智能型温度测量仪课程课件

第4章智能型温度测量仪4.1智能型温度测量仪的原理

4.2智能型温度测量仪的电路结构及特点

4.3软件结构和程序框图

4.4典型智能型温度测量仪实例

思考题与习题

4.1智能型温度测量仪的原理

4.1.1智能型温度测量仪的基本功能

1)自动零点调整及满度的校正由于智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正，因此可以减小测量误差，同时可实现一表多用。智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器，故又称为温度万用表。2)自动修正各类测量误差智能型温度测量仪能实现对测量传感器（例如热电偶）的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电阻的引线电阻影响的消除等，

还可实现各类测量误差的自动修正。

3)数据的处理和通信智能型温度测量仪可进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的；实现各种控制规律，满足不同控制系统的需求；与其他仪器和微机进行数据通信，

构成各种计算机控制系统等。

4)多种输出形式智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示、打印记录、声光报警，还可以多点巡回检测。它既可输出模拟量，也可输出数字量（开关量）信号。5)自诊断和断电保护智能型温度测量仪对仪表内部各种故障能自动诊断出来，并能进行故障显示或报警。断电时，仪表内的切换电路自动接上备用电池，

以保持储存的数据。

4.1.2智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪与其他智能化仪器一样，也是由硬件和软件两大部分组成的。

1.硬件结构智能型温度测量仪的硬件部分由单片机主机电路、过程输入输出通道、键盘（人—机联系部件）、

接口和显示打印部分组成，

如图4-1所示。

图4-1智能型温度测量仪的硬件组成框图

2.系统软件智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。监控程序用于接受和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行；中断处理程序是用于人—机联系或输入产生中断请求以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序；软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。

3.工作流程

智能型温度测量仪的工作流程如图4-2所示。由温度传感器进入的模拟信号（直流电势或电阻）经过输入信号处理，即经过交换、放大、整形和补偿后，由A/D转换成数字量。此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。微处理器CPU对输入的数据进行加工处理、分析、计算后，将运算结果存入读写存储器中。与此同时，将数据显示和打印出来；也可将输出的开关量经D/A转换成模拟量输出，或者利用串、并行标准接口实现数据通信。整机工作过程是在系统软件控制下进行的。工作程序编制好后写入只读存储器中，通过键盘可将必要的参数和命令存入读写存储器中。

图4-2智能型温度测量仪的工作流程

4.2智能型温度测量仪的电路结构及特点

4.2.1主机电路1）MCS-51系列单片机的结构与特点MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器。片内的RAM和ROM空间都比较大，RAM可达256字节，ROM可达4～8KB。由于片内ROM空间大，因此BASIC语言等都可固化在单片机内。现在的MCS-51系列单片机已有许多品种，

其中较为典型的是8031、8051和8751三种。

8031型单片片机片片内无无ROM，应用时时必须须外接接EPROM才可使使用；；8051型片内内具有有4KB字节的的掩膜膜ROM；而8751型片内内则具具有4KB字节的的紫外外线可可擦除除电可可编程程的EPROM。这三种种芯片片的引引脚兼兼容，，从而而把开开发问问题减减小到到最低低限度度，并并提供供最高高的灵灵活性性。8751最适用用于开开发样样机，，以及及小批批量生生产和和需要要现场场进一一步完完善的的场合合；8051适用于于低成成本，，大批批量生生产的的场合；8031则适用用于能能方便便灵活活地在在现场场进行行修改改和更更新程程序存存储器器的场场合。。MCS-51系列单单片机机指令令系统统提供供了七七种寻寻址方方式，，可寻寻址64KB字节的的程序序存储储器空空间和和64KB字节的的数据据存储储器空空间；；共共有111条指令令，其其中包包括乘乘除指指令和和位操操作指指令；；中中断源源有5个（8032/8052为6个），，分为为2个优先先级，，每个个中断断源的的优先先级都都是可可编程程的；；在在RAM区中还还开辟辟了4个通用用工作作寄存存区，，共有有32个通用用寄存存器，，可以以适用用于多多种中中断或或子程程序嵌嵌套的的情况况。在在MCS-51系列单单片机机内部部，还还有1个由直直接可可寻址址位组组成的的布尔尔处理理机，，即位位处理理机。。指令令系统统中的的位处处理指指令专专用于于对布布尔处处理机机的各各位进进行布布尔处处理，，特别别适用用于位位线控控制和和解决各各种逻逻辑问问题。。MCS-51简化结构框图与逻辑符号如图4-3所示。图中信号端子的意义如下：XTAL1、XTAL2：内部振荡电路的输入输出端。RESET：复位信号输入端。EA：内外程序存储器选择端。当EA为高电平时，访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部存储器。ALE：地址锁存信号输出端。PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端。

