热电偶性能测试仪的设计

1、装订线毕业项目报告纸摘要：热电偶它的结构简单、测温范围大、响应也比较快，所以它是一种被广泛使用的测温元件。其实热电偶的结构比较简单,并且它也是一种测控元件,在一般的工业生产中有着至关重要的作用。在现在许多热电偶的设计中都用到了我在大学里所学的51单片机，所以对于我来说，研究此课题作为我的毕业设计十分恰当。单片机测控系统的应用已经深入到工业生产的许多角落，它的广泛应用大大提高了生产效率，简化了劳动过程，对生产也有了一定的安全作用。同时单片机技术也在应用中不断发展完善，在性能、功能、集成度以及易用性上都有着显著的提高。通过这一次毕业设计，我可以将所学的单片机、计算机控制技术、微机原理、数字电路、模

2、拟电路等课程作一次完整的应用实践，对于更好的理解掌握有着重要的意义。关键词：热电偶 单片机 Abstract ：Thermocouple temperature range of simple structure, large and rapid response, is a widely used temperature measuring devices. But the thermocouple output is nonlinear, and potential differences between individuals, so use prior to each calibrat

3、ion characteristic curve. How fast and accurate determination, thermocouple characteristic curve is worth a research topic.The application of microcontroller measure-control system has been deeply into every corner of industrial production, it's widely enhanced the production efficiency, and sim

4、plifies the process of labor. While in the application of SCM technology unceasing development, performance, function, integration and ease-of-use have improved significantly. Through this time of graduation design, the SCM, computer control technology, microcomputer principle, digital circuits, ana

5、log circuit course as a complete application practice, for a better understanding of master has the vital significance.Keywords: Thermocouple microcontroller目 录一、绪论1.1概述1.2简介1.3 目的 二、设计的理论基础2.1 基本原理2.2 种类和结构三、热电偶性能测试仪的总体设计3.1 课题分析3.1.1 设计要求与分析 3.1.2 系统的组成3.1.3 系统设计3.1.4 单片机的选择.3.2 AT89C51单片机.3.2.1 8

6、9C51的概况. 封装与引脚定义3.2.3 运算器. 复位电路及单片机的工作方式 空闲节电模式 控制器. 掉电模式.3.3 器件选择 放大器3.3.2 A/D转换器3.3.3 串行接口器件.四、 热电偶性能测试仪的硬件设计4.1 单片机电路设计.4.2 通道设计. 温度检测与信号放大电路4.2.2 A/D转换器 串行接口.4.3 操作控制面板设计. 按键电路. LCD接口电路4.4 控制执行电路设计.4.5 综合设计.4.6 开发工具介绍.五、 结论5.1 热电偶性能参数测试仪.5.2 毕业设计结果5.3 毕业设计所达的目的谢辞.参考文献.第一章 绪论1.1 概述热电偶结构简单、测温范围大、响

7、应快，是一种广泛使用的测温元件。但热电偶的输出电势是非线形的，且个体间存在差异，因此使用前需要逐一标定特性曲线。如何快速准确地测定热电偶特性曲线，是一个值得研究的课题。单片机测控系统的应用已经深入到工业生产的每一个角落，它的广泛应用大大提高了生产效率，简化了劳动过程。同时单片机技术也在应用中不断发展完善，在性能、功能、集成度以及易用性上都有着显著的提高。通过这一次毕业设计，得以将所学的单片机、计算机控制技术、微机原理、数字电路、模拟电路等课程作一次完整的应用实践，对于更好的理解掌握有着重要的意义。1.2 简介为了方便的检测热电偶的特性曲线，现在我尝试利用自己所学知识以及查询的一些资料来设计单片

8、机热电偶性能参数测试仪，总结它的功能，以便更好的阐述我的设计内容： 可以实现实现对炉温的可测可控，它的测温要求在这里是精确到2，控温的方式有两种是自动和手动调节。这里如果加入软件编程就可以测定0500时热电偶的温度热电势对应曲线，并且能显示在LCD屏上；带RS232串口输出功能，可以向电脑输出特性曲线图并打印1.2 设计目的为了完成本次设计，我在工作及闲暇时间学习热电偶测温的基本原理和它的测控系统的方法，其实最重要的是我必须将自己所了解的知识和经验运用到此项设计当中。我的基本思想是采用一个我已经标定的分度和特性曲线的热电偶作为标准电偶，根据此电偶输出电势对炉温进行检测和控制，同时检测待测电偶的

