基于单片机的八路数字温度巡检仪设计最新

1、毕业设计说明书基于单片机的八路数字温度巡检仪设计 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 张 美 琪 完成日期 2012年6月8日 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计摘 要：八路数字温度巡检仪能够实现在安全生产、产品质量、生产效率、能源节约等方面的重大技术经济指标，在工农业生产中具有良好的应用前景。本课题介绍了基于单片机的八路数字温度巡检系统的设计方案和软硬件实现。设计中采用了八个Pt100铂电阻电桥进行温度采集，八选一数据选择器HCF4051BE对八路模拟信号进行选择，再由16位高精度模数转换器TM7705对采集到的八路温度轮流进行模数转换，最后通过单片机控制和程序处

2、理，得到准确的温度值，通过五位数码管显示通道、温度数据，从而完成温度巡检过程。当温度超过测量范围时，由发光二极管闪动进行超限提示。该系统主要由七个模块组成，分别为STC89C52单片机最小系统模块、LED数码管输出模块、按键输入模块、八路铂热电阻桥温度采集模块、电源模块、八选一通道选择模块和模数转换模块。正常运行时，其测温范围是-25110，设计中给出了系统总体设计框图、系统设计原理图、PCB图及程序，并在硬件平台上实现了设计要求。关键词：单片机，Pt100，TM7705，温度巡检Design of Eight Channels' Digital Temperature Inspect

3、ion Instrument Based on SCM Abstract: Eight channels' digital temperature inspection instrument can realize in safe production, product quality, production efficiency, energy saving, and other aspects of the important technical economic indicators, in agricultural and industrial production has g

4、ood application prospect.This subject introduces eight channels' digital temperature circuit design scheme of the system and hardware and software implementation based on SCM. Applied to the design of the eight Pt100 platinum resistance temperature electric bridge collection, eight choose a mult

5、iplexer HCF4051BE 8 to choose analog signals, again by 16 high precision TM7705 adc for the collected 8 temperature in turn modulus conversion, finally through the single-chip microcomputer control and procedures, get accurate temperature, through the five digital pipe display temperature data chann

6、els, so as to complete the inspection process temperature. When the temperature more than measuring range, the light emitting diode flashing to overrun hints. The system consists of seven modules, respectively STC89C52 single chip minimize system module, LED digital pipe output module, key input mod

7、ule, 8 platinic resistance bridge acquisition module, the power supply module temperature, eight choose a channel selection module and modulus conversion module.Normal operation, its temperature range is-25 110 , the design gives the system overall design scheme, system design principle diagram, PCB

8、 figure and program, and in hardware platform realize the design requirements.Key Words: Single chip microcomputer, Pt100, TM7705, Temperature inspection 目 录1 概 述11.1课题研究背景11.2课题研究意义11.3课题研究内容12 系统方案设计32.1 系统设计要求32.2 方案设计与选择32.2.1 总体流程图32.2.2 方案选择32.3 软硬件设计开发环境选择42.3.1 硬件设计环境选择42.3.2 软件开发环境选择63 硬件电路

9、设计83.1 系统各功能模块电路设计83.1.1 STC89C52单片机最小系统模块设计83.1.2 LED数码管输出模块设计103.1.3 按键输入模块设计113.1.4 八路铂热电阻桥温度采集模块设计123.1.5 电源模块设计143.1.6 八选一通道选择模块设计163.1.7 模数转换模块设计173.2 系统硬件电路设计213.2.1 系统原理图绘制213.3.2 系统PCB图绘制224 系统软件设计234.1 主程序设计234.2 温度采集处理子程序设计244.3 显示子程序设计254.4 八位数据倒序处理子程序设计264.5 TM7705读出子程序设计264.6 TM7705初始化

10、子程序设计264.7 单通道温度查询显示子程序设计275 系统调试285.1 硬件调试285.1.1静态检查285.1.2通电检查285.2 软件调试285.2.1仿真过程285.2.2脱机调试305.2.3实物调试结果306 结束语32参考文献33致 谢34附 录35附录1 程序清单36附录2 设计图纸50附录2.1 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计原理图50附录2.2 基于单片机的八路数字温度巡检仪设计PCB图51附录3 元器件目录表52基于单片机的八路数字温度巡检仪设计1 概 述1.1课题研究背景 随着现代科学技术的发展，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量