P0～P3：四个8位I/O端口，，用来来输入入输出出数据据。P3口中还还包括括了一一些控控制信信号线线。MCS-51系列单单片机机存储储容量量较小小，许许多情情况下下需要要外接接EPROM。此时，，P0、P2口作为为地址址/数据总总线口口。关关于MCS-51系列单单片机机的详详细内内容可可查阅阅有关关参考考资料料。图4-3MCS-51单片机机结构构框图图与逻逻辑符符号(a)结构框框图；；(b)逻辑符符号2）主机电电路图4-4用8031单片机机等构构成的的主机机电路路4.2.2温度检检测电电路温度是是一个个很重重要的的物理理参数数，也也是一一个非非电量量，自自然界界中任任何物物理化化学过过程都都紧密密地与与温度度相联联系。。在很很多产产品的的生产产过程程中，，温度度的测测量与与控制制都直直接和和产品品质量量、生生产效效率、、节节约能能源以以及安安全生生产等等重要要经济济技术术指标标相联联系。。因此此，温温度度的测测量是是一个个具有有重要要意义义的技技术领领域，，在国国民经经济各各个领领域中中都受受到相相当的的重视视。常用的的温度度传感感器有有热电电阻、、热敏敏电阻阻温度度传感感器，，热电电偶及及集成成对管管温度度传感感器等等。由由于各各种温温度传传感器器工作作原理理不同同，因因此此有不不同的的应用用检测测电路路。电阻温温度传传感器器的主主要优优点是是：（1）测测量精精度高高，对对非非温度度量不不敏感感；（2）有有较大大的测测量范范围，，灵灵敏度度高；；（3）线性度度好，，便于自自动测测量。。图4-5单电桥桥测温温电路路原理理图在进行行电路路设计计时,一般是是已知知传感感器的的温度度特性性,根据测测温环环境确确定电电桥平平衡方方式、、激励励源选选择、、电压压灵敏敏度、、放大大与引引线电电阻补补偿等等。现现以铂铂电阻阻温度度传感感器为为例，，说明明单电电桥电电路设设计与与应用用的简简单方方法。。假设已已知某某铂电电阻温温度特特性如如图4-6所示。。t=0℃℃时，R(t)=100Ω;t=200℃℃时，R(t)=150ΩΩ;则ΔR=0.25Ω/℃。设通过过R(t)的电流流小于于2mA，测温距离离为100m，要求U0=100mV。图4-6单电桥测温温电路原理理图1）电桥结结构的选择择如图4-5所示，电桥桥采用等臂臂电桥，选选择R1=R2=R3=R4，铂电阻R(t)<R1。为了调整电电桥平衡，，采用可变变电阻RW，这样RW分为两部分分。电桥平平衡时，（（RW1+R2）R4=［R1+R(t)］(RW2+R3)，则U0=0。因为R(t)冷电阻为100Ω，所以可选择择R1≥10R(t)。设选取R=R1=R2=R3=R4=2kΩΩ，则RW可调电阻为为200Ω，这时可用RW调整电桥平平衡，RW称为调零电电位器。在0℃时调整，使使电桥平衡衡，即调节节RW，使得U0=0V。2）激励电电源电压的的估算单电桥电路路中激励电电源的主要要作用是：：在电阻温温度传感器器R(t)以及固定电电阻R1、R2、R3和R4中产生一定定的电流，，将电阻的的变化转变变为电压的的变化。但但R(t)中电流是有有限的，不不能过大，，否则由由于本身电电流发热而而影响温度度的测量。。对于固固定电阻中中的电流也也不能过大大，并要求求固定电阻阻有较大的的功率容量量，其近近似估算是是：先设定一较较低电压，，例如E选用5V，则总电流I为则每臂电流流I1、I2分别为从上面估算算可以看到到，流过R(t)的电流小于于2mA，故本身的热热量变化不不会影响环环境的变化。同样样,流过固定电电阻上的电电流也小于于2mA。