9、输出电势，将该值与标准电偶测得炉温对应逐点显示在液晶显示屏上，即为特性曲线。通过软件的编程我们可以设置它的最高温度为500度。这样当温度升到500时系统就会自动切断加热电源，通过RS-232串口可向电脑输出该特性曲线图并打印。液晶屏显示内容包括工作模式（自动/手动），当前炉温数值，输出电势数值。键盘控制部分包括以下几个按钮：工作模式切换，炉温+/-、打印、复位。第二章 基础2.1 基本原理1823年塞贝克发现，把两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流，把这个物理现象称为塞贝克效应，亦称热电效应。将两种不同导体材料A和B，两端连接在一起组成回路，一端温度为T0，

10、一端温度为T（若T>T0），则如图微安表上会有一定读数；若将T0触点分开，则端口产生一个与温度T、T0及导体材料A、B有关的电EAB（T，T0），这个电势就是塞贝克电势。利用这一原理，在工程上可以用热电偶将温度变化转化为电势差的变化，从而将温度信号转化为电信号，方便了测量也提高了精度。2.2 种类和结构根据热电偶的工作原理，在我们看来似乎只要是两种不同的金属材料就可以制成热电偶，但为了保证热电偶的可靠性和它的一个测量精度，在一棒工业中热电偶材料必须具备以下特性：1在测量范围内，它的热电性质必须稳定，并且要有足够的物理化学稳定性，不易氧化和腐蚀。2热电势要足够大，这样才便于我们测量，并且热

11、电势和温度为单值对应关系，最好是线性关系。3电阻温度系数小，电导率高。4材料的复制性好，机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价格便宜。第三章 热电偶性能测试仪的总体设计3.1 课题分析 设计要求与分析热电偶使用前需要有一个标定的特性曲线。本次设计本着方便检测大批量热电偶的特性曲线的目的，需要开发一套单片机自动控制装置，实现可以对炉温进行控制，待测热电偶特性曲线屏幕实时显示，可打印输出。标定范围从0到500下待测电偶的输出电势与炉温对应关系曲线，炉温可手动调节，最小分度2。该系统属于单片机温度测控系统。在任何单片机测控系统中，都是从尽量快速，尽量准确，尽量完整的获得数字形式的数据开始的，因此，

12、数据采集系统作为沟通模拟域与数字域的桥梁起着非常重要的作用。随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。因为由微处理器去完成程序控制，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大的提高，系统的硬件成本和系统的重建费用大大的降低。数据采集系统一般由信号调理电路，采样保持电路，A/D，单片机组成，该系统加上可控硅控制装置即构成了测控系统。 系统的组成一.信号调理电路 信号调理电路是传感器与A/D之间的桥梁，也是测控系统中重要组成部分。

13、主要功能是：（1） 可以将我们日常经常碰到的一些模拟信号转换为数字信号。（2） 有时候我们的某些测量信号可能不是电压量，比如说热电阻等等，这些非电压量信号必须变为电压信号，还有些信号是弱电压信号，如热电偶信号，这是我们必须对这些信号进行放大，滤波。（3） 在有些时候系统会收到许多不明的外在因素干扰，这时候我们必须得减少这些干扰。 综上所述，非电量的转换，对一些信号进行放大，或者说是减少它的一些外在因素的干扰，我们必须加入调理电路来实现更好的采集信号资源。信号调理电路包括电桥，放大，滤波，隔离等电路。根据不同的调理对象，采用不同的电路。 信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求，速

