毕业设计-数字式温度监控系统设计-学士学位论文

1、学士学位毕业设计论文数字式温度监控系统设计学生姓名：曹平 指导教师：赵斌 怀宝付所在学院：信息技术学院专 业：电气工程及自动化中国大庆2007 年 6 月黑龙江八一农垦大学本科毕业设计论文任务书学生姓名曹平所在班级电气031导师姓名赵斌怀宝付导师职称副教授助教论文题目数字式温度监控系统设计题目分类1应用与非应用类：工程 科研 教学建设理论分析 模拟2软件与软硬结合类：软件硬件软硬结合非软硬件1、2类中必须各选一项适合自己题目的类型在内打主要研究内容：该题目是控制加热炉的温度保持在设定区间内，温度低于下限自动加热，温度高于上限自动降温，用数字显示加热炉实际温度。主要技术指标或技术参数：独立完成系

2、统的硬件设计。完成系统软件程序的编写及模拟调试。主要参考文献：电子技术应用，2003仪表技术与传感器，2002元器件搜索 HYPERLINK :/ 参考单片机网站：周立功单片机阶段规划：搜集资料、分析资料，提出方案。3月1日4月1日系统硬件设计。4月1日5月1日系统程序编制。5月1日6月1日论文书写，准备辩论。开题时间完成论文时间论文中期完成情况导师意见导师签字教研室审定意见：教研室主任签字：年 月 日注：1任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。2此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据。摘要本设计是控制加热炉的温度保持在设定区间内，温度低于下限自动加热，温度高于上限自

3、动降温，用数字显示加热炉实际温度。由数据采集电路的温度传感器热电偶，检测加热炉的实际温度，经模/数转换后送入单片机中与设定温度值进行比拟。控制方法采用增量型控制方法，温度信号经比拟后，由单片机输出控制触发电平，控制继电器的开合。本设计采用数字控制器，不但节省了硬件，而且具有控制精度高，可靠性高，操作方便，自动化高等特点。关键词：数据采集 信号调理 键盘与显示 输出控制ABSTRACTThe system in this article was designed to keep the temperature of furnace，which will heat itself automatic

4、ally if the temperature is lower to the minimum and cold itself when the temperature is higher than the maximum then display the temperature，in an special area. The real temperature will be checkout through the data sample circuit and be sent after converting by A/D converter to MCU, where the data

5、will be compared with the value defined before. The algorithm of incremental PID was adopted in this design. The on-off state of the relay is controlled by the electrical level output by the MCU after the temperature signal was compared. Because the digital PID controller was adopted in this system,

6、 the hardware circuit was cut down and it was perfect on control precise, more reliable, operated conveniently |and automatically.Keywords: Data Acquisition Signal Conditionting Keyboard and Display Output Control目录 TOC o 1-2 h z HYPERLINK l _Toc168824637 摘要 PAGEREF _Toc168824637 h I HYPERLINK l _To

7、c168824638 ABSTRACT PAGEREF _Toc168824638 h II HYPERLINK l _Toc168824639 前言 PAGEREF _Toc168824639 h IV HYPERLINK l _Toc168824640 绪论 PAGEREF _Toc168824640 h 1 HYPERLINK l _Toc168824641 1 数据采集局部 PAGEREF _Toc168824641 h 2 HYPERLINK l _Toc168824642 数据采集方式 PAGEREF _Toc168824642 h 2 HYPERLINK l _Toc168824

8、643 传感器的选用 PAGEREF _Toc168824643 h 4 HYPERLINK l _Toc168824644 2 信号调理电路的参数设计和选择 PAGEREF _Toc168824644 h 9 HYPERLINK l _Toc168824645 前置放大器 PAGEREF _Toc168824645 h 9 HYPERLINK l _Toc168824646 滤波器 PAGEREF _Toc168824646 h 11 HYPERLINK l _Toc168824647 3 转换电路的参数设计和选择 PAGEREF _Toc168824647 h 12 HYPERLINK l

9、 _Toc168824648 A/D转换器的选择 PAGEREF _Toc168824648 h 12 HYPERLINK l _Toc168824649 采样保持器 PAGEREF _Toc168824649 h 16 HYPERLINK l _Toc168824650 4 键盘与显示局部设计 PAGEREF _Toc168824650 h 16 HYPERLINK l _Toc168824651 键盘局部 PAGEREF _Toc168824651 h 16 HYPERLINK l _Toc168824652 4.2 显示局部 PAGEREF _Toc168824652 h 17 HYPE

10、RLINK l _Toc168824653 5 输出控制局部设计 PAGEREF _Toc168824653 h 19 HYPERLINK l _Toc168824654 80C51单片机的引脚定义及功能 PAGEREF _Toc168824654 h 19 HYPERLINK l _Toc168824655 5.2 开关量输出通道 PAGEREF _Toc168824655 h 21 HYPERLINK l _Toc168824656 6 软件局部设计 PAGEREF _Toc168824656 h 23 HYPERLINK l _Toc168824657 结论 PAGEREF _Toc16