3）单电桥桥电路输出出信号的放放大由前面所选选定铂电阻阻的ΔR=0.25Ω/℃，可得电压灵灵敏度为图4-5所示电桥是是双端输出出的，若采采用运算放放大器，则则要用差动动放大电路路，如图4-7所示，其输输出电压为为B、D点的电位差差。如电路路选用Rf=R′、R1=R2=R，则运算放大大器放大的的电压为选择不同的的Rf与R，则可得到所所放大的信信号。图4-7差动放大电电路4）传感器器引线电阻阻的补偿实际测量中中，由于被被测温环境境离控制室室较远，因因此传感器器要经较长长的导线置置于测温环环境中，这这样，引线线电阻必然然会影响电电桥的平衡衡。例如，，50m长的导线引引入1Ω的引线电阻阻，会使R(t)测温偏离约约5℃的误差，所所以对引线线电阻要进进行补偿。。最常用的引引线电阻补补偿方法是是三线补偿偿法，如图图4-8所示。图图4-8(a)为二线连接法，，由于有引引线电阻RL,因此会影响响电桥平衡衡（平衡点点仍为B与D点）。图4-8(b)为用三根导导线连接传传感器，其其中两根引引线电阻在在桥臂中以以相同的方方式发生变化并并相互补偿偿，即这两两根导线中中电流的方方向相反，，引线电阻正正好抵消。。图4-8引线电阻补补偿方法示示意图(a)二线连接方方法；(b)三线连接法法4.2.3过程输入输输出通道1.模拟量输入入通道模拟量输入入通道一般般由滤波电电路、多路路模拟开关关、信号转转换放大器器、采样保保持器（S/H）和模/数转换器（（A/D）等组成，输输入通道道经过输入入接口与主主机电路相相接。模拟量输入入通道有单单通道与多多通道之分分。多通道道中，每个个通道有各各自的A/D转换器等器器件（如图图4-9所示），或或者共享A/D转换器等器器件（如图图4-10所示），这这时，就要要有多路模拟开开关。图4-9每个通道有有各自的A/D转换器等器器件的结构构图4-10多通道共享享A/D转换器等器器件的结构构如果输入信信号来自温温度变换器器，则输入入通道就可可省略放大大器。此外外，由于温温度是个缓缓慢变化的的物理量，，其变化速速度比A/D转换速度慢慢得多，因因此可以以省略采样样保持器（（S/H）。由放大器发发出的电压压信号经过过A/D转换器转换换成与之对对应的数字字量，这就就必然会产产生一个问问题：数数字显示如如何与被测测量统一起起来。例如如，当被测测温度为750℃时，A/D转换器输出出1000个脉冲。如如果直接显显示1000，操作人员员还要经过过换算才能能得到温度度值，这是是很不方便的，因因此必须增增加标度变变换环节。。标度变换可可以在模拟拟量输入之之间进行，，也可以在在数字部分分进行处理理。在模拟拟部分实现现标度变换换的优点是是简单可靠靠，但缺点点是使仪表表的通用性性大受限制制。而在数数字部分进进行处理却却可增强仪仪表的通用用性，但需需要使用数数字运算器器电路或采采用软件算算法来实现现，即经过过A/D转换后的数数字量先送送到数字运运算器，乘乘以或除以以一个从0.1～0.9的任意值（（根据需要要也可乘、、除两位以以上的多位位数，如0.001～0.999中的任意值值）。例如如，被测温温度为750℃，送出1000个计数脉冲冲，此时可可将此计数数值送入数数字运算器器进行乘以以0.75的运算，即即数字运算算器输入1000个脉冲，输输出750个脉冲，再再送至单片片机进行处处理。显然然，上述1000个脉冲也可可以不经过过数字运算算器，而是是直接送入入单片机，，由单片机机通过一定定的软件算算法进行标标度变换，，这样可以以大大节省省硬件电路的成本本。常用的位A/D转换器14433可直接与单片机8031相接。位A/D转换器7135与单片机8031的连接要由8155作为接口，