14、度要求，幅度要求及共模抑制要求。 滤波和限幅电路通常采用二极管，稳压管，电容等器件。用二极管和稳压管的限幅方法会产生一定的非线性且灵敏度下降，这可以通过后级增益调整和非线性校正补偿。此外，由于限幅值比最大值输入值高，当使用多路开关时，某一路超限时可能影响其他路，需要选用优质模拟开关如AD7501。 共模电压的存在对模拟信号的处理有影响。隔离是克服共模干扰影响的有效措施。常用的隔离方法有：光电隔离，采用隔离放大器等。二.模-数转换器（ADC）ADC是计算机同外界交换信息所必须的接口器件，因为它能考虑指标有：分辨率，转换时间，精度，电源，输入电压范围，工作环境，数字输出特性，价格等。常用的A/D转

15、换器有：AD574，AD0809，TLC2543，MC14433。三.基本微处理系统单片机构成了基本的微处理系统，它完成系统数据读取，处理及逻辑控制，数据传输任务等。常见的单片机芯片有8031、8051、8751、8098等。四.可控硅控制装置电炉的电源采用交流电，应使用可控硅，通过对可控硅导通角的控制来实现对加热功率的控制。 系统设计对设计目标进行分析，该系统被控量是温度。该系统可分为数字和模拟两部分，通过A/D转换器和双向可控硅组成一个数字模拟混合系统。数字部分是单片机控制器，模拟部分包括被控对象（电炉）、传感器、放大器等模拟环节。这里我介绍一下热电偶工作的大致流程：一路从已标定的标准热电

16、偶上读出热电势，放大后送A/D，经转换为数字信放大A/DA/D光隔驱动单片机标准热电偶待测热电偶电源LCD显示按键输入串口输出图3.1 单片机热电偶性能参数测试仪硬件原理框图 电 炉放大号后送入单片机，单片机根据存贮的分度表计算出电炉温度，该值作为待测特性曲线的横轴数据送LCD；另一路则读出待测热电偶上热电势，放大经单片机处理后作为待测曲线的纵轴数据送LCD。根据这两组数据LCD实时显示待测热电偶特性曲线。默认工作模式为从启动装置电炉即开始加热，到达设定温度后自动切断加热。为了实现对炉温的可控，用双向可控硅驱动器驱动可控硅调压，对炉温、LCD显示的操作通过按键输入，同时为了方便将特性曲线打印出

17、来以及同计算机通讯，还需要有一个串行接口。 单片机的选择本系统结构较为简单，对数据处理的速度、精度等要求不高，因此可以选用早期型号的芯片，以降低成本。主要考虑以下几个方面：1.从运行速度方面来讲：我的设计因为比较建档所以没有特殊要求，最基本的8031即可满足系统数据处理的要求。2.考虑到存贮空间，其实主要是主程序、热电偶分度表、子程序等估算大小需要4K空间。3.单片机的内部资源也不需要太多，整个系统主要与单片机相连的是液晶屏、键盘、A/D，所以大约需要1520个I/O口。4.对于保密性的话，也没有特别要求，可以考虑使用带程序加密的单片机5.单片机的选择最重要的是它的可用性，最好选择比较成熟，货

18、源充足，性价比较高的单片机就好了。 根据以上的分析要求，我决定选用51系列单片机，该系列应用成熟，片源丰富，价格低廉，开发简单，很适合本次设计。 方案一：INTEL公司的8751，8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。方案二：ATMEL公司的89C51， 8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。为了便于在系统调试时程序修改，必须采用可直接擦写FLASH存储器的8

19、9C51，制成成品批量生产时则可考虑使用8751甚至8051。不过从成本来看，89C51与8751等几乎没有区别。3.2 AT89C51单片机89C51的概况MCS-51系列单片机的典型产品有8051，8031，80C51，80C31等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在片内存储器的配置上有所不同。其中，89C51是ROM型单片机，内含4KB的ROM程序存储器；8751内含4KB的可编程EPROM程序存储器；而8031则为无ROM型单片机，使用时需外接程序存储器。1.CPU CPU是单片内部机的核心部件，是单片机的指挥和控制中心。从功能上看，CPU可分为运算器和控制器两大部分。2.RAM R