11、都是常用的主要被控参数。尤其在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测与控制。但在实际生产过程中，温度的测量环境恶劣，常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动，测量技术难度非常大。由于许多工业产品对温度范围要求非常严格，因为对温度的控制好坏直接会影响到产品质量的高低。因此，在工农业生产中，对温度不仅要不断地测量，而且还要进行控制。特别是遇到温度超过预设值时，系统会进行报警。在温度巡检仪没有普及运用之前，温度计测温被人们运用在大多数温度测量场合。由于其本身的结构和功能所限，它只能对一些要求精度不高的地方进行较粗

12、略检测，然而需要严格控温的场合则没有办法检测，最终影响到了生产效率及效率。所以，温度计在工业上的应用必将由温度巡检仪替代。 但是，就目前市场上看，销售的大都是单路测量的温度检测仪器，其存在温度信息传递不及时、精度不够等缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的市场需求背景下，采用一种效率和自动化水平更高、更新的测量手段，是温度测控系统的发展趋势。1.2课题研究意义在工业生产过程中，温度检测和控制直接联系着安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标。温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛的应用。随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的高要求，

13、人们开始关注具有温度自动巡检功能的多路温度巡检仪。多路温度巡检仪的出现和发展顺应了时代和工业的发展趋势，推动了经济技术指标的革新。它是由温度传感元件、转换元件、显示元件和控制元件构成。其测温原理是：多个传感器的输出电参数跟随温度的变化而变化，输出并变换成统一规格的电信号，由多路数据选择器选通，以采样、量化、编码和必要的辅助运算方法将模拟量转换成数字量。再经数字电路或微处理器及外围电路处理后，在显示元件上输出对应的温度值。重复上述过程，可以实现轮流周期性地采集被测信号并显示。当然，根据实际需求，也可以进行单通道温度的查询与显示。1.3课题研究内容A. 分析八路数字温度巡检技术的应用现况及发展前景

14、。首行缩进？B. 根据课题设计内容和要求确定系统总体设计方案。C. 根据系统总体设计方案设计系统硬件电路，确定所采用的单片机、温度采集与转换等元器件的型号。D. 根据课题内容和系统硬件电路设计软件，使用C语言编写程序，使程序能够实现基本要求。E. 使用Protel 99SE软件完成系统硬件电路原理图、系统硬件电路PCB图绘制。2 系统方案设计2.1 系统设计要求该系统应满足以下要求： A. 实现工业现场温度测量：温度测量范围从-25变化到110，精度保持在±1； B. 现场温度显示：轮询显示8通道温度，可以查询单通道温度并显示；C. 显示：能够显示通道号、正负号、温度值。2.2 方案

15、设计与选择 总体流程图设计的总体流程图如下图2-1： 单 片 机显示模数转换信号放大信号采集控制图2-1 总体流程图 图下面的要段前断后0.5你都自己改下吧 方案选择根据设计内容，提出三种设计方案：A. 方案一：采用STC89C52单片机作为系统控制核心，其片内自带8kB大小的 Flash ROM，烧写进去的HEX文件大小最大能达到20KB左右。信号采集电路选择的是八个含有Pt100的电桥电路，可以采集八个点的温度值；而选择的TM7705模数转换元件内含差放电路，所以采集到的模拟信号可以直接输送给TM7705进行处理。对于八个点传输过来的模拟信号，要通过八选一数据选择器进行选择，即每个模拟信号

16、对应一个通道，此八选一数据选择器选用HCF4051BE。在显示单元中，选择五位数码管分别显示通道号、正负号、温度值；而在控制单元中，需要通过按键控制单通道温度查询和显示的过程。整个系统中，单片机晶振选用12MHz，TM7705的时钟线要接到单片机的ALE端，以便产生2MHz的时钟。单片机的P0口为数码管的段码，P2口为位选。P3.0为A/D数据输入端，采用串行通信方式0进行数据的读入。B. 方案二：单片机依然选用STC89C52作为系统控制核心，而AT89S52单片机也是可以选用的。信号采集电路是选用八个并接于单线总线的数字温度传感器DS18B20进行八个点的温度采集，它可以不通过放大整形和模