如图4-11所示。

8155的定时器为方波发生器，输入时钟频率2MHz，经16分频后输出125kHz的方波作为7135的时钟脉冲。7135的选通脉冲线STB接到8031的INT1。A/D转换结束后，STB输出负脉冲向CPU申请中断。

图4-117135与8031的接口电路路2.模拟量输出出通道模拟量输出出通道也分分单通道和和多通道。。多通道结结构通常又又分为两种种，即每个个通道都有有各自的D/A转换器等器器件（如图图4-12所示），或或多路通道道共享D/A转换器等器器件（如图图4－13所示）。图4-12每个通道有有各自的D/A转换器等器器件的结构构图4-13多通道共享享D/A转换器等器器件的结构构4.2.4人—机接口部件件1.键盘接口键盘接口通通常包括硬硬件和软件件两部分。。硬件是指指键盘的结结构及其与与主机的连连接方式;软件是指对对按键操作作的识别与与分析，即即键盘管管理程序。。虽然对不不同的键盘盘结构其键键盘管理程程序存在着着较大的差差异，但但任务大体体可分为以以下几项：：（1）识键：：判断是否否有键按下下。若有，，则进行译译码；若若无，则等等待或转做做别的工作作。（2）译键：：识别出哪哪一个键被被按下，并并求出该键键的键值。。（3）键值分析：：根据键值值，找出对对应处理程程序的入口口并执行。。键盘一般是是一组开关关（按键））的集合。。常用的的按键有三三种：机械触点式式：利用用金属的弹弹性使按键键复位。导电橡胶式式：利用用橡胶的的的弹性使按按键复位。。柔性按键：：外形及面面板布局等等可按整机机要求来设设计，在在价格、寿寿命、防潮潮、防锈等等方面显示示出较强的的优越性。。键盘按其其工作原原理又可可分为编编码式键键盘和非非编码式式键盘。。编码式键键盘：由由按键键键盘和专专用键盘盘编码器器两部分分组成。。每按按一次键键，键盘盘编码器器自动提提供被按按键的编编码，同同时产生生一选通通脉冲通通知主机机。这种种键盘的的硬件结结构较为为复杂，，而软件件相对较较简单。。非编码式式键盘：：不含编编码器，，当有键键按下时时，键盘盘只能送送出一个个简单的的闭合信信号，而而按键代代码必须须依靠软软件来识识别。这这种键键盘的硬硬件结构构相对较较简单，，而其软软件却较较为复杂杂。尽管非编编码式键键盘的软软件比较较复杂，，但由于于非编码码式键盘盘可以任任意组合合，成本本低、使使用灵活活，所以以智能仪仪器大多多采用非非编码式式键盘。。非编码码式键盘盘按照与与主机连连接方式式的不同同，可分为独独立式键键盘（如如图4-14所示）和和矩阵式式键盘（（如图4-15所示）。。图4-14独立式键键盘结构构图4-15矩阵式键键盘结构构独立式键键盘结构构的优点点是一键键一线，，按键识识别容易易；缺点点是占用用的口线线较多，，不便于于组成大大型键盘盘。而矩矩阵式键键盘结构构的优点点是，当当按键较较多时所所占用的的口线相相对较少少，键盘盘规模越越大，其优优点越明明显。所所以，当当按键数数目大于于8时，一般般都采用用矩阵式式键盘结结构。2.显示器接接口常用的显显示器为为LED，即发光二二极管。。显示字字符一般般用的是是七段LED显示器，，它是由由数个LED组成的一一个阵列列，并封封装于一一个标准准的外壳壳中。为为了适适用于不不同的驱驱动电路路，七段段LED显示器有有共阴极极和共阳阳极两种种结构，，如图4-16(a)、(b)所示。其其管脚脚图如图图4－16(c)所示。图4-16七段LED显示器的的两种结结构（a）共阴极；；（（b）共阳极；；（c）管脚图图4-17七段LED显示字符符硬件译码码时，显显示器与与单片机机的接口口可用译译码/驱动集成成电路（（例如74LS47）BCD-7段译码/驱动器（（如图4-18所示）。。它将将4位的二—十进制数数直接转转换成相相应的七七段代码码信号，，直接驱驱动LED显示。而而软件译译码则采采用软件件查表的的方法将将字符转转换成七七段代码码，再输输出到锁锁存器，，从而节节省了硬硬件，降降低了成成本，简简化了线线路。所所以，智智能仪器器中使用用较多的的是软件件译码方方式。图4-18硬件译码码显示电电路3.打印机接接口在智能型型温度测测量仪中中，用微微处理器器控制的的微型点点阵式打打印机是是靠垂直直排列的的钢针，，在电磁磁铁的驱驱动下进进行打印印动作的的。目目前国内内较为流流行的TPμP-40系列微型型打印机机是一种种由单片片机控制制的超小小型智能能点阵式式针式串串行打印印机，可可打印240种代码字字符，打打印命令令丰富，，并有绘绘图功能能，也可可以打印印汉字。。这种种打印机机与单片片机直接接连接的的接口电电路如图图4-19所示。图4-19打印机与与单片机机接口电电路图中8031的P2.7与WR相“或”后作为选通信号，因此打印机的地址为7FFFH。假设某一字符代码或打印命令已经存入寄存器R1，则8031在执行下面一段程序后，便可将R1中的代码送入打印机的锁存器中，并执行该代码命令或将对应的字符打印出来。