11、8824657 h 26 HYPERLINK l _Toc168824658 参考文献 PAGEREF _Toc168824658 h 27 HYPERLINK l _Toc168824659 致谢 PAGEREF _Toc168824659 h 28 HYPERLINK l _Toc168824660 附录 PAGEREF _Toc168824660 h 29引言传统的测控系统主要由“测控电路组成，所具有的功能较少，也比拟弱。随着计算机技术的迅速开展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，代替传统测控系统的常规电子线路，成为新一代的微机化测控系统。将微

12、型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低本钱、易于升级换代等。因此，现代测控系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，大都采用计算机技术。计算机技术的引入，为测控系统带来一些新特点和新功能： 1自动对零功能 每次采样前对传感器的输出值自动清零，大大降低因测控系统漂移变化造成的误差。 2多点快速测控 可对多种不同参数进行快速测量和控制。 3数字滤波功能 利用计算机软件对测量数据进行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。 4自动修正误差 许多传感器

13、和控制器的特性是非线性的，受环境参数变化的影响较严重，给仪器带来误差。利用计算机技术，可依靠软件进行在线或离线修正。 5数据处理功能 利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能，比方统计分析、检索排序、函数变换、差值近似和频谱分析等。 6复杂控制规律 利用计算机技术可以实现经典的控制，还可实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等。 7自我诊断功能 采用计算机技术后，可对测控系统进行监测，一旦发现故障那么立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。 绪论微机化测控系统是以微机为核心、测控一体化的系统，这种系统对被控对象的控制依据对被

14、控对象的测量结果断定。因此，它实质上是一种闭环控制系统。测控通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。带有模/数转换器的模拟量输入通道用来连接各类模拟信号输出的传感器，也可直接用做模拟形式的电压或电流的输入端。模拟量输出通道带有数/模转换器，使计算机能对模拟形式的执行机构或输出设备进行控制。开关量输入通道用来接收外界以“开关形式表示的信息。开关量输入也可用编码的形式向计算机输入信息，这种信息既可以是命令信息要求计算机执行某种动作，也可以是单纯的数据信息。开关量输出通道常用来控制开关型执行机构继电器、步进电机等，也可用来以编码形式输出信息。第二章 数据采集局部模拟输

15、入通道是微机化测控系统中被测对象与微机之间的联系通道，因微机只能接收数字电信号，而被测对象常常是一些非电量。所以，输入通道的前一道环节是感受被测对象，把被测非电量转换为可用电信号的传感器，后一道环节是将模拟电信号转换为数字电信号的数据采集电路。除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而且这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行适当的信号调理。因此，模拟输入通道应由传感器、信号调理电路、数据采集电路三局部组成。如图1所示。 传感器采集电路 调理电路 至微机 图1 信号输入通道的根本组成实际的微机化测控系统，按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一

16、个采样/保持器，多路模拟输入通道可分为集中采集式集中式和分散采集式分布式两大类型。2.1集中采集式集中式集中采集式多路模拟输入通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种，分别如图2、图3所示。传感器传感器传感器调理电路调理电路调理电路模拟多路切换器采样/保持器控制逻辑转换器计算机图2 多路分时采集分时输入结构由图2可见，多路被测信号分别由各自的传感器和信号调理电路组成的通道经多路转换开关切换，进入公用的采样/保持器和转换电路进行数据采集。它的特点是多路信号共同使用一个和电路，简化了电路结构，降低了本钱。但它对信号的采集是由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通的，相邻两路信号在时间上是

17、依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，这就产生了时间偏斜误差。传感器传感器传感器调理电路采样/保持器调理电路调理电路采样/保持器采样/保持器模拟多路切换器采样/保持器控制逻辑转换器计算机图3 多路同步采集分时输入结构由图3可见，同步采集型的特点是在多路转换开关之前，每路信号通路各有一个采样/保持器，使多路信号的采样在同一时刻进行，即同步采样。然后由各自的保持器保持着采样信号幅值，等待多路转换开关分时切换进入公用的和电路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。可消除分时采集型结构的时间偏斜误差，此结构既能满足同步采集的要求，比拟简单。但在被测信号路数较多的情况下，同步采得的信号在保持器中保持的时间会

18、加长，而保持器会有一些泄露，使信号有所衰减，由于各路信号保持时间不同，使各个保持信号的衰减量不同。21.1.2 分散采集式分布式分散采集式的特点是每一路信号都有一个和，不再需要模拟多路切换器。每一个和只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机输入计算机，如图4所示。2图4 分散采集式模拟输入通道结构1.2 传感器的选用传感器是信号输入通道的第一道环节，决定整个测试系统的性能。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器，即系统对传感器的技术要求；其次要了解现有哪些可供选择的传感器，将同类产品的指标和价格进行比照，从中挑选符合要求的性价比最高的传感器。1