17、数转换电路而直接接在单片机上。显示单元中选用液晶显示器LCD1602；控制单元与方案一中相同。C. 方案三：单片机选用STC89C52，信号采集电路与方案一中相同。但在此方案中，信号放大电路选用rail-to-rail运算放大器，使输出电压上限可以达到电源电压，而下限可以达到0V。同时，加入滤波电容对影响信号采集的空气中的高频信号进行过滤。模数转换电路选用ADC0809芯片，对模拟信号进行处理。控制单元与方案一相同。对比观察上述三种方案，方案一中铂热电阻（Pt100）温度传感器具有精度高，测温范围广，一般可测-200650，在工业测温上应用广泛，而且可以通过引线将铂电阻置于需要测量温度的环境中

18、，满足不同点不同温度测量的需求。同时，TM7705解决了对采集到的模拟信号进行放大和数字处理，而不需要另外增加信号放大滤波电路。方案二中，所用到的数字温度传感器性能较强，价格上比Pt100便宜很多。而且电路搭构简单易行，节约了许多外围电路空间。LCD1602显示功能强大，但没有数码管显示快捷方便。方案三比方案一在信号放大和模数转换两个单元中有所不同，其电路设计比方案一繁琐。综合考虑，最终选择方案一。方案二有其优势所在，但在工业测温中，方案一应用面更宽广，经济价值更高，比方案二有更广泛的市场需求和更好的发展前景。2.3 软硬件设计开发环境选择2.3.1 硬件设计环境选择Protel 99SE是由

19、澳大利亚Protel Technology公司基于Windows平台开发的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。它能够实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。Protel 99SE有六个主要功能模块，分别为Advanced Schematic 99SE、Adva

20、nced PCB 99SE、Advanced Route 99SE、Advanced Integrity 99SE、Advanced SIM 99SE和Advanced PLD 99SE。A. Advanced Schematic 99SE（原理图设计系统） 该模块主要运用于电路原理图设计、原理图元件设计和各种原理图报表生成等。B. Advanced PCB 99SE（印刷电路板设计系统） 该模块提供了一个功能强大和交互友好的PCB设计环境，主要用于PCB设计、元件封装设计、报表形成及PCB输出等。C. Advanced Route 99SE（自动布线系统） 该模块是一个集成的无网格自动布线系

21、统，布线效率高。D. Advanced Integrity 99SE（PCB信号完整性分析） 该模块提供精确的板级物理信号分析，可以检查出串扰、过冲、下冲、延时和阻抗等问题，并能自动给出具体解决方案。E. Advanced SIM 99SE（电路仿真系统） 该模块是一个基于最新Spice3.5标准的仿真器，为用户的设计前端提供了完整、直观的解决方案。F. Advanced PLD 99SE（可编程逻辑器件设计系统）该模块是一个集成的PLD开发环境，可使用原理图或CUPL硬件描述语言作为设计前端，能提供工业标准JEDEC输出。 它的原理图和PCB图设计运行窗口界面如下图2-2、2-3：元器件显示

22、工具选择元器件选择原理图编辑窗口元件库管理图2-2 原理图设计运行窗口界面图2-3 PCB图设计运行窗口界面2.3.2 软件开发环境选择Keil C51软件是目前最流行开发8051系列单片机的软件工具。Keil C51提供了包括C语言编译器、宏观编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境u Vision IDE将这些部分组合在一起。由Keil C51进行软件程序编写，方便快捷。其运行窗口如下图2-4：图2-4 u Vision3 IDE运行窗口界面u Vision3 IDE是基于Windows的开发平台，包含一个高效的编辑器、一个项目管理器和一个MA

23、KE工具。u Vision3 IDE支持所有的Keil C51工具，包括C语言编辑器、宏汇编器、连接/定位器、目标代码到HEX的转换器。其主要特征如下：A. 集成开发环境 u Vision3 IDE包括一个工程管理器、一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑器、选项设置、生成工具及在线帮助。可以使用u Vision3 IDE创建源文件，并组成应用工程加以管理。u Vision3 IDE可以自动完成编译、汇编和链接程序的操作，使用户可以只专注于开发工作的效果。B. C51编辑器和A51汇编器首行缩进不对 由u Vision3 IDE创建的源文件，可以被C51编辑器或A51汇编器处理，生成可以重定位的