MOVDPTR,＃7FFFH；选中打印印机LOOP:MOVXA,@DPTR；查询“BUSY”JBACC.7,LOOPMOVA,R1；送数据或或命令代代码MOVX@DPTR,A4.2.5智能仪器器的硬件件抗干扰扰电路为防止工工业生产产中的恶恶劣环境境及严重重的干扰扰，仪器器仪表应应采取必必要的抗抗干扰措措施。干干扰信号号窜入微微机化仪仪器的渠渠道主要要有三个个：仪器器安装空空间的电电磁干扰扰、传输输通道的的干扰和和配电系系统的干干扰。仪器安装装空间的的电磁干干扰主要要采用低低通滤波波、屏屏蔽和良良好接地地的方法法解决。。传输通道道的干扰扰一般采采取切断断干扰窜窜入的渠渠道，即即去掉被被测对象象与过程程通道之之间的公公共地线线的方法法解决。。实现电电隔离的的器件一一般是变变压器、、继电器器和光电电耦合器器。配电系统统的干扰扰则采用用抑制交交流电源源干扰的的计算机机系统电电源的方方法解决决，如图图4-20所示。图4-20计算机系系统电源源4.3软件结构构和程序序框图4.3.1监控程序序的结构构1.监控程序序的功能能智能型温温度测量量仪的监监控程序序一般完完成如下下功能：：（1）进行行键盘和和显示管管理；（2）接收收中断请请求信号号，区分分优先级级，实现现中断嵌嵌套并转转入实时时测量和和控制子子程序；；（3）对硬硬件定时时器处理理和软件件定时器器管理；；（4）实现现对仪表表的自诊诊断和掉掉电保护护；（5）完成初始始化，手动、自动控制制的选择择等。2.监控程序序的组成成监控程序序的组成成取决于于仪器及及测控系系统硬件件的设备备和功能能，其其基本组组成如图图4-21所示。监监控程序序将各组组成模块块连接成成一个有有机的整整体，实实现对对仪器的的各种管管理功能能，协调调软、硬硬件工作，使仪器投投入正常常运行。。图4-21监控程序序的基本本组成3.监控主程程序的流流程监控主程程序的流流程如图图4-22所示。智能仪器器上电或或复位后后，首先先进行初初始化，，然后对对软、硬硬件进进行诊断断，等待待来自实实时时钟钟、过程程通道或或面板按按键的中中断信号号，以便便作相应应的处理理并构成成一个除除初始化化和自诊诊断外的的无限循循环。所所有功能能均在此此循环圈圈中周而而复始地地或有选选择地执执行，直直至掉电电或按复复位键为为止。图4-22监控主程序的流流程图4.初始化管管理（1）可编编程器件件初始化化。这是对可可编程硬硬件接口口电路工工作模式式的初始始化。其其主要功功能是编编制一定定的子程程序模块块，适合合这些器器件格式式中不同同的初始始化参数数的随时时调用要要求。（2）堆栈栈初始化化。堆栈栈是实时时中断处处理中的的一种数数据结构构。其初初始化的的目的是是，仪器器复位后后在RAM中设置一一个堆栈栈区域，，供程序序使用。。（3）参数数初始化化。参数数初始化化是对由由被控对对象特性性确定的的整定参参数，由由测量控控制算法法决定的的采样初初值、偏偏差初值以及及由过程程输出通通道输出出的数据据的初始始化。5.键盘管理理1）一键一义义一个按键键代表一一个确定定的命令令或一个个数字，，即为一一键一义义。键盘盘管理程程序只需需根据按按键的编编码直接接分支到到处理模模块的入入口，而而不必考考虑以前前的按键键情况。。采用非编码码式（软件件扫描式））的监控程程序流程如如图4-23所示。系统统初始化以以后，周而而复始地扫扫描键盘。。当有键按按下时，首首先判断是是数字键还还是命令键键。若是数数字键，将将按键读数数存入存储储器并显示示；若是命命令键，按按照按键读读数查阅转转移表，获获取处理子子程序的入入口。执行行完子程序后继续续扫描键盘盘，等待按键。。图4-23非编码式监监控程序流流程图2)一键多义一个按键有有多种功能能，既作数数字键，又又作多种命命令键。因因此，一一个命令由由一个按键键序列组成成。它的转转移表不是是一维的，，而是多张张转移表。。组成命命令的前几几个按键引引导、控控制转向某某张合适的的转移表，，根据最后后一个按键键编码查阅阅该转移表表，从而找找到子程序序的入口。。一键多义义通常用在在功能复杂杂的微机化化多路温控控仪中。一一种8路智能温控控仪的一键键多义键盘盘管理程序序流程如图4-24所示。图4-248路智能温控控仪的一键键多义键盘盘管理程序序流程图图中温控仪共有6个按键：C为回路号1～8，其中8为环境温度补偿；D为参数号，有设定值，实测值，P、I、D参数值，上限与下限报警值等；R为运行键；S为停止运行键；△与为加1和减1键。C键对应7个被测回路和一个共同的环境温度实测值；P键对应7个被测回路的各设定参数；△与键功能取决于它们前面按过的C与P键；R键功能则取决于当前的C值。因而这些键均为一键多义。

