芯片７４ＬＳ５７３、</p><p>　　圖12 數(shù)碼管段驅(qū)動 圖13 數(shù)碼管位驅(qū)動</p><p><b>　　圖14 顯示電路</b></p><p>　　圖15 HC5

61、95驅(qū)動芯片</p><p><b>　　圖16 指示電路</b></p><p>　　指示電路是指示按鍵的輸入狀態(tài)的。D1、D2、D3、D4與S1、S2、S3、S4一一對應，當某個按鍵按下時，單片機相應的引腳將置低電平，使該按鍵相對應的二極管發(fā)光。</p><p>　　2.2.6 按鍵電路：</p><p><

62、;b>　　圖17 按鍵電路</b></p><p>　　4個按鍵與單片機的接線圖及個按鍵的作用如上圖所示；當單片機的引腳輸入為低電平時，表示該引腳所對應的按鍵按下，單片機實現(xiàn)相應的功能。</p><p>　　2.2.7 報警電路：</p><p><b>　　圖18 報警電路</b></p><p&g

63、t;　　當溫度超過報警限時，單片機相應管腳輸出一定頻率的電平。蜂鳴器發(fā)出聲。</p><p>　　2.2.8 下載電路：</p><p>　　圖19 SPI接口</p><p>　　下載程序代碼用的是SPI接口，用ISP電纜對單片機進行編程。</p><p>　　2.2.9 通信電路：</p><p><b

64、>　　圖20 通信接口</b></p><p>　　該模塊用到跳線，不通信時D0、D1口作為常規(guī)I/O口使用；通信時其作為通信口使用，實現(xiàn)單片機與單片機或是其它上位機的通信。</p><p><b>　　輸出驅(qū)動電路：</b></p><p>　　圖21 輸出驅(qū)動電路</p><p>　　采用光控過

65、零驅(qū)動晶閘管，進而控制電加熱器的通斷電。元器件選型MOC3063。MOC3063是雙向晶閘管過零檢測輸出：6引腳位,單組器件</p><p>　　圖22 MOC3063引腳圖 圖23 MOC3063實物圖</p><p>　　雙向晶閘管選型BTA12-600，主要電氣特性如下：</p><p>　　表2 BTA12-600電氣特性</p&

66、gt;<p>　　圖24 BTA12-600外觀</p><p>　　2.2.11 電源電路：</p><p>　　圖25 電源電路</p><p>　　由于STC89C51是單一+5V供電，而且需要從直流電源整流變壓，再由7805芯片穩(wěn)壓，加上接線插座。</p><p>　　2.2.12 DS1302時鐘電路設計:&

67、lt;/p><p>　　DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202

68、兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。本設計中采用DS1302時鐘芯片產(chǎn)生時鐘信號，通過單片機進行處理控制，并顯示出實時的時間，可以用于對溫度進行實時的數(shù)據(jù)采集。本次設計用它來作為時鐘電路。</p><p><b>　　引腳功能及結(jié)構 </b></p><p>　?、貲S1302 引腳：</p><p

69、>　　X1 X2 32.768KHz 晶振管腳</p><p><b>　　GND 地</b></p><p><b>　　CE 復位腳</b></p><p>　　I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳</p><p><b>　　SCLK 串行時鐘</b></p>

70、<p>　　Vcc1,Vcc2 電源供電管腳</p><p><b>　?、诟饕_的功能為：</b></p><p>　　Vcc1：主電源；Vcc2：備份電源。當Vcc2>Vcc1+0.2V時，由Vcc2</p><p>　　向DS1302供電，當Vcc2< Vcc1時，由Vcc1向DS1302供電。</p>

71、<p>　　SCLK：串行時鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出；</p><p>　　I/O：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線；</p><p>　　CE：輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：</p><p>　　CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；</p><p>　　CE 提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?lt

72、;/p><p>　　X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。</p><p>　　RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電

73、平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK始終是輸入端。 </p><p>　　DS1302的引腳功能圖如圖26所示：</p><p>　　圖26 DS1302引腳圖</p><p>　　2.