20、AM为单片机的内部数据存储器。其存储空间包括随机存储器区，寄存器区，特殊功能寄存器及位寻址区3.ROMROM为单片机内部程序存储器。用于存放处理程序。4.并行I/O口P0P3口是4个8位并行I/O口，每个口既可以作为输入，也可以作为输出。单片机在与外部寄存器及I/O端口设备交换信息的时候，必须由P0P3口完成。P0P3口提供CPU访问外部存储器所需的地址总线，数据总线及控制总线。P0P3口作为输出时，数据可以锁存，输入时具有缓冲功能。每个口既可以同步传送8位数据，又可以按位寻址传送其中一位数据，使用十分方便。5.定时/计数器定时/计数器用于定时和对外部时间进行计数。当它对具有固定时间间隔的内部

21、机器周期进行计数时，它是定时器；当它对外部事件所产生的脉冲进行计数时，它是计数器。6.中断系统MCS-51系列单片机有5个中断源，中断处理系统灵活，方便，使单片机处理问题的灵活性和工作效率大大提高。7.串行接口串行接口提供对数据各位按序一位一位地传送。89C51中的串行接口是一个全双工通信接口，即能同时进行发送和接收数据。8.时钟电路OSCCPU执行指令的一系列动作都是在时序电路的控制下一拍一拍进行的，时钟电路用于产生单片机中最基本的时间单位。封装与引脚定义由于89C51单片机为高性能单片机，受引脚数目的限制，所以不少引脚具有双重功能。各引脚的含义和功能：1.主电源引脚Vcc和VssVcc:接

22、主电源+5VVss：电源接地端2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL23.控制信号引脚(1)RST/VPD RST/VPD为复位/备用电源输入端。(2)ALE/PROG为低八位地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。(3)PSENPSEN为外部程序存储器控制信号，即读选通信号，可以驱动8个LS型TTL负载。CPU在访问外部程序存储器的时候，在每个机器周期，PSEN信号两次有效。(4)EA/VPP为外部程序存储器允许访问/编程电源输入。EA=1时，CPU从内部程序存储器开始读取指令。当程序计数器PC的值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器的指令。当EA=0时，CPU仅访问片外程序存储器。4.并

23、行I/O口P0P4端口引脚(1) P0是一个8位漏极开路型双向I/O口。P0口可用作通用I/O口使用，但在端口进行输入操作前，应先向端口的输出锁存器写“1”。在CPU访问片外存储器时。P0口自动作为地址/数据复用总线使用，分时向外部存储器提供低8位地址和传送8位双向数据信号。(2) P1口是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。当P1输出高电平时，能向外部提供拉电流负载，因此不需要再外接上拉电阻。当端口用作输入时，也应该先向端口的输出锁存器写入“1”然后再读取端口数据。在EPROM编程和验证程序时，它用来输入低8位地址。P1口能够驱动4个LS型TTL负载。(3)P2口是一个内部带上拉电阻的8

24、位准双向I/O口。当CPU访问外部程序存储器时，P2口自动用于输出高8位地址，与P1口的低8位地址一起形成外部程序存储器的16位地址总线。此时，P2口不再作为通用I/O口。P2口也能够驱动4个LS型TTL负载。在EPROM编程和验证程序时，它用来接收高8位地址。(4)P3口P3口是一个内部带上拉电阻的8位多功能双向I/O口。P3口除了作通用I/O端口外，其主要功能是它的各位还具有的第二功能。无论P3口作为通用输入口还是作第二输入功能口使用，相应位的输出锁存器和第二输出功能端都应置“1”。P3口也能够驱动4个LS型TTL负载。P3的第二功能是作为控制端口使用的。P3口的第二功能相当于PC机中CP

25、U的控制线引脚。 表3.1 AT89C51单片机P3口特殊功能端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD (串行输入口)P3.2INTO (外中断扣)P3.3INT1 （外中断1）P3.4T0 (定时/计数器0)P3.5T1 （定时/计数器1）P3.6WR (外部数据存储器写选通)P3.7RD（外部数据存储器读选通）.运算器运算器的功能是进行算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。它包括算术逻辑单元 ALU、累加器 ACC、暂存寄存器、程序状态字 PSW 以及 B 寄存器和布尔处理器等。（1）算术逻辑单元 ALU 算术逻辑单元 ALU 用来完成基本的算术运算、逻辑运算，运