19、.2.1对传感器的主要技术要求1具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围变化幅度范围、变化频率范围相一致。2转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标一般应优于系统精度的十倍左右，转换速度符合整机要求。3能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗震、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。4能满足用户对可靠性和可维护性的要求。1.2.2 可供选择的传感器类型对于一种被测量，有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体结、温度传感器、光纤温度传感器等。可用于同一被测量的不同类型的

20、传感器具有不同的特点和不同的价格。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑本钱低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。1大信号输出传感器 为了与输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与相配套的大信号输出传感器。通常是把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出、或要求的信号电压，把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能输出直流标准信号的变送器。信号输入通道中应尽可能选用大信号传感器或变送器，这样可以省去小信号放大环节。如图5所示。图5 大信号输出传感器的使用对于大电流输出，只要经过简单转换即可变为大信号电压输出。对于大信号电压可以可

21、已经转换，也可已经转换送入微机，但后者响应速度较慢。(2)数字式传感器 数字式传感器一般采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数构成的振荡器，或模拟电压输入经转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。此外，采用数字量传感器时，传感器输出如果满足电平标准，那么可直接接入计算机的口或中断入口。如果传感器输出不是电平，那么需经电平转换或放大整形。一般进入单片机的口或扩展口时还要通过光电耦合隔离，如图6所示。图6 频率量及开关量输出传感器的使用由图6可见，频率量及开关量输出的传感器具有信号调理较为简单的优点。在一些非快速测量中应尽可能选用频

22、率量输出传感器频率测量时，响应速度不如转换快，故不适于快速测量。3集成传感器 集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。4光纤传感器 传感器的信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，防止了电路系统的电磁干扰。信号输入通道中采用光纤传感器，可从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。21.2.3 热敏电阻热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作

23、简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点，得到较为广泛的应用，应用于远距离测量和控制中。1.2.3.1 热敏电阻的主要特性1电阻温度特性电阻与温度之间的关系是热敏电阻的最根本特性，这一关系充分反映了热敏电阻的性质，当温度不超过规定值时，保持着本身特性，超过时特性被破坏。在工作温度范围，应在微小工作电流条件下，使之不存在自身加热现象。电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示 1式中 与热敏电阻尺寸形状以及它的半导体物理性能有关的常数；与半导体物理性能有关的常数；热敏电阻的绝对温度。假设两个电阻值和，以及相应的温度值和，便可以求出、两个常数。 将代入中，可得到以电阻作为一个参数的温度特性表达式 2如

24、果电阻和，那么温度特性是给定的。通常取时的热敏电阻的阻值为，记作，称为标称电阻值，那么式2可改写为 3其电阻温度特性曲线如图7所示。图7 热敏电阻的温度特性电阻温度系数可由式2求得 由上式可知，热敏电阻的温度系数也与温度有关。对于大多数热敏电阻，温度系数均为负值。控制材料成分，可制成具有正温度系数的热敏电阻。正温度系数热敏电阻的电阻温度特性可用下式计算 4式中 、温度分别为、时的电阻值； 正温度系数，热敏电阻与半导体物理性能有关的常数。2伏安特性伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流与其上电压降之间的关系。如图8所示。当电流很小小于时，缺乏以引起自身加热，阻值保持恒定，电压降与电流之间符合

25、欧姆定律。当电流时，随着电流增加，功耗增大，产生自热，阻值随电流增加而减小，电压降增加速度逐渐减慢，因而出现非线性的正阻区。电流增大到时，电压降到达最大值。此后，电流继续增大时，自热更为强烈，由于热敏电阻的电阻温度系数大，阻值随电流增加而减小的速度大于电压降增加的速度，于是就出现负阻区。当电流超过允许值时，热敏电阻将被烧坏。上述特性即使对同一个热敏电阻，也会因散热状况的不同而变化。对于测温、控温和温度补偿，应工作在伏安特性的线性区，即工作电流要小，这样可忽略自热的影响，使电阻值仅取决于被测温度。对于利用热敏电阻的耗散原理工作的场合，例如测量流量、风速、真空等，那么应工作于伏安特性的负阻区。图8

26、 负温度系数热敏电阻伏安特性3电流时间特性热敏电阻的电流时间曲线，如图9所示。它们是在不同的外加电压情况下，电流到达稳定最大值所需的时间，从图中可以看到都有一段延迟时间，这是在自然过程中为到达新的热平衡状态所必需的，延迟时间反映了热敏电阻的动特性。适中选择热敏电阻的结构及相应的电路，可使这段延迟时间具有到几个小时的数值。对于一般结构的热敏电阻，其值可在之间。3图9 电流时间特性2 信号调理电路的参数设计和选择一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除小信号放大、滤波外，还有零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理，相应的执行电路通称为信号调理电路。在微机化测控系