74、 DS1302的控制字節(jié) </p><p>　　DS1302 的控制字如圖27所示。控制字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為邏輯0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址輸入或輸出。最低有效位(位0)如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。 </p><p>　　

75、3. 數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O) </p><p>　　在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。 </p><p>　　4. DS1302的寄存器 </p><p>　　DS1302有12個寄存器，其中

76、有7個寄存器與日歷、時鐘相關，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其控制字見圖27所示。</p><p>　　圖27 DS1302的控制字節(jié)</p><p><b>　　圖28 典型電路</b></p><p>　　此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充

77、電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 DS1302與RAM相關的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存</p><p>　　器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為 FEH（寫）和FFH（讀）。</p><p>　　5.DS1302與單片機的連接

78、</p><p>　　DS1302與CPU的連接需要三條線，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。這三條線分別接到CPU的I/O線上。 </p><p>　　第三章　系統(tǒng)流程圖軟件設計</p><p>　　３.１　軟件設計算法分析：</p><p>　?。?１.１　比例控制算法：</p><p>　　比例控制

79、(P)是一種控制算法，其輸出量out與溫度偏差e=SV-PV成比例關系，寫成數(shù)學公式是：out= kp * e+out0</p><p>　　式中，e是測量溫度值PV與設定溫度值SV之間的偏差，Kp是比例系數(shù)。out是輸出量。out0是對應e=0時的控制量，可由人工確定，通常取輸出控制量。</p><p>　　圖29　　比例控制曲線</p><p>　　不同比例系數(shù)

80、Kp下對象溫度變化示意圖，但達不到無凈差輸出。</p><p>　　若是假設比例帶為pb，控制量為out，設最大偏差值就是溫度設置值。則有如下的偽代碼：</p><p><b>　　e=PV-SV;</b></p><p><b>　　kp=1/pb;</b></p><p>　　out=kp*e+

81、out0;</p><p>　　if(out>outmax)</p><p>　　out=outmax;</p><p><b>　　if(out<0)</b></p><p><b>　　out=0;</b></p><p>　　3.1.2 熱非線性校正算法:

82、</p><p>　　由于R-t關系式非線性，雖然是連續(xù)性變化，但這樣計算太困難，所以采用查表法，并加以非線性校正。</p><p>　　溫度范圍0~200℃的熱電阻PT100的表格如下：</p><p>　　unsigned char code R_TABLE[21]={100，119.40，138.51,157.33,175.86，194.10，212.05};

83、</p><p>　　若是對于熱電阻，有如下方法計算測得量Rx：</p><p>　　假設Ri代表對應溫度Ti的熱電阻，測量得到的熱電阻值為Rx，查表可知它位于（Ri，Ti）和[R(i+1)，T(i+1)]兩個標定點之間，則熱電阻Rx所對應的溫度值Tx可由下式求得，其算法示意如圖所示。</p><p>　　兩相鄰電阻之間差50℃，則（Ri+1－Ri）/50為直線斜率

84、。</p><p>　　可以得到Ri到RX的溫度差為：</p><p>　　T（Rx－Ri）=（50/（Ri+1－Ri））*（Rx－Ri）</p><p>　　線性標度變換的前提條件是傳感器的輸出信號與被測參數(shù)之間呈線性關系:</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　A

85、x 實際測量值(工程量) A0 一次測量儀表的下限（測量范圍最小值）。</p><p>　　Am 一次測量儀表的上限（測量范圍最大值）。N0儀表下限所對應的數(shù)字量。</p><p>　　Nm儀表上限所對應的數(shù)字量。 Nx實際測量值所對應的數(shù)字量。</p><p>　　3.1.3 溫度數(shù)據(jù)顯示子程序：</p><p>　　顯示數(shù)

86、據(jù)子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，查表送段碼至LED，開位碼顯示，采用動態(tài)掃描方式。</p><p>　　3.1.4 晶閘管脈寬調(diào)制位式控制算法：</p><p>　　位式控制又稱為“開/關”或是“通/斷“型控制，位式控制又分為二位式、三位式兩種。</p><p><b>　　（1）二位式控制</b></p>

87、<p>　　二位式調(diào)節(jié)只有開、關兩種狀態(tài)，當測量對象溫度（PV）低于設定溫度值（SV）時，加熱器得電全功率加熱；當對象溫度高于給定溫度值時加熱器失電停止加熱。通常采用接觸器J控制加熱器，當接觸器觸點閉合，電熱器通電開始加熱，而停止加熱就是斷開接觸器觸點。該算法偽代碼為：</p><p>　　if（PV>=SV）</p><p>　　out =‘OFF’；</p>