26、算结果送累加器 ACC 和 B 寄存器等，运算结果的状态送程序状态字 PSW 的相应标志位。（2）累加器 A 累加器 A 是最常用的具有特殊用途的 8 位寄存器，也可记作 ACC，专门用来存放操作数和运算结果 （3）暂存寄存器 暂存寄存器用来暂存数据和状态，便于数据的传送和运算。（4） B 寄存器 B 寄存器是专门用于乘法和除法运算的 8 位寄存器。在乘法运算中，两个操作数分别取自 A、B，乘积的低 8位存于 A，高 8位存于 B；在除法运算中，被除数取自 A，除数取自 B，运算后商存于 A 中，余数存于 B 中。（5）程序状态字 程序状态字 PSW 是一个 8 位标志寄存器，用来存放指令执行

27、后的有关状态信息。PSW 中各位状态一般是在指令执行过程中形成，但也可以由用户根据需要通过指令加以设定，各标志位的定义见表2.1。表2.1 程序状态字各位定义位序位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0标志CYACF0RS1RS0OVP1） CY （carry）：进位标志位，也可记为 C，用来表示加、减法运算时最高位有无进位或借位，若有进位或借位 CY =1，否则 CY =0，通常由硬件自动完成。在 CPU 进行位操作时，CY 又可被认为是位累加器，它的作用相当于 CPU 中的字节累加器 A。2） AC：辅助进位标志，若在进行加、减法运算时产生低 4

28、位向高 4位进位或借位，则 AC =1；否则 AC =0。3） F0：用户标志位，用户可根据程序执行的需要通过软件来置位或清除该位，用户程序对该位进行检测以控制程序的流向。4） RS1、RS0：工作寄存器选择位，8051共有 8个 8位工作寄存器 R0 R7，可以用软件来置位或清除，以确定当前使用的工作寄存器组，用户可以通过改变 RS1 和 RS0的状态来决定 R0 R7的实际物理地址。RS1、RS0与工作寄存器 R0 R7的物理地址之间的关系见表2.2。表2.2 RS1、RS0与工作寄存器地址之间的关系 RS1RS0选中的工作寄存器组R0R7地址000组00H-07H011组08H-0FH1

29、02组10H-17H113组18H-1FH5） OV：溢出标志位，用来指示运算过程中是否发生溢出。若在执行运算指令过程中累加器 A 中运算结果超出了 8位带符号数所能表示的范围 （-128 +127），则 OV 位由硬件自动置 1，有溢出，表示运算结果错误；否则 OV 为 0，无溢出，表示运算结果正确。6） P：奇偶标志位，用来表示累加器 A 中 1的个数的奇偶性，若累加器 A 中 1的个数为奇数，则 P 为 1，否则 P 为 0。在串行通信中常用奇偶检测的方法来检验数据传输是否出错。 3.2.4 复位电路及单片机的工作方式时钟电路工作以后，在RESET 输入端出现两个周期（10ms）以上的高

30、电平，AT89C51 被初始化复位。复位后，各特殊功能寄存器的初始状态如表3.2 所示。P0 口P3 口输出高电平，初值07H被写入堆栈指针SP，程序计数器和其他特殊功能寄存器被清0，但复位不会影响MCS-51 内部RAM的状态。只要RESET 始终保持高电平，MCS-51 将循环复位，在复位有效期间，ALE、PSEN 也输出高电平，RESET 输入端返回低电平后，CPU 从0 开始执行程序。 表3.2 复位后特殊功能寄存器初始状态寄存器复位后的内存寄存器复位后的内存PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPIR

31、0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIPXXX0 0000BSBUF不定IE0XX0 0000BPCON0XXX XXXXBMCS-51 通常采用上电自动复位和开关复位两种复位方式，其电路如图2.7 所示。通电瞬间，在RC 电路的充电过程中，RESET 端出现正脉冲，只要RESET 端保持10ms 以上的高电平，就能使单片机有效地复位，从而实现上电自动复位。在图3.6 的复位电路中，RC 的参数通常由实验调整。在实际的应用系统中，若有外部扩展的I/O 口电路，也需要初始复位，如果它们的复位端同单片机的复位端相连，由于复位时间和复位电平不完全一致，就会使系统初始化失败。外部接口