27、统中，依靠硬件实现的信号调理任务都可通过软件来实现，大大简化了微机化测控系统中信号输入通道的结构。信号输入通道中的信号调理重点为小信号放大、信号滤涉及对频率信号的放大整形等。较典型的信号调理电路组成如图10所示。2图10 典型调理电路的组成框图2.1 前置放大器采用大信号输出传感器，可以省掉小信号放大器环节。但多数传感器输出信号比拟小，须选用前置放大器进行放大。 由于电路内部有噪声源存在，使电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，即电路的输出噪声。将电路输出端测得的噪声有效值，折算到该电路的输入端，即除以该电路的增益，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声，即 5如果加在该电路输入

28、端的信号幅度，小于该电路的等效输入噪声，那么此信号就会被电路的噪声“淹没。为不使信号被电路噪声淹没，须在该电路前加一级放大器，如图11所示。图11 前置放大器的作用图11中前置放大器的增益为，本身的等效输入噪声为。由于前置放大器的噪声与后级电路的噪声是互不相关的随机噪声，图11电路总输出噪声，即 6总输出噪声折算到前置放大器输入端，即总的等效输入噪声为 7假定不设前置放大器时，输入信号刚好被电路噪声淹没，即，参加前置放大器后，为使输入信号不再被电路噪声淹没，即，就必须使，即 8解上列不等式可得 9由式9可见，为使小信号不被电路噪声淹没，电路前端参加的电路须是放大器，即，且须是低噪声的，即该放大

29、器本身的等效输入噪声须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。为减小体积，调理电路中的滤波器大多采用有源滤波器，由于电阻元件是电路噪声的主要根源。因此，滤波器产生的电路噪声比拟大。如果把放大器放在滤波器后面，滤波器的噪声将会被放大器放大，使电路输出信噪比降低。图12 两种调理电路的比照图12中放大器和滤波器的放大倍数分别为和1即不放大，本身的等效输入噪声分别为和。图12a调理电路的等效输入噪声为 10图12b所示调理电路的等效输入噪声为 11比照式10与式11可见，由于，,那么调理电路中放大器设置在滤波器前面，有利于减少电路的等效输入噪声。由于电路的等效输入

30、噪声决定电路所能输入的最小信号电平，因此减少电路的等效输入噪声实质上是提高了电路接收信号的能力。22.2 滤波器为使调理电路的零漂电压不会随被测信号一起送到采集电路，通常在调理电路与采集电路之间接入隔直电容和电压跟随器，如图13所示。图13隔直电容的作用隔直电容与电压跟随器输入电阻形成一个高通滤波器，其截止频率为 由于和很大，所以很低，不到，对一般的低频干扰不起作用。有些仪器例如地震记录仪，需要滤除低频干扰，须在调理电路中设置专门的高通滤波器。其截止频率应高于需要滤出的干扰频率，一般比计算值高得多。那么调理电路通频带的下线频率就由该高通滤波器决定，而不由公式决定。2数据采集与调理电路如图14所

31、示。图14 数据采集与调理电路3 转换电路的参数设计和选择转换电路是实现模拟信号数字化的电路，转换器是转换电路的核心。在集中采集式测量通道中，前面都设置模拟多路切换器，以便从多路模拟信号中选取一路进行转换。假设被测模拟信号为恒定或变化缓慢的信号，那么可以直接进行转换，如图15(a)所示。如果被测模拟信号为动态信号，那就必须在与之间设置采样保持器，如图15(b)所示。在的闭合期间采样，在保持其间进行转换。如果各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大，就必须在与之间设置程控增益放大器或瞬时浮点放大器作为主放大器，如图15(c)所示。(a)(b)主放(c)图15 采集电路的根本组成3.

32、1 转换器的选择转换器是数据采集电路的核心部件，正确选用转换器是提高数据转换电路性能价格比的关键。 转换位数确实定转换器的位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态范围，在很大程度上影响采集电路的转换精度。应根据对采集电路转换范围与转换精度两方面要求选择转换器的位数。假设需要转换成有效数码除0以外的模拟输入电压最大值和最小值分别为和，前放大器增益为，位满量程为，那么应使 小信号不被量化噪声淹没 12 大信号不使溢出 (13)所以，须 。通常称量程范围上限与下限之比的分倍数为动态范围，即 (14)假设被测模拟电压动态范围为，那么可按下式确定位数，即 (15)、组成的数据采集电路的总误差是这三个组

33、成局部的分项误差的综合值，那么选择元件精度的一般规那么是：每个元件的精度指标应优于系统精度的十倍左右。25 转换速度确实定转换器从启动转换到转换结束,输出稳定的数字量需要一定的时间，称为转换器的转换时间，用不同原理实现的转化器转换时间是不同的。积分型、电荷平衡型和跟踪比拟型转换器转换速度较慢，转换时间从几十到几不等。这种形式只能构成低速转换器，一般适用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。逐次比拟型的转换器的转换时间可从几到左右，属中速转换器，常用于工业多通道单片机检测系统和声频数字转换系统等。转换时间最短的高速转换器是用双极型或式工艺制成的全并行型、串并行型和电压转移函数型的转换器。转