24、object文件，Keil C51编辑器遵照ANSIC语言标准，支持C语言的所有准特性。另外还增加了几个可以直接支持8051结构的特性。Keil A5宏汇编支持8051及其派生系列的所有指令集。C. LIB51库管理器 LIB51库管理器可以从由汇编器和编辑器创建的目标文件建立目标库。这些库是按规定格式排列的目标模块，可以在以后被链接器所使用。当链接器处理一个库时，仅仅使用了库中程序使用的目标模块而不是全部加以引用。D. BL51链接器/定位器 BL51链接器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器生成的目标模块，创建一个绝对地址目标模块。绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的代码和数据。所有的

25、代码和数据都被固定在具体的 存储器单元中。绝对地址目标文件可以用于：A) 编程EPROM或其他存储器设备；B) u Vision3 IDE调试器对目标进行调试和模拟；C) 使用在线仿真器进行程序测试。E. u Vision3软件调试器 u Vision3 IDE软件调试器能十分理想地进行快速、可靠的程序调试。调试器包括一个高速模拟器，可以使用它模拟整个8051系统，包括片上外围器件和外部硬件。当从器件数据库选择器件时，这个器件的属性会被自动配置。F. u Vision3 IDE硬件调试器 u Vision3 IDE调试器提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法。安装MON51目标监控器到用户的

26、目标系统，并通过Monitoe-51接口下载程序。使用（这个事另起一段还是什么）高级GDI接口将u Vision3 IDE调试器同第三方仿真器系统相连接，通过u Vision3 IDE的人机交互环境完成仿真操作。G. RTX51实时操作系统RTX51实时操作系统是针对8051微控制器系列的一个多任务内核。RTX51实时内核简化了需要对实时事件进行反应的复杂应用的系统设计、编程和调试。这个内核完全集成在C51编译器中，使用非常简单。任务描述表和操作系统的一致性由BL51链接器定位器自动进行控制。3 硬件电路设计3.1 系统各功能模块电路设计根据选择的系统设计方案，确定了基于单片机的八路数字温度巡

27、检仪设计的原理结构框图，此硬件系统主要由单片机最小系统模块、LED数码管输出模块、按键输入模块、八路铂热电阻桥温度采集模块、八选一通道选择模块、模数转换模块及电源模块组成。此硬件系统原理结构框图如下图3-1所示。五位LED数码管HCF4051BE八选一数据选择器STC89C52单片机TM7705模数转换元件八路Pt100铂热电阻电桥S1、S2按键控制图3-1 硬件系统原理结构框图 STC89C52单片机最小系统模块设计STC89C52单片机最小系统模块如下图3-2所示。图3-2 STC89C52单片机最小系统模块单片机最小系统又称为单片机最小应用系统，是由最少的元器件组成的可以工作运行的系统。

28、其一般包括单片机、晶振电路和复位电路。A. 单片机本系统电路选用的是STC89C52单片机。STC89C52是一种自带8KB字节的闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能的CMOS8位的微处理器。它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容。它的引脚图如下图3-3所示。图3-3 STC89C52引脚图STC89C52单片机有2根主电源引脚，2根外接晶振引脚，4根控制引脚，32根可编程输入/输出引脚，总共40根引脚。每根引脚都具备指定的功能。A) 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线B) 外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pi

29、n19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端C) 控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。D) 可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。P0口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线

30、，名称为P0.0P0.7。P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7。P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7。 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。在系统电路中，P0口、P2口用于对五位LED数码管的控制。P1.0P1.2控制八选一数据选择器的数据输出。P3.0P3.2控制TM7705的输入输出。B. 晶振电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。此系统电路选用内部方式

31、产生时钟，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率选择12MHz，电容值选择33pF，电容值的大小可对频率起微调的作用。C. 复位电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过

32、4us才能完成复位操作。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。这样，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。此系统电路具备自动上电复位和按键手动电平复位两种复位方式。 LED数码管输出模块设计该系统采用动态扫描的方法进行通道、符号和温度显示。在硬件设计中将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮的数

33、码管采用动态扫描显示。因为动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时其值应略小于静态显示电路中的限流电阻。动态显示电路与静态显示电路相比，优点是在温度值显示上有非常好的显示效果，缺点是在硬件电路上比较复杂，成本较高。在该电路中选用的限流电阻阻值为330。限流电阻不可以去除，因为限流电阻能保证每一个段码的发光二极管能承受10mA-20mA最大电流，当在电源电压为5V时，如果不加限流电阻，则流过发光二极管的电流会有几百毫安，这样会轻而易举烧坏发光二极管。再者，该系统选用的是共阳极数码管，这样在段码控制端口（P0口）为低电平时数码管导通点亮。选用共阳极数码管的原因在于51单片机中，它的灌