32、电路的复位也可以不和单片机的复位端相连接，采用独立的上电自动复位电路。如果RC 电路接施密特电路输入端，施密特电路输出端接单片机和外围接口复位端，则能使系统可靠地同步复位。 图3.4 复位电路示意图当采用6MHz 的晶振时，图中的CR 选22F，为1K，便能可靠地实现上电自动复位。在图（b）的开关复位电路中，RR1 取常数200左右，只要KR 闭合，RESET 端为高电平，复位有效。3.2.5 空闲节电模式 AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现的。

33、PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态，如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为一，则先激活掉电模式。 在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而片内外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。 终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许的中断事件被激活，IDL被硬件清楚，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一

34、条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面一条程序。其二是通过硬件复位也可将空闲模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24各时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或对外部存储器的写入指令。 控制器控制器是单片机的指挥控制部件，由程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器ID、定时控制电路等组成。（1）程序计数器 PC 程序计数器

35、PC 是一个 16位专用寄存器，可对 64KB 程序存储器直接寻址，用来存放将要执行的下一条指令的地址。改变 PC 中的内容便可改变程序的执行方向。PC 是一个独立的寄存器，随时指向将要执行的指令的地址，具有自动加1的功能，但本身无具体的物理地址。（2）指令寄存器 IR 和指令译码器 ID 指令寄存器用来存放指令代码。当 CPU 执行指令时，从程序存储器中读取的指令代码经指令寄存器送入译码器，译码后由定时控制电路发出相应的控制信号，以完成指令所规定的操作。（3）定时控制电路 定时控制电路是控制器的核心，由它产生 CPU 的操作时序。 掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最

36、后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。 空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器ALEPSENP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据3.3 器件选择方案论证 放大器 方案一：前级选用自稳零高精度斩波运放ICL7650，后级则选用通用运放LM741，主要完成反相功能，ICL76

37、50 输入端的钳位二极管起保护作用，避免输入线路故障时或瞬态尖峰干扰损坏运放。方案二：前级选用美国公司的自校准信号放大器，后级则选用通用运放LM324完成反相。内有两个自校准运放通道，对温漂零漂可进行自校准。经过比较，由于本次设计输入信号有两路，而TLC4502能够对两路信号进行处理，可以减少元件，缩小制版占用空间，简化电路，因此选择方案二搭建信号放大电路。 3.3.2 A/D转换器方案一：A/D转换器采用ADC0809， ADC0809是带有8：1多路模拟开关的8位A/D转换芯片，所以它可有8个模拟量的输入端，由芯片的A，B，C三个引脚来选择模拟通道中的一个。方案二：A/D转换器采用AD57

38、4，它具有12位的输出精度，高于本系统的要求，AD574的DB0DB11是12个输出端，它与单片机的I/O口相连时较麻烦。 方案三：A/D转换器采用MC14433，它满足本系统的要求。MC14433的输出端与单片机相连时，可以直接连接到单片机的I/O口，连接方便。唯一的不足是价格较高，每片大约6元，而ADC0809每片不足2元。 方案二、三中的AD574、MC14433或者价格较高，或者在与单片机的I/O口连接时电路复杂，因此本次毕业设计选择方案一中的ADC0809，它能满足系统的要求，成本低廉，而且硬件电路设计比较简单。 串行接口器件 方案一：PC机配有标准RS-232接口，单片机输出的是T

39、TL电平。因此，单片机与PC机之间通讯时，需要电平转换。RS-232电平转换芯片有MC1489，MC1488。MC1488内有三个与非门和一个相反器，供电电压为+15V-15V或者+12V-12V，输入为TTL电平，输出为RS-232电平。MC1489内部有四个相反器，输入为RS232电平，输出为TTL电平。 方案二：采用MAX232作为单片机与PC之间通讯的桥梁。MAX232的优点是：一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能：单一电源+5V供电。 方案一中的MC1488和MC1489，完成电平转换时电路设计麻烦，比较容易出现错误，而且功能不如MAX232齐全。所以选择方案二中的MAX23