34、换时间仅。高速转换器适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实施瞬态记录、视频数字转换等系统。转换器不仅从启动转换到转换结束需要一段时间转换时间记为，且从转换结束到下一次再启动转换也需要一段时间休止时间或称复位时间、修复时间、准备时间等，记为，这段时间除了使转换器内部电路复原到转换前的状态外，最主要是等待读取转换结果和再次发出启动转换的指令。对于一般微处理机，通常需要几到几十时间才能完成转换器转换以外的工作，如读取数据、再启动、存数据、循环记数等。因此，转换器的转换速率单位时间内所能完成的转换次数应由转换时间和休止时间二者共同决定 转换速率= 16转换速率的倒数成为转换周期，记为，即 17假设转换

35、器在一个采样周期内依次完成路模拟信号采样的转换，那么 18对于集中采集式测试系统，即为模拟输入道数；对于单路测试系统或分散采集测试系统那么。假设需要测量的模拟信号的最高频率为，那么去混淆低通滤波器截止频率应选取为 19将上式代人得 20将式18代人上式得 21由式21可见，对大的高频或高速测试系统，应该采取以下措施：减少通道数，最好采用分散采集方式，即。减少截频系数，应增大去混淆低通滤波器陡度。选用转换时间短的转换器芯片。将由读取数据改为直接存储器存取技术，以大大缩短休止时间。2 介绍本设计采用路模拟输入位数字输出的逐次逼近型器件。.1主要技术指标和特性分辨率：位。转换时间：取决于芯片时钟频率

36、，转换一次时间为个时钟周期，当时，转换时间为。单一电源：。模拟输入电压范围：单极性，双极性或。具有可控三态输出锁存器。启动转换控制为脉冲式正脉冲，上升沿使内部所有存放器清“，下降沿使转换开始。.2 的引脚与结构的引脚如图16所示。 图16引脚图的内部除转换局部外，还有模拟开关局部。各引脚定义如下：路模拟量的输入端。：转换后的数据输出端，为三态可控输出，可直接与计算机数据线相连。、：模拟通道地址选择端，为低位，为高位。、：基准参考电压，其值决定了输入模拟量的量程范围。：为时钟信号输入端，频率范围为。：地址锁存允许信号，高电平有效，当此信号有效时，、三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。 ：为

37、启动转换信号，正脉冲有效。此信号通常与系统信号相连，控制转换器的启动。 ：转换结束信号，高电平有效，表示一次转换已完成。可作为中断触发信号，也可用程序查询的方法检测转换是否结束。：输出允许信号，高电平有效，可与系统读选通信号相连。当计算机发出此信号时，的三态门被翻开，此时可通过数据线读到正确的转换结果。多路模拟开关最多允许路模拟量分时输入，共用一个转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。路模拟开关的切换由地址锁存和译码电路控制，根地址线与、引脚端直接相连，通过锁存。改变地址可以切换路模拟通道，选择不同的模拟量输入。3采样保持器转换器把模拟量转换成数字量需要一定的转换时间，在这个转换时间

38、内，被转换的模拟量应根本维持不变，否那么转换精度没有保证，甚至根本失去转换的意义。假设待转化的信号为,此信号的最大变化率为 (22)又假设信号的正负峰值正好到达的正负满量程，而的位数不含符号位为，那么最低有效位代表的量化电平量化单位为 (23)如果的转换时间为，为保证的转换精度，在转换时间内，被转化信号的最大变化量不应超过一个量化单位，即 (24)因此，不加采样/保持器时，待转换信号允许的最高频率为 (25)由此可见，除了被转换信号是直流电压或变化极其缓慢即满足上式，可以用直接转换不必在前加设外，但凡频率不低于由上式确定的的被转换信号，都必须设置采样/保持器把采样复制保持下来，以便在保持其间把

39、保持的采样幅值转换成相应的数码。2154 键盘与显示局部设计键盘局部 键输入工作原理当按下所设置的功能键或数字键时，计算机应用系统应完成该按键所设定的的功能。键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对某些应用系统，例如智能仪表，键输入程序是整个应用程序的重要局部。对于一组键或一个键盘，需要通过接口电路与相连。可以采用查询或中断方式了解有无键输入并检查是哪一个键被按下，将该键号送入累加器，然后通过散转指令转入执行该键的功能程序，执行完又返回到原始状态。1 键输入接口与软件应解决的问题键输入接口与软件应可靠而快速的实现键信息输入与执行键功能任务。应解决以下问题：.1 键开关状态的可靠输入按键或键盘大