34、电流要大于其输出电流，所以要选用共阳极数码管，让P0口以灌电流的方式提供驱动电流，以提高驱动能力。还需要注意地是，用端口是不能直接去驱动每个数码管的位选端口的，因为51单片机的每个端口只能提供20mA的电流，如果去驱动的话，会很快烧坏单片机的端口。所以此系统中是通过五个PNP9012型三极管驱动每个数码管的位选端口。动态LED数码管输出模块如下图3-4所示。图3-4 LED数码管输出模块 按键输入模块设计为了实现查询单通道温度并显示对应通道和温度，系统电路中需要增加按键输入模块。其中，将按键S1接P3.3口，当S1不按下时，始终执行主程序中八通道温度自动巡检；当S1按下后，进入到单通道查询子程

35、序中，可以进行单通道的温度查询。将S2接P3.4口，作为通道数增加的控制按钮。理想中使用矩阵键盘进行单通道温度查询是最优选择，但基于单片机端口使用情况，本系统电路无法选用矩阵键盘。为了实现-25110的温度范围，当温度超过测温范围时应该给以提醒，所以在P3.5口增加发光二极管。发光二极管串联330的电阻，接在+5V电源端，通过灌电流驱动发光二极管闪动。此模块中的按键S1、S2在引脚一侧加入10K 的上拉电阻，保证I/O读到的电平状态稳定。其实不加上拉电阻也可以，S1、S2直接接地，在通过实验板验证程序时，S1、S2加上拉电阻和直接接地的控制效果是一样的。但为了保证系统电路运行的可靠性，应该加上

36、拉电阻。 按键输入模块如下图3-5所示。图3-5 按键输入模块 八路铂热电阻桥温度采集模块设计八路铂热电阻桥测温模块选用Pt100，此型号的铂热电阻测温范围达到-200650，线性度也相当不错，完全符合本设计的设计要求。在硬件电路设计过程中，选取温度传感器有6个注意点，选用Pt100也是考虑到这6点，分别是其测量的对象和环境、较高的灵敏度、较好的频率响应、较宽的线性范围、良好的稳定性及高精度。A. 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行项具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理

37、的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。B. 灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的串扰信号C. 频率响应特性传感器的频率响应特性决

38、定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。D. 线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器

39、近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。E. 稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。F. 精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择

40、比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器, 由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200650)范围的温度测量中。而本课题硬件系统设计正因为铂热电阻的上述优点才选择其作为温度采样的传感器的。此模块采用了八个含Pt100的电桥，分别从桥两对应电位点引出由温度变化导

41、致的电压变化值。为了提高精度，桥臂电阻是经过严格筛选的温漂系数很小（0.01%)阻值相同的精密金属膜电阻，本设计中一组桥臂电阻选用10K的电阻，共同接+5V电源，而另一组桥臂为Pt100和200R的可调电位器。本设计中为降低硬件成本，将Pt100换成同样的200R可调电位器进行电阻变化模拟，其阻值变化理论上应从90.19到142.29，对应温度-25到110。而另一电位器调置成90，保证Pt100一侧输出电压(当Pt100=90.19时，对应理论温度为-25，此时输出电压变化值U=5V/(10000+90.19)×90.19=44.7mv；当Pt100=142.29时，对应理论温度为

42、110，此时输出电压变化值U=5V/(10000+142.29)×142.29=70mv。）大于此处输出电压，而该输出电压变化值U=5V/(10000+90)×90=44.6mv。在模数转换器TM7705中，参考电压REF IN(+)=3.3v，REF OUT(-)=0v，以AIN1(-)（电位器90所在支臂中点电压变化输入）为参考的话，则AIN(+)（Pt100所在支臂中点电压变化输入）的模拟电压信号变化范围应该为44.6mv+25.78mv，其中25.78mv为参考电压3.3V/增益128。但在实际执行数据处理中存在问题，需要不断的更改增益值，即重新向设置寄存器输入预定