40、2作为电平转换的芯片，它不仅在功能上能满足本系统的要求，且电路设计与连接比较简单。第四章 热电偶性能测试仪的硬件设计4.1 单片机电路设计本系统采用AT89C51 单片机作为核心器件，如图， P0.0-P0.7作为单片机的输出部分，接LCD，P1.0-P1.2作为单片机的输入部分，接按键。RXD、TXD用于串行接口部分。 图4.1 单片机接口电路单片机的晶振采用外接12M晶振。4.2 通道设计 温度检测与信号放大电路前级选用放大器，后级选用运放LM324。（查询资料可知）内有两个自校准运放通道。其通道的原理图如图3.3所示。通电后，上电复位电路开始工作，通过控制逻辑电路启动自校准过程。首先激活

41、振荡器以提供逐次逼近算法的时钟信号,同时断开、，并接通、。此时,运算放大器输入端短路,输出为失调电压,该电压经到片内并通过转换器转换后,存入寄存器内,然后再通过片内转换器转换后送到运算放大器内进行失调对消。经过若干个时钟周期后,失调电压逐次逼近零点,此时控制逻辑电路自动断开和，并接通和，校准过程即告结束。经校准后，运算放大器的失调电压的误差为零，因此，就可以像一般的运算放大器一样使用了。 图4.2 TLC4502片内通道原理图只要不断电,校准后的失调调零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器中。图4.3 热电偶放大电路4.2.2 A/D转换器由于本系统采集的是温度信号，对转换速度要求不高，故8位A/

42、D 转换器ADC0809可满足要求。ADC0809是带有8：1多路模拟开关的8位A/D转换芯片，所以它可有8个模拟量的输入端，由芯片的A，B，C三个引脚来选择模拟通道中的一个。A，B，C三端分别与89C51的P1.0P1.2相接。地址锁存信号(ALE)和启动转换信号（START），由P2.7和/WR或非得到。输出允许，由P2.7和/RD或非得到。时钟信号，可有89C51的ALE输出得到，不过当采用12M晶振时，应该先进行四分频，以满足ADC0809的时钟信号必须小于640K的要求。本系统采用AT89C51 的P 0口与ADC0809相连 4.4 单片机与ADC0809连接原理图 串行接口89C

43、51芯片内有一个全双工的串行口，该串行口和其他标准串行口芯片一样，输入输出均为TTL电平。这种以TTL电平传输数据的方式，抗干扰性差，传输距离短。为了提高串行通讯的可靠性，增大通讯距离，一般采用标准串行接口，如RS-232C、RS-422A、RS-485等标准串行接口。 RS-232C的机械指标规定：RS-232C接口通向外部的连接器（插针插座）是一种“D”型25针插座。在微机通讯中，通常被使用的RS-232C接口只有九根引脚，见下表。 表4.1 常用RS-232引脚功能引脚号符号方向功能2TXD输出发送数据3RXD输入接收数据4RTS输出请求发送5CTS输入清除发送6DSR输入数据通讯设备准

44、备好7GND信号地8DCD输入数据载体检测20DTR输出数据终端准备好22RI输出振铃提示RS-232C采用负逻辑，即：逻辑“1”：-3V-15V；逻辑“0”：+3V+15V。RS-232C标准的信号传输的最大长度为30米，最高传输速率为20KB/S。 由于TTL电平和RS-232C电平互不兼容，所以两者接口时，还必须进行电平转换。MAX232的优点是： 一片芯片可以完成发送转换和接受转换的双重功能； 单一电源+5V供电。 MAX232的管脚说明： C1+，C1-，C2+，C2-：外接电容端。 R1IN，R2IN：2路RS-232电平信号接收输入端。 R1OUT，R2OUT：2路转换后的TTL

45、电平接收信号输出端，送单片机的RXD接收端。 T1IN，T2IN ：2路TTL电平发送输入端，接单片机的TXD发送端。 T1OUT，T2OUT：2路转换后的发送RS-232电平信号输出端，接传输线。 V+：经电容接+5V电源。 V-：经电容接地。MAX232的芯片引脚如图。表 4.2 MAX232芯片电气特性电气特性参数范围带37K负载时驱动器输出电平逻辑1：-3V-15V逻辑0：+3V+15V不带负载时驱动器的输出电平-25V+25V驱动器通断时的输出阻抗>300输出短路电流<0.5A驱动器转换速率<30V/S接收器输入阻抗3K7K接收器输入电压允许范围-25V+25V输入