6.显示管理微机化多路路温控仪的的显示方式式主要有模模拟式、数数字式和数数模混合式式，其中模模拟式无需需软件管理理。显示管理软软件要完成成显示更新新的数据，，多参数点点巡检和定定点显示，，以及指示示灯显示的的功能。为此，应在在用户的RAM区开辟一个个参数区域域，作为显显示管理模模块与其他他功能模块块的数据接接口。多点点巡检要每每隔一定时时间更换一一个被测点点温度显示示，用实时时时钟来解解决。指示示灯显示的的管理可用用与它有关关的功能模模块直接管管理，也可可在用户的的RAM中开辟指示示灯状态映映像区，由由监控主程序中的显显示管理模模块来管理理改变映像像区状态的的各功能模模块。4.3.2中断管理程程序的结构构1.中断管理中断功能使使仪表具有有处理各种种可能事件件的功能，，提高了仪仪表的实时时处理能力力。各种微微处理器的的结构不同同，其中断断处理的方方法就不同同，因而中中断管理软软件也就不不同。能够够发出中断断请求信号号的外设或或事件被称称为中断源源。常见的的中断源有有：过程通通道、实实时时钟、、面板按键键、通信接接口、系统统故障等。。当仪表同同时出现两两个以上中中断源时，，中断管理理软件首先先识别中断断源，然后后比较其优优先等级，，再按中断断的优先次次序予以响响应。一般般将系统掉掉电设置为为最高级中中断源。中中断管理程程序流程如图4-25所示。图4-25中断管理程程序流程图图2.时钟管理时钟作为定定时器，用用于过程输输入通道的的采样周期期定时、参参数修改改按键的数数字增减速速度定时、、多点巡检检的显示周周期定时、、动态保保持方式输输出过程通通道的动态态刷新周期期定时等。。虽然上述定定时可采用用硬件或软软件两种方方法，但广广泛采用的的是软、硬硬件相结合合的方法。。这可以弥弥补硬件定定时难以实实现多种时时间间隔定定时以及软软件定时实实时性差、、精度低的不不足。在软、硬件件结合的定定时方法中中，首先由由定时电路路产生一个个基本脉冲冲，硬件定定时时间一一到，即产产生一个中中断，监控控主程序转转入时钟中中断管理模模块。软件件定时器可可以是串行行的或并行行的，当当中断一到到，软件时时钟分别用用累加或递递减方法计计时，来判判断溢出或或回零。其其所用时间间短，不影影响仪表的的实时性，，可实现多多定时器功功能。时钟管理模模块的任务务是，在监监控主程序序中，对各各定时器预预置初值，，并在响应应时钟中断断过程中判判断是否到时时。一旦时时间到，则重新预置置初值，建建立一个标标志，完成定时服服务程序。。4.3.3测量控制方方法1.克服随机误误差的软件件算法仪表的随机机误差的大大小和符号号的无规则则变化，一一般符合统统计规律。。采用统统计方法的的软件算法对信信号进行必必要的平滑滑处理，即可消除随随机干扰的的影响。2.克服系统误误差的软件件算法1）模型校校正法模型校正法法是对系统统误差进行行理论分析析和处理，，并建立系系统误差数数学模型，，从而确定定校正系统统误差的算算法和表达达式。要对温度传传感器作线线性特性的的校正，应应首先建立立误差模型型。通过过测量，获获得一组反反映被测值值的离散数数据，利用用它建立起起一个反映映测量值变变化的近似似数学模型型，即校正正模型。此此外，还要要从仪表和和系统的实实际准确度度要求出发发，用逼近近法来简化化数学模型型，便于于计算机的的计算和处处理。总之之，误差校校正模型的的建立分两两个步骤：：由离散被被测数据建建立模型；；将复杂模模型转化为为简化模型型。2）标准数数据校正法法有时，有了了离散数据据，仍然难难以进行理理论分析，，故而无法法建模。此此时，采用用试验手段段求得校正正曲线是行行之有效的的办法。预预先将曲线线上各校正正点的数据据以表格形形式存入内内存，实实时测量中中，通过查查表来求得得修正以后后的测量结结果。这种种方法对热热电偶的非非线性校正正能达到较较好的效果果。为适应应微机化仪仪表的内存存容量，可可以取若干干个校正点点，在校正正点之间进进行线性插插值。3）环境温温度误差的的校正由于仪表使使用的环境境温度的变变化，会带带来温度仪仪表的示值值误差，因因此，用测测温元件（（例如二极极管、热敏敏电阻等））来感受环环境温度的的变化，并并将其随随温度变化化的输出量量经测温电电路、A/D转换电路转转换为计算算温度误差差的补偿量量θ。一般采用的的简单温度度误差校正正模型为yc=y(1+α0Δθ)+α1Δθ上式中，y为测量值；；yc为经温度补补偿后的测测量值；Δθ为工作环境境温度与标标准温度之之差；α0和α1为温度变化化系数。α1为补偿零位位漂移系数数，α0为补偿传感感器灵敏度度变化系数数。3.量程自动切切换1）采用程控放放大器在输入被测测信号变化化幅度很大大时，用主主机电路控控制程控放放大器的增增益，对幅幅度值小的的信号用大大增益；对对幅值大的的信号用小小增益，使使A/D转换器信号号满量程达达到均一化化。例如，某温温度仪表A/D转换器为位位，量量程分为0～100℃和0～1000℃℃两种。小量量程时，程程控放大器器增益为8；大量程时时，程控控放大器增增益为1。当温度输输入信号为为最大值时时，A/D转换器输出出1999。在此量程程内，一旦旦A/D转换器输出出小于200，则经软件件判断后，，自动转入入小量程挡挡，同时时改变程控控放大器的的增益。