40、局部是利用机械触点的合、断作用，由于弹性作用的影响，机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程，使电压信号也出现抖动。抖动时间长短与开关的机械特性有关，一般为。按键的稳定闭合时间由操作人员的按键动作所确定，一般为十分之几秒至几秒时间。为保证对键的一次闭合仅作一次键输入处理，须去除抖动影响。通常去除抖动影响的方法有硬件、软件两种。硬件上是采取在键输出端加触发器或单稳态电路构成去抖动电路；软件上采取的措施是：在检测到有键按下时，执行一个左右的延时程序，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平。假设仍保持为闭合状态电平，那么确认为该键处于闭合状态。.2 进行编码、直接给出键号一组按键或键盘要通过口线查询按键的

41、开关状态。根据不同的键盘结构，采用不同的编码方法。但有无编码，以及采用什么编码，都要转换成与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的散转转移。一个完整的键盘控制程序应能完成下述任务：(1)监测有无键按下；(2)有键按下后，在无硬件去抖动电路的情况下，应用软件延时方法除去抖动影响；(3)有可靠的逻辑处理方法，如键锁定，即只处理一个键，其间任何按下又松开的键不产生影响，不管一次按键持续有多长时间，仅执行一次按键功能程序；(4) 输出确定的键号以满足散转指令的要求。24.2 显示局部 显示器的结构与原理显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。其外形结构如图17(a)所示。它由个

42、发光二极管构成，通过不同的组合可显示、及小数点“.等字符。数码管通常有共阴极和共阳极两种接法，如图17(b)所示。图中电阻是外接的，一般共阳极数码管必须外接电阻，共阴极不一定外接电阻。共阴极数码管的发光二极管阴极须接低电平，当某发光二极管的阳极为高电平一般为时，此二极管点亮；共阳极数码管的发光二极管是阳极接到高电平，对于需点亮的发光二极管使其阴极接低电平一般为地即可。要显示某字形应使此字形的相应字段点亮，即送一个用不同电平组合代表的数据至数码管。装入数码管中显示字形的数据称字形码。(a) (b)图17的外部结构及接法从要显示数字的码转换成对应的段选码称为译码，译码既可用硬件实现，也可用软件实现

43、。采用硬件译码时，微机输出的是显示数字的码，微机与段选端间接口电路包括锁存器锁存显示数字的码、译码器将码输入转换成段选码输出、驱动器驱动二极管发光。采用软件译码时，只需要锁存器和驱动器。为使发光二极管正常发光，导通时电流为宜，管压降在左右，假设驱动器驱动电压为，那么发光二极管串联限流电阻可按下式计算 (26) 显示形式多位显示器有静态显示和动态显示两种形式。静态显示是各位同时显示,各位数码管的位选端应连在一起固定接地共阴极时或接共阳极时，每位数码管的段选端分别接一个位锁存器/驱动器。动态显示就是逐位轮流显示,各位数码管的段选端应并接在一起，由同一个位口或锁存器控制，各位数码管的位选端分别由相应

44、的口或锁存器控制。17键盘与显示电路如图18所示。图18 键盘与显示电路5 输出控制局部设计5.1 单片机的引脚定义及功能单片机采用脚双列直插封装形式，如图19所示。图19 的外部引脚单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。和脚：接地。脚：主电源。和脚：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于单片机，引脚必须接地；对于单片机，此引脚作为驱动端。脚：接外部晶体的一端。在片内它是一个振荡电路反相放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。如需采用外部时钟电路，对于单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于单片机，此引脚应悬浮。3

45、. 控制信号引脚、脚：单片机刚接上电源时，其内部各存放器处于随机状态，在该引脚输入个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位。脚：访问片外存储器时，作锁存扩展地址低位字节的控制信号称允许所存地址。平时不妨问片外存储器时，该端也以的始终振荡频率固定输出正脉冲，供定时过其他需要使用；在访问片外数据存储器时会丧失一个脉冲。端的负载驱动能力为个低功耗高速。另外，在对片内编程固化时，次引脚用于输入编程脉冲。脚：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。在向片外存储器取指令期间，信号在个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效的信号不出现。端同样可驱动个负载。可根据、和

46、输出端是否有信号输出，可以判别是否在工作。脚：当端输入高电平时，从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出时，将自动执行偏外程序存储器的程序。当输入低电平时，仅访问片外程序存储器。在对编程时，此引脚用于施加编程电压。4. 输入/输出引脚、和端口引脚是个存放器，也称为个端口，是单片机与外界联系的个位双向并行端口。由于在数据的传输过程中，需要对接口电路中输入输出数据的存放器进行读写操作，所以在单片机中对这些存放器像对存储单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的存放器称为端口，或简称口。脚：是一个位漏极开路型双向端口。在访问片外数据存储器时，它分时提供低位地址和