46、开路时接收器的输出逻辑1输入经300接地时接收器的输出逻辑1+3V输入时接收器的输出逻辑0-3V输入时接收器的输出逻辑1最大负载电容2500PF 图 4.5 MAX232芯片引脚配置 图 4.6 MAX232芯片与串口连接电路 MAX232芯片连接电路如图4.6所示。4.3 操作控制面板设计 按键电路图4.7 74HC148逻辑图和引脚图本系统提供了8个按键，16分别对应以下功能：电炉加热/停止、温度+、温度、自动手动方式切换、环境温度设置、与PC通信，另有两个键暂时未定义。为了防止有多个按键同时按下造成错误，接优先编码器74HC148。在数字系统中，特别是在单片机系统中，常常要控制几个工作对

47、象，例如要控制打印机、显示器、输入键盘等。当某个部件需要实行操作时，必须先送一个信号给主机（称为服务请求），经主机识别后再发出允许操作信号（称为服务响应），这里会有几个部件同时发出服务请求的可能，而在同一时刻只能给其中一个部件发出允许操作信号。因此，必须根据轻重缓急，规定好这些控制对象允许操作的先后次序，即优先级别。识别这类请求信号的优先级别并进行编码的逻辑部件称为优先编码器。74HC148逻辑图和引脚图如图4.7，功能表如下表： 图4.7 按键接口电路 LCD接口电路本系统采用南亚图形液晶模块LMA97S005AD，该模块为128×64的点阵液晶LCD，该器具有显示清晰，集成控制芯

48、片，外围电路简单、占用单片机口线少、占用CPU 时间短及显示字形丰富的特点，是一种适合单片机使用的显示芯片。LCD显示装置LCD驱动器LCD控制器 图4.11 LCD内部结构框图表4.4 LMA97S005AD接脚资料：接脚编号接脚符号电平功能或规格1Vss（输入）0V接地，0V2Vdd5.0V接电源3VO-反视度调整。LCD操作电压4D/IH/L寄存器选择。1：数据，0：指令5R/WH/L读/写选择。1：读，0：写6EH.HàL使能信号7-14DB0DB7H/L数据脚15CS1HIC1片选信号（左半屏）16CS2HIC2片选信号（右半屏）17RSTL复位信号18VEE-18.0VL

49、CD负压驱动器19NC空脚20NC空脚接脚说明：（1）脚1为接地，脚2为5V电源输入（2）V0脚3为LCD反视调整电压，可直接或串接数K电阻与第18脚VEE连接。或可接一可调电阻在脚2及VEE，令可调点接V0即可。（3）第4脚D/I为数据/指令寄存器，第5脚为读/写线，此两脚搭配如下：D/IR/W运作方式11由输出寄存器读取数据，内部运作先将显示RAM放入输出寄存器10将数据写入输入寄存器，内部运作则将输入寄存器写入显示RAM01忙碌信号及状态数据读取00指令寄存器 （4）脚6E为使能脚，E需由高电位变为低电位时，数据才能有效转移。（5）第7脚到第14脚为数据排线（6）第15脚（CS1）和第1

50、6脚（CS2），这两脚为芯片选择脚。 如果CS1=1,CS2=0，左半屏64×64点有效 如果CS1=0,CS2=1，右半屏64×64点有效（7）第17脚（RST）为重置脚，关机后，送低脉冲可重置HD61202芯片，当RST为低电位时，只有读取状态指令能被执行。（8）第18脚（VEE）为LCD驱动电路，约为10V18V，本模块已有负压产生电路，不必由外部提供负压。在本系统中，数据输入引脚DB0DB7接AT89C51的P0.0P0.7口，CS1、CS2片选引脚接P1.6、P1.7，使能端E接T1，RD、WR分别接RD、WR口。4.4控制执行电路设计图4.12 MOC3061MOC3061器件是红外LED加上带过零检测的光敏双向晶闸管组成的复合器件，结构见左图。输入部分是一砷化镓二极管，此