43、值，并且调整电位器大小。Pt100接入电桥采用三线制可进一步减小导线对测量结果的影响。八路铂热电阻桥温度采集模块如下图3-6：图3-6 八路铂热电阻桥温度采集模块 电源模块设计该模块需要提供+5V、+3.3V和接地电位。+5V电压可以由降压变压器、整流桥、稳压集成芯片LM7805等元件产生，+3.3V电压可以由5V电源、稳压集成芯片AMS1117-3.3和滤波电容产生。A. +5V直流稳压电源+5V直流稳压电源电路如图3-7：图3-7 +5V直流稳压电源电路+5V直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的+5V直流电压装置，它需要经过变压、整流、滤波和稳压四个环节才能完成。电源变压

44、器采用降压变压器，将电网交流220V电压变成8V电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压决定，此处变比K=27.5。整流电路采用单向导向元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。整流电路常采用二极管桥式整流电路，使得在交流电源正负半周内，整流电路负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。每个二极管只在半个周期内导电，流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即ID = IL/2 = 0.45U2/RL。电路中每只二极管承受的最大反向电压为0.707U2。（U2为副边电压有效值）滤波电路将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到较为平滑的直流电压。在电源模块

45、设计中，通常利用电容器两端电压和流过电感器电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器和负载电阻串联，以达到使输出电压、电流波形基本平滑的目的。稳压电路是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载变化而变化。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。此处采用的是稳压集成芯片LM7805。LM7805是目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。在稳压过程中，Vin和Vout两端会形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过稳压和滤波后便在稳压电源的输出端产生精度高、稳定性好的直流输出电压。其管脚图如图3-8：321图3-8 LM7805管脚B. +3.3V直流稳压电源+3

46、.3V直流稳压电源电路如图3-9：V图3-9 +3.3V直流稳压电源电路AMS1117-3.3V是目前用的比较多的3.3V集成稳压元件，它可以直接将5V输入电压转变成3.3V电压输出，同时还要进行去耦处理。其管脚图如图3-10：图3-10 AMS1117-3.3管脚图 八选一通道选择模块设计本模块选用的HCF4051BE（功能同CD4051BM），此元件相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，HCF4051BE还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的C

47、MOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。在此模块中VEE不使用，其引脚悬空置高电平处理。HCF4051BE的引脚图如下图3-11：图3-11 HCF4051BE引脚图同时，HCF4051BE各引脚的功能为：A-B-C：地址端，分别对应11、10、9引脚； CHANNELS 0-7：输入输出端，对应13、14、15、12、1、5、2、4引脚； INH：禁止端，对应6引脚； COM OUT/IN：公共输出/输入端，对应3引脚； VDD：正电源，对应16引脚； VEE：模拟信号地，对应7引脚； Vss：数字信号地，对应8引脚。U2本模块需要选

48、用两快HCF4051BE，作为采集到的温度信号输入给TM7705进行处理的通道选择，因为TM7705（其功能与AD7705相同）的模拟输入是以差分信号的方式输入，所以将两块HCF4051BE的地址线（A、B、C）分别连到一起，使输入的差分信号同时选通。U2与U3的第3管脚分别接TM7705模拟输入端的AIN1(+)和AIN1(-)引脚。该模块电路如下图3-12所示，在实际应用中，为了使得它们的导通特性相同，要选择同一生产批次、同一型号的HCF4051BE。其模块如图3-12：)图3-12 八选一通道选择模块 模数转换模块设计在此模块电路中，TM7705（其功能同AD7705相同，为国产元件）是

49、用于低频测量系统的前端器件，它分辨率高，且有节电模式，能够满足高精度和低功耗的要求。此外，TM7705片内还有数字滤波电路、校准电路和补偿电路，因而能更好地保证高精度的实现温度测量。TM7705只需2.73.3V 或4.755.25V 单电源，且是双通道全差分模拟输入，带有一个差分基准输入。当电源电压为5V、基准电压为2.5V 时，该器件都可将输入信号范围从0+20mV 到0+2.5V 的信号进行处理。还可处理±20mV±2.5V 的双极性输入信号，对于TM7705 是以AIN（-）输入端为参考点。当电源电压为3V、基准电压为1.225V 时，可处理0+10mV 到0+1.