47、位双向数据，故这些线有地址线/数据线之称，简写为。在编程时，从输入指令字节，在验证程序时，那么输出指令字节验证时，要外接上拉电阻。脚：是一个带内部上拉电阻的位双向端口。在编程时和验证程序时，它输入低位地址。脚：是一个带内部上拉电阻的位双向端口。在访问片外数据存储器时，它输出高位地址，即。在对编程时和验证程序时，它输入高位地址。脚：是一个带内部上拉电阻的位双向端口。在整个系统中，这个引脚还具有专门的第二功能。7 开关量输出通道微机化测试系统的信号输出通道有数字信号输出通道和模拟信号输出通道两种。数字信号输出通道又可分为：测试结果的数字显示显示、显示，测试结果的数字记录数字磁记录或光记录、打印纸记

48、录等和测试结果的数据传输等三种形式。模拟信号输出通道是将测试数据转换成模拟信号，并经过必要的信号调理后，送到模拟显示器或模拟记录装置形成测试信号的模拟显示或模拟记录。本设计采用数字信号输出通道。对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量开关量输出驱动两种方式，其中模拟量输出是指其输出信号电压、电流可变，根据控制算法，使设备处于“开或“关状态的时间来到达运行控制目的。 以前的控制方法常采用模拟量输出的方法，由于其输出受模拟器件的漂移等影响，很难到达较高的控制精度。计算机进入测控领域后，数字量输出控制已越来越广泛的被应用；采用数字电路和计算机技术，对时间控制可以到达很高精度。 开关量输出通道的结

49、构开关量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成，如图20所示。 图20 开关量输出通道结构对生产过程进行控制时，控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止。通常采用等锁存器对开关量输出信号进行锁存。驱动被控制的执行装置不但需要一定的电压，且需要一定的电流，而主机的口或锁存器驱动能力很有限，因此，开关量输出通道末端须配接能提供足够驱动功率的输出驱动电路，可根据不同需要加以选择。 晶闸管交流负载驱动电路交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管也称单向可控硅和双向晶闸管也称双向可控硅两种类型。晶闸管只工作在导通或截至状态，使晶闸管导通只需要极小的驱动

50、电流，一般输出负载电流与输入驱动电流之比大于，是较为理想的大功率开关器件，通常用来控制交流大电压开关负载。由于交流电属强电，为防止交流电干扰，晶闸管驱动电路不宜直接与数字逻辑电路相连，通常采用光电耦合器进行隔离。 继电器驱动电路开关量输出电路控制着动力设备的启停。假设设备的启停负荷不太大，且启停操作的响应速度要求不高，那么适合于采用继电器隔离的开关量输出电路。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，须在微机的输出口或外接输出锁存器与继电器线圈之间接或等驱动器。继电器线圈是电感性负载，当电路断开时，会出现电感性浪涌电压。继电器两端要并联一个泄流二极管以保护驱动器不被浪涌电压所损坏。 固态继电器驱动

51、电路固态继电器是采用固体元件组装而成的一种新型无触点开关器件，它有两个输入端引入控制电流，两个输出端接通或切断负载电流。器件内部有一个光电耦合器将输入与输出隔离。输入端、脚与光电耦合器的发光二极管相连。它需要的控制电流很小，用、等集成电路或晶体管就可直接驱动。输出端用功率晶体管做开关元件的固态继电器称为直流固态继电器，主要用于直流大功率控制场合；输出端用双向可控硅做开关元件的固态继电器称为交流固态继电器，主要用于交流大功率驱动场合。2本设计采用交流固态继电器作为开关元件，输出控制电路如图21所示。图21 输出控制电路6 软件局部设计本设计用到的程序有启动子程序，转换结束中断处理子程序，串行口键

52、盘、显示程序与数据采集与显示程序以及增量型算法程序。系统框图如图22所示；串行口键盘、显示程序框图如图23所示；显示程序与数据采集与显示程序框图如图24所示。控制算法采用增量型算法，程序框图如图25所示。127键盘、显示程序输入设定值数据采集与显示程序A/D启动程序A/D转换结束中断处理程序PID算法程序输出控制开始 图22 温度监控系统框图图23 串行口键盘、显示程序框图 图24 数据采集与显示程序流程图计算计算计算计算计算计算更新返回图25 增量型PID算法程序框图结论数字式温度监控系统是致力于为使用者提供一个充分自动监管的系统，实现温度控制的系统化、标准化和自动化。运用温度传感器，使用对

53、检测到的数据进行采集转换，由单片机对采集到的数据信号进行分析比拟，输出控制信号控制固态继电器的开合，从而到达温度的自动监控。该系统的硬件包含以下几个局部：数据采集局部、信号调理局部、信号转换局部、键盘与显示局部，输出控制局部。由于本人设计经验缺乏，对一些知识的欠缺，本设计还存在一些问题和缺乏之处。本设计对加热炉的实际温度低于下限自动加热局部，采用的是控制继电器接通电阻丝进行加热。但对于温度高于上限自动降温局部，本设计采用的是控制继电器断开，使加热炉自然降温。这是本设计的缺乏之处，对于工作要求较高的场合，应加设冷却装置为好。本设计的软件局部设计的不是很理想，各个子程序之间的配合，控制算法的编写仍