88、<p><b>　　else </b></p><p>　　out =‘ON’；</p><p>　　程序中，SV是設定值，通常保存在單片機系統(tǒng)中的E2PROM中，PV是測量值。out是表示加熱電流。</p><p>　　圖32 二位式控制</p><p>　　（2）具有回差的二位式控制</p>

89、;<p>　　由于實際測量溫度值常帶有噪聲，當測量值在接近設定值，與設定值比較時，會出現(xiàn)不確定的比較結(jié)果，使接觸器多次得電與失電，影響接觸器壽命。因此常采用具有回差的二位式控制。若SV+為正設定值，SV-為負設定值，則該算法偽代碼如下：</p><p>　　if（PV >SV+）</p><p>　　out =‘OFF’；</p><p>　　i

90、f （PV <SV-）</p><p>　　out =‘ON’；</p><p>　　圖33 具有回差的二位式控制</p><p><b>　?。?）三位式控制</b></p><p>　　三位式控制比二位式控制多了一個半功率加熱區(qū)，當測量溫度低于下限設定值SV-時，全功率加熱，當高于下限設定值SV-，低于上限設

91、定值SV+時，半功率加熱，在高于上限設定值SV+時，停止加熱。  </p><p>　　若out1、out2為兩個加熱器控制信號，則三位式控制偽代碼如下：</p><p>　　if(PV<=SV-) </p><p>　　out1=’ON’;</p><p>　　out2=’ON’;</p><p

92、>　　else if ((PV>SV-) and (PV<=SV+))</p><p>　　out1=’ON’; </p><p>　　out2=’OFF’;</p><p><b>　　else </b></p><p>　　out1=’OFF’;</p><p>　　out2

93、=’OFF’;</p><p>　　圖34 三位式控制</p><p>　　依據(jù)情況，選擇（2）具有回差的二位式控制</p><p>　　3.２ 軟件設計基礎:</p><p>　　3.2.1 基于STC89C51單片機實現(xiàn)智能測溫儀表軟件設計:</p><p><b>　?。?）初始化任務</b&

94、gt;</p><p>　　I/O引腳初始化（按鈕、LED燈、ADC、DAC、E2PROM和SPI用引腳初始化）。</p><p><b>　　定時器0初始化。</b></p><p><b>　　中斷初始化。</b></p><p>　?。?）按鈕任務：檢測按鈕并執(zhí)行按鈕動作，需要軟件消除抖動。&

95、lt;/p><p>　　功能選擇按鈕：循環(huán)選擇功能，例如，正常運行、設置報警上限值、設置報警下限值、設置溫度給定值、設置比例控制回差值等功能。在數(shù)值設置狀態(tài)，每按一次按鈕，上排4位數(shù)碼管顯示功能碼，下排顯示設置值；在正常運行狀態(tài)，上排顯示測量值，下排顯示設定溫度值。</p><p>　　數(shù)碼管選擇按鈕：選擇需要設置數(shù)值的數(shù)碼管。</p><p>　　數(shù)值增加按鈕：用于設

96、置數(shù)值的增加，每按下一次，數(shù)值加1。</p><p>　　數(shù)值減少按鈕：用于設置數(shù)值的減少，每按下一次，數(shù)值減1。</p><p>　　按鈕設置值應該隨時保存到24C02中。</p><p>　?。?）掃描顯示任務：數(shù)碼管位選擇與段碼輸出，就是將顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)送到數(shù)碼管顯示，將要顯示的數(shù)據(jù)，組合成數(shù)組，再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)字，發(fā)送到74HC595。不需要每個主程序循

97、環(huán)都發(fā)送顯示任務，因此可在定時器0中斷中設置顯示任務執(zhí)行標記，當標記為1時，執(zhí)行顯示任務。由于顯示內(nèi)容隨按鈕選擇的功能不同而不同，因此功能選擇按鈕任務中應該給出顯示控制標記，控制顯示內(nèi)容。</p><p>　?。?）TLC1549數(shù)據(jù)獲取任務，需要將讀TLC1549的程序?qū)懗珊瘮?shù)。在定時器0中設置ADC任務執(zhí)行標記，當該標記為1時，執(zhí)行ADC數(shù)據(jù)獲取任務。要求連續(xù)讀取8個數(shù)據(jù)，然后取平均值。并將完成濾波后的數(shù)據(jù)存