50、225V 的单极性输入信号，它的双极性输入信号范围是±10mV 到±1.225V。因此，TM7705可以实现2/3 通道系统所有信号的调理和转换。TM7705使用5V单电源，它有两个模拟差分输入通道，分别为AIN1(+)、AIN1(-)和AIN2(+)、AIN2(-)。在电源为5V、参考电压为3.3V下，TM7705可直接接收传感器产生的小信号以进行AD转换并输出串行数字信号。它采用技术来实现16位AD转换。采样速率由MCLKIN端的主时钟和放大器的可变增益来决定。实际上，TM7705同时可以对输入信号进行片内放大、调制转换和数字滤波处理。其数字滤波器的阻带可编程控制，以便

51、调节滤波器的截止频率和输出数据更新速率。其基准参考电压由3.3V直流稳压电源提供，保证测量达到理想的精度，降低由于电源电压波动所带来的测量误差。下图3-13为该模块的电路图。R3110K图3-13 信号处理转换模块整个系统采用串行通信方式0进行数据的读入，从该模块电路上可以看出，引脚1（SCLK）接单片机STC89C52的引脚11（TXD），使TXD每一个机器周期向SCLK输入一个同步移位脉冲。引脚2（MCLK IN）接单片机的引脚30（ALE），当ALE不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率输出正脉冲，为TM7705提供主时钟信号。AIN1(+)、AIN1(-)作为差分模拟输入通道的正负端，

52、分别与八选一选择器的两个输出口连接，以AIN1(-)作为输入信号的参考点，在电源电压5V、基准参考电压3.3V下，可处理0+26.4mV到0+3.3V的单极性输入信号。引脚13（DOUT）和引脚14（DIN）接单片机的RXD，DOUT/DIN输出或输入串行数据，而RXD接收或输出串行数据。串行数据的输入输出，要通过软件控制TI和RI的状态。这两个引脚要接入10K的上拉电阻，同样保证所读电平状态稳定，不会发生跳跃现象。引脚12（）接单片机的引脚12（），当=0时，表示此时可以从TM7705的数据寄存器中获取新的输出字。在从TM7705读出字节的子程序中，往往需要判断的状态，当低电平时才准许读取数

53、据，而且完成输出字节的读操作后，自动回到高电平状态。要想使用TM7705，必须先了解其16个引脚的功能，其功能表述可见表3-1：表3-1 TM7705各引脚功能 编号 名称 功能 1 SCLK串行时钟，施密特逻辑输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问 TM7705 的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据 。反之 ，它也可以是非连续时钟 ，将信息以小批型数据发送给TM7705。 2MCLK IN为转换器提供主时钟信号。能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接在MCLK IN 和MCLK OUT 二引脚之间。此外，MCLK IN 也可用CMOS

54、兼容的时钟驱动，而MCLK OUT 不连接。时钟频率的范围为500kHz5MHz。 3MCLK OUT当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLK IN 和MCLK OUT之间。如果在MCLK IN 引脚处接上一个外部时钟，MCLK OUT 将提供一个反相时钟信号。这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个CMOS 负载。如果用户不需要，MCLK OUT 可以通过时钟寄存器中的CLK DIS 位关掉。这样，器件不会在MCLK OUT 脚上驱动电容负载而消耗不必要的功率。 4 片选，低电平有效的逻辑输入，选择TM7705。将该引脚接为低电平，TM7705 能以三线接口模式运行

55、（以SCLK、DIN 和DOUT 与器件接口）。在串行总线上带有多个器件的系统中，可由CS 对这些器件作出选择，或在与 TM7705 通信时，CS可用作帧同步信号。 5复位输入。低电平有效的输入，将器件的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器和模拟调制器复位至上电状态。 6 AIN2(+)AIN1对于TM7705，差分模拟输入通道2 的正输入端。 7 AIN1(+)AIN2对于TM7705，差分模拟输入通道1 的正输入端。 8 AIN1(-)COMMON对于TM7705，差分模拟输入通道1 的负输入端。 9REF IN（+）基准输入端。TM7705 差分基准输入的正输入端。基准输入是差分的，并规定REF IN （+）必须大于REF IN （-）。REFIN （+）可以取VDD 和GND 之间的任何值。 10REF IN（-）基准输入端。TM7705 差分基准输入的负输入端。REF IN（- ）可以取VDD 和GND 之间的任何值，且满足REF IN（+ ）大于REF IN （- ）。 11 AIN2（-）AIN3对于TM770