54、有很大的缺乏，需进一步研究和改良。参考文献1先锋工作室单片机程序设计实例北京:清华大学出版社20032孙传友等.测控系统原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社.20023:高等教育出版社.20024567张迎新等.单片机初级教程.北京:北京航空航天大学出版社.20008:清华大学出版社.19969李光飞等.单片机课程设计实例指导.北京:北京航空航天大学出版社.200410付家才.单片机控制工程实践技术.北京:化学工业出出版社.200411刘文涛.单片机应用开发实例.北京:清华大学出版社.200512楼然苗等.51系列单片机设计实例.北京:北京航空航天大学出版社.200313:14:15:16

55、Philips Semiconductors and Electronics North America Corporation.DATA HANDBOOK 80C17Barry E.Jones,Instrumentation Measurement and Feedback.1977181920致谢本论文能够顺利、成功的完成，首先感谢学校和学院给我提供了这样的时机，让我将大学四年的所学有了综合的运用。感谢学校和学院对我四年的培养，让我完成了电气工程及自动化专业的课程，学到了必需的知识，为本次设计提供了最根本的条件。学院组织的三次课程设计，也为我的本次毕业设计提供了一定的设计经验，再次感谢学校

56、和学院对我的培养、教导和帮助。此外，还要感谢我的指导教师怀宝付老师，在此次设计期间怀老师给我了很多的帮助。怀老师在有教学任务的同时，还对我在设计上遇到的困难和问题给予耐心、详细、认真的解答，使我的设计能够顺利的按时完成。最后，还要感谢我的同学和朋友，他们在此次设计中也给了我不少的帮助。为我提供了许多硬件上的支持，使我能够顺利地完成论文的撰写。附录1 程序清单A/D启动子程序A/D： PUSH A SETB EA ；开中断SETB IT1 ；外中断1定义为跳变触发MOV DPTR，#0BFFEH ；送0809口地址MOV A，#00H ；对IN0通道电信号进行转换MOVX DPTR，A ；发启动

57、信号NOP ；延时10usNOPNOPNOPNOPSETB EX1 ；开外中断1POP ARETA/D转换结束中断处理子程序ADINT1： PUSH PSW ；保护现场 PUSH A PUSH DPH PUSH DPL MOV DPTR，#0BFFFH MOVX A，DPTR ；读A/D转换结果 MOV 60H，A ；送入内部RAM60H中 MOV A，00H ；再次启动IN0通道 MOVX DPTR，A POP DPL ；恢复现场 POP APH POP A POP PSW RETI ；退出中断串行口键盘、显示程序 MAIN： CLR P1.7 ；清显示 SETB P3.2 ；开显示输入 S

58、ETB P1.7 ；开显示 MOV SCON，#00H ；设串行口为方式0 MOV A，#76H ；“76”为H的段选码 MOV SBUF，A ；段选码串行输出 STP： JNB TI，STP ；输出等待 CLR TI ；清发送完标志，准备下次发送 CLR ；关显示输入，防止键盘干扰 ACALL KEY ；调键盘子程序 MOV DPTR，#PLO ；置散转入口地址表 MOV R2，A ；键值送R2 ADD A，R2 ；LJMP为三字节指令，需对键值修正， ADD A，R2 以形成正确的散转入口偏移量 JMP A+DPTR KEY： MOV A，#00H ；送全扫描字，判断是否有键按下 MOV

59、SBUF，A ；全扫描字从串行口输出 STP2： JNB TI，STP2 CLR TI STP3： JB P3.4，STP3 ；假设无键按下，等待 ACALL TIME ；假设有键按下，调延时子程序消抖动 JB P3.4，STP3 ；是键抖动，返回键等待 MOV R7，#08H ；查键号初始化，列数R7 MOV R6，#0FEH ；首列扫描字R6 MOV R3，#00H ；首列偏移量R3 MOV A，R6 ；送列扫描字 KEYS： MOV SBUF，A STP4： JNB TI，STP4 CLR TI JB P3.4，NEXT ；假设此列无键按下，准备查询下一列 MOV A，#00H ；假设此

60、列键按下，送全扫描字 MOV SBUF，A STP5： JNB TI，STP5 CLR TI STP6： JNB P3.4，STP6 ；待键释放，假设键未释放，等待 MOV A，R3 ；键号送A RET NEXT： MOV A，R6 RL A MOV R6，A INC R3 ；列偏移量加1 DJNZ R7，KEYS ；8列未查完，退回再查 AJMP KEY ；8列查完，退回键扫描子程序入口散转入口地址表：PLO+00H： LJMP PLGM0 ；PLGM0为#00键子程序入口地址PLO+03H： LJMP PLGM1 ；PLGM1为#01键子程序入口地址数据采集与显示程序ORG 8000HAJ