98、入顯示數(shù)組。</p><p>　　TLC1549 是由TI 公司開發(fā)的開關電容式AD 轉(zhuǎn)換器，該芯片具有如下的一些特點：10 位精度、11 通道、三種內(nèi)建的自測模式、提供EOC（轉(zhuǎn)換完成）信號等。該芯片與單片機的接口采用串行接口方式，引線很少，與單片機連接簡單。圖35 是TLC1549 的引腳示意圖，其中A0~A10 是11路輸入，Vcc 和GND 分別是電源引腳，REF+和REF-分別是參考電源的正負引腳，使用

99、時一般將REF-接到系統(tǒng)的地，達到一點接地的要求，以減少干擾。其余的引腳是TLC1543 與CPU 的接口，其中CS 為片選端，如不需選片，可直接接地。I/O Clock 是芯片的時鐘端，Adress 是地址選擇端，Data Out 是數(shù)據(jù)輸出端，這三根引腳分別接到CPU 的三個I/O 端即可。EOC 用于指示一次AD 轉(zhuǎn)換已完成，CPU 可以讀取數(shù)據(jù)，該引腳是低電平有效，根據(jù)需要，該引腳可接入CPU 的中斷引腳，一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，向C

100、PU 提出中斷請求；此外，也可將該引腳接入一個普通的I/O 引腳，CPU 通過查詢該引腳的狀態(tài)來了解當前的狀態(tài)，甚至該引腳也可以不接，在CPU 向TLC1549發(fā)出轉(zhuǎn)換命令后，過</p><p>　　圖35 TLC1549 的引腳示意圖</p><p>　　TLC1549時有六種基本串行接口時序模式可供選用，這些模式的區(qū)分主要取決于I/O CLOCK的速度和CS的變化，如表3。</

101、p><p>　　表3 TLC1549工作模式</p><p>　?。?）24C02讀寫任務，需要編制讀寫24C02的函數(shù)。單片機用軟件控制引腳實現(xiàn)I2C接口，在上電時，應該讀出所有保存在24C02中的數(shù)據(jù)到數(shù)組中；在設置各種數(shù)據(jù)時，應該隨時將設置的數(shù)據(jù)字節(jié)寫入24C02。24C02存儲器組織結(jié)構 256 X 8 (2K bits)</p><p>　　圖36 24C

102、02引腳</p><p><b>　　***器件尋址：</b></p><p>　　起始條件使能芯片讀寫操作，EEPROM都要求有8位的器件地址信息，器件地址信息由“1”、“0”序列組成，前4位如下圖37所示，對于所有串行EEPROM都一樣，對于24C02/32/64，隨后3位A2、A1、A0為器件地址位，必須與硬件輸入引腳保持一致。</p><p

103、>　　圖37 24CXX系列器件地址信息</p><p>　?。?）TLC5615任務，該任務是把溫度轉(zhuǎn)換成的代表電流的數(shù)字寫入TLC5615，實現(xiàn)電流輸出。該任務在定時器0給出的標記控制下執(zhí)行。</p><p>　　TLC5615是一個串行10位DAC芯片，性能比早期電流型輸出的DAC要好。只需要通過3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標準的微處理器或微控制器(

104、單片機／DSP)接口，適用于數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場合。其主要特點如下：</p><p><b>　　●單5V電源工作；</b></p><p><b>　　●3線串行接口；</b></p><p>　　●高阻抗基準輸入端(見圖38)；</p><p>　　●DAc輸出的最大電壓為2倍基準輸

105、</p><p><b>　　入電壓；</b></p><p>　　●上電時內(nèi)部自動復位；</p><p>　　●微功耗，最大功耗為1．75mw；</p><p>　　●轉(zhuǎn)換速率快，更新率為1．21MHz；</p><p>　　TLC5615的內(nèi)部功能框圖如圖39所示，它主要由以下幾部分組成：&l

106、t;/p><p>　　1、10位DAC電路；</p><p>　　2、一個16位移位寄存器，接受串行移入的二進制數(shù)，并且有一個級聯(lián)的數(shù)據(jù)輸出端DOUT；</p><p>　　3、并行輸入輸出的l 0位DAC寄存器，為l 0位DAC電路提供待轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)據(jù)；</p><p>　　4、電壓跟隨器為參考電壓端REFIN提供很高的輸入阻抗，大約10MΩ