同同理，在在小量程程内，A/D转换器输出出大于1600时，软件判断后自自动转入大大量程挡，，使程控放大大器的增益益恢复。2）采用不不同量程的的传感器用主机电路路控制多路路转换器进进行切换，，设1＃传感器的最最大测量范范围为M1，2＃传感器的最最大测量范范围为M2，且M1>M2，满量程输出出相同。启启动时，1＃传感器先投投入使用，，2＃传感器处于于过载保护护，用软件件识别确认认量程，再再置标志志位，选取取M1或M2。4.标度变换把A/D转换后的数数字量的数数码转换成成有量纲的的数值的过过程称为标标度变换。。标度变换换的形式为y=α1x+α0上式中，y为温度测量量值；α1为比例系数数；α0为取决于零零位值的常常数。例如，某智智能型数字字测温仪的的测量范围围是-100～1500℃℃，当ymin＝-100℃℃时，对应的的A/D转换值为Nmin=0；当当ymax=1500℃℃时，，对对应应的的A/D转换换值值为为Nmax=1600。此时时，，y=x-100;α1=1;α0=-1005.其他他控控制制算算法法微机机化化温温度度仪仪表表的的控控制制功功能能主主要要依依靠靠控控制制算算法法来来实实现现，，它它克克服服了了传传统统仪仪表表控控制制规规律律单单一一、、使使用用面面较较窄窄的的不不足足。。而而且且，，在在同同一一仪仪表表中中可可配配制制多多种种控控制制算算法法，，应应用用于于不不同同的的系系统统。。在微微机机化化温温度度仪仪表表中中的的控控制制算算法法很很多多，，除除数数字字PID控制制算算法法外外，，还还有有前前馈馈、、纯纯滞滞后后、、非线线性性、、解耦耦、、自自适适应应、、智智能能控控制制、、模糊糊控控制制算算法法等等。。4.4典型型智智能能型型温温度度测测量量仪仪实实例例4.4.1智能能型型温温度度巡巡检检仪仪1.概述述温度度测测量量仪仪通通常常分分为为两两种种类类型型。。一一种种是是以以工工业业生生产产设设备备或或生生产产过过程程为为检检测测对对象象，，以以状状态态监监视视为为目目的的的的温温度度巡巡检检仪仪。。它它能能进进行行多多点点温温度度巡巡回回检检测测，，一一般般对对精精度度要要求求不不高高。。另另一一种种是是用用于于计计量量、、标标定定或或实实验验研研究究，，在在保保证证一一定定外外部部条条件件的的前前提提下下，，能能对对单单一一测测量量进进行行高高精精度度的的温温度度测测量量的的单单点点温温度度测测量量仪仪。。智智能能温温度度巡巡检检仪仪是一一种种可可进进行行多多点点温温度度测测量量，，在在-200～＋＋850℃测量量范范围围内内，，测量量精精度度优优于于0.5％的的仪仪表表。。2.智能能型型温温度度巡巡检检仪仪的的硬硬件件电电路路结结构构该温温度度巡巡检检仪仪的的硬硬件件电电路路由由温温度度传传感感器器、、预预处处理理电电路路和和8031单片片机机系系统统等等几几部部分分组组成成，，其其结构构框框图图如如图图4-26所示示。。1)温度度传传感感器器温度度传传感感器器采采用用Pt100铂热热电电阻阻，，它它可可以以对对-200～＋＋850℃℃的温温度度进进行行检检测测。。由由于于硬硬件件电电路路保保证证使使流流过过铂铂热热电电阻阻上上的的电电流流为为一一恒恒定定值值，，因因此此当当温温度度变变化化时时，，热热电电阻阻上上的的电电压压亦亦随随着着变变化。。根根据据一一定定的的对对应应关关系系即即可可求求得得温温度度值值。。图4-26温度度巡巡检检仪仪结结构构框框图图2)预处处理理电电路路预处处理理电电路路是是决决定定测测量量精精确确度度的的关关键键。。铂铂热热电电阻阻温温度度传传感感器器精精度度高高、、性性能能稳稳定定，，但但其其内内阻阻较较低低，，引引线线电电阻阻易易造造成成较较大大的的测测量量误误差差。。为为消消除除引引线线电电阻阻造造成成的的误误差差，，仪仪表表的的预预处处理理电电路路采采用用三三线线制制，，以以恒恒流流源源驱驱动动。。其其电电路路如如图图4-27所示示，，包包括括三三触触点点的的继继电电器器、、可可控恒恒流流源源、、差动动放放大大器器、、程控控放放大大器器等等。。图4-27中，Rth为铂热电电阻，r1、r2、r3为引线电电阻（当当采用完完全相同同的导线线作Rth的引线时，，可使r1＝r2＝r3=r），A2为增益等等于2的同相比比例放大大器；A3为增益等等于1的差动放放大器，，运放放A1和达林顿顿管Q组成了一一个可控控的恒流流源电路路，其电电流为I。测量时，，继电器器每次只只接通一一个铂热热电阻，，若继继电器Sn吸合，则则它的的三个触触点Sn-1、Sn-2和Sn-3同时导通通，铂热热电阻Rth接入预处处理电路路。设引引线电阻阻为r，则比例放放大器A2的输入为为I(r+R)，输出为2I（r+R）。差动放大大器A3同相输入入为I（Rth+2r＋R）,输出为U=I（Rth-R）。图4-27预处理电电路原理理图若R=100Ω（在0℃时，输出出电压u=0V），则U＝I（Rth-100）可见，输输出电压压u仅与恒流流源I和铂热电电阻Rth有关，从从而消除除了引线线电阻所所带来的的误差。。由于铂热热电阻的的灵敏度度（欧姆姆/度）随着着温度的的升高而而逐渐下下降，从从而造成成了输出出电压u的非线性性。