107、：</p><p>　　5、電路提供最大值為2倍于</p><p><b>　　REFIN的輸出；</b></p><p>　　6、上電復位電路和控制電路</p><p>　　圖39 TLC5615內(nèi)部功能圖</p><p><b>　　***引腳功能：</b></p&

108、gt;<p>　　8腳直插式TLC5615的引腳分布如</p><p>　　圖40所示，各引腳功能如下：</p><p>　　●DIN，串行二進制數(shù)輸入端；</p><p>　　●SCLK，串行時鐘輸入端；</p><p>　　●CS，芯片選擇，低有效；</p><p>　　●DOUT，用于級聯(lián)的串行數(shù)據(jù)

109、輸出；</p><p>　　●AGND，模擬地；</p><p>　　●REFIN，基準電壓輸入端；</p><p>　　●OUT，DAC模擬電壓輸出端；</p><p>　　●VDD，正電源電壓端。</p><p><b>　　圖40 引腳排列</b></p><p>

110、　?。?）定時器0中斷任務，該任務是產(chǎn)生間隔的定時信號，ADC轉(zhuǎn)換、掃描顯示、DAC輸出以及采樣周期、數(shù)據(jù)計算等都需要定時器0給出標記，在標記為1時，才能執(zhí)行任務。</p><p>　?。?）DS1302時鐘功能</p><p>　　控制字初始化，與CPU接口。</p><p><b>　　（9）數(shù)據(jù)處理任務</b></p>&l

111、t;p>　?、賹LC1549輸出的數(shù)字通過標度變換轉(zhuǎn)成溫度值。因為PT100的電阻值與溫度之間呈非線性，因此需要查表法矯正。</p><p>　?、诰哂谢夭疃皇娇刂票壤刂扑惴▽崿F(xiàn)。根據(jù)溫度值控制晶閘管使接觸器得電或失電，使加熱器加熱或是不加熱。所謂回差比例控制就是當溫度達到并超過設定值時，停止加熱；當溫度低于設定值時，開始加熱。而有回差比例控制就是有兩個設定值，當所測溫度高于上設定值時停止加熱；當?shù)陀?/p>

112、下設定值時，開始加熱，上下設定值之間的溫度差稱為回差?；夭畋壤刂瓶梢苑乐菇佑|器頻繁動作。</p><p>　?、蹖崿F(xiàn)報警算法。上限報警與下限報警分別給出不同的報警聲。</p><p>　?、苡嬎鉚LC5615需要的數(shù)字，就是將溫度值轉(zhuǎn)換成電流值。</p><p>　　3.2.2 基于STC89C51單片機的智能測溫儀表程序框架:</p><p

113、>　　基于STC89C51單片機的智能測溫儀表程序框架如下。</p><p>　　#include <AT89X51.H> //51單片機頭文件</p><p>　　定義數(shù)碼管譯碼數(shù)組；</p><p>　　定義數(shù)碼管位選數(shù)組；</p><p>　　定義保存在24C02中數(shù)據(jù)的數(shù)組；</p><p&

114、gt;　　定義時間標記變量； //display_time，sample_time，control_time，DAC_time等</p><p>　　定義其他全局數(shù)組與變量；</p><p>　　聲明函數(shù)原型；（TLC1549，TLC5615、24C02等函數(shù)）</p><p>　　void main(void){</p>&l

115、t;p><b>　　定時器初始化；</b></p><p>　　引腳初始化； //按鈕、LED燈、ADC、DAC、E2PROM和軟件SPI用引腳初始化</p><p><b>　　其他初始化語句；</b></p><p>　　從24C02讀數(shù)組語句；//將保存的數(shù)據(jù)讀到數(shù)組，每次單片機上電后，就使用該數(shù)組中的數(shù)據(jù)&

116、lt;/p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　按鍵處理語句；</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　功能選擇，控制周期、設定值

117、、回差值、報警值等輸入；</p><p>　　將數(shù)組寫入24C02語句； //將按鍵輸入的數(shù)據(jù)保存到數(shù)組</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//數(shù)碼管顯示語句：</p><p>　　if(display_time= =1) //如果