为了了补偿这这个非线线性，在在硬件件电路中中采取了了将输出出电压u经电阻R1反馈到放放大器A1同相输入入端，以以便能能适当调调节恒流流源地电电流I，从而使输输出电压压u得到线性性补偿，，提高测测量精度度。此外外，还可可以采取取下列措措施提高高仪表的的测量精精度。（1）减小小零漂的的硬件措措施。零零漂（零零位漂移移）是温温漂和时时漂的总总和。正正常情况况下，当当输入信信号为零零时，经经过传感感器、放放大器和和单片机机接口电电路在内内的整个个测量部部分的输输出应为为零。但但由于零零漂的存存在，零零输入信信号时，，输出不不为零，，此时的的输出值值实际上上就是系系统测量量部分的的零位漂漂移值。。若采用用传统的的硬件方方法克服服零漂，，则线路路复杂，，对元器器件要求求严格且且成本高高，尤其其在环境境恶劣的的场合，，其效果果不能尽尽如人意意。但采采用单片片机控制制后，就就可以以利用单单片机强强大的软软件功能能，只需需用最少少的硬件件配以相相应的处处理软件件，就可可使上述述问题迎迎刃而解解。图4-28为实现自自动校零零部分的的原理框框图。图图中S1、S2为电子开开关，由由单片机机接口的的P1.0、P1.1控制。正正常工作作时，P1.0输出为““1”电平，S1闭合；P1.1输出为““0”电平，S2打开。图4-28自动校零零原理框框图零位补偿偿原理就就是每次次测量前前，先将将输入短短路（P1.1输出为““1”电平，P1.0输出为““0”电平），，测出零零漂值，，将其存存放在单单片机的的某一存存储单元元内保存存起来，，然后再再测量检检测电路路的输出出（置P1.1为“0”，P1.0为“1”），此测测量值减减去零漂漂值就得得到了真真实的输输出量。。程控放大大器把差差动放大大器A3输出的电电压信号号放大至至适当值值，以以便于A/D转换器进进行数据据采集。（2）选择择适当的的A/D转换器与与采取分分段补偿偿。通常，在在条件许许可的情情况下可可选择分分辨率和和转换速速度较高高的器件件，这是是提高测测量精度度的一个个重要措措施。就就A/D转换器的的分辨率率而言，，不同的的A/D器件在供供电电压压为5V时，其差差别见表4-1。表4-1不同的A/D器件的分分辨率由上表可可见，当当A/D转换器位位数增加加时，其其分辨率率提高了了，因因而测量量精度也也提高了了。此外外，A/D转换器在在理想情情况下对对应输入入电压值值的转换换值应在在同一直直线上。。实际上上，有些些转换点点偏离直直线，即即存在着着相对误误差。以以A/D转换器0809为例，在在2～3.5V时线性较较好，而而在0～2V、3.5～5V时，相对对误差分分别为＋＋1和-1。根据据它与理理想直线线的偏差差，可可在软件件上采取分分段补偿偿的措施施，以提高A/D转换器的的相对精精度。3)8031单片机系系统8031单片机系系统可实实现对仪仪表的监监控管理理，多路路温度的的测量、、储存、、打印及及与PC机的通信等等。由此可见见，这是是本仪表表的核心心部件，，其结构构如图4-29所示。图4-298031单片机系系统结构构框图3.智能型温温度巡检检仪的软软件设计计智能型温温度巡检检仪的软软件设计计包括监监控管理理程序、、A/D转换程序序、数据据处理程程序、打打印程序序以及与与PC机通信的的串行口口中断服服务子程程序，这这些程序序均采用用模块化化结构。。为了便便于该仪仪表与PC机组成分分布式的的测温系系统，仪仪表的串串行口中中断设置置为优先先级最高高的中断断，具具有实时时性，其主程序序流程如如图4-30所示。图4-30主程序流流程图中断服务务子程序序及其他他程序框框图略。。为了提提高仪仪表的的测量量精度度，特特别是是在对对输入入量的的处理理上，，除除了在在硬件件上给给予考考虑外外，在在智能能仪表表中的的软件件设计计也非非常重重要。。我们们知道道，被被测对对象的的温度度是一一个随随时间间t连续变变化的的模拟拟量，，而这这个非非电物物理量量又必必须通通过传传感器器变换换成电电信号号，再再通通过输输入通通道送送给单单片机机进行行分析析、处处理。。在这这一过过程中中，我我们们总是是希望望信号号的传传递是是不失失真的的，但但是实实际上上不可可能完完全做到，，也就就是说说总是是存在在一些些非线线性的的误差差，因而设设计中中要加加以考考虑。。具体方方法如如下：：图4-31热电阻阻的阻阻值—温度转转换关关系图图(2)采取软软件滤滤波法法，消消除干干扰影影响。。由于于仪表表使用用的现现场环环境条条件往往往不不甚理理想，，因而而输入入到A/D转换器器的信信号常常常会会窜入入各种种各样样的干干扰信信号。。这些些干扰扰信号号主要要有三三种类类型：：工工频及及其谐谐波、、白噪噪声和和脉冲冲干扰扰。这这些干干扰信信号将将造成成很大大的测测量误误差，，必须须加以以滤除除。通通常，，硬件件措施施是在在采样样输入入回路路中采采用滤滤波电电路以以滤除除干扰扰信号号。如如果采采用双双T滤波电电路，，则则可以以有效效地抑抑制工工频干干扰，，但是是会使使硬件件结构构复杂杂；而而如果果采用用软件件滤波波的方方法，，则可可以较较好地地解决决这一一问题题，而而且大大多数数智能仪表表都采采用软软件滤滤波的的技术术。软件滤滤波的的方法法有很很多，，对于于白噪噪声，，可用用数字字滤波波技术术加以以去除除；而而脉冲冲干扰扰可通通过多多次采采样中中去除除最大大值和和最小小值后后，再再求求取平平均值值去掉掉，即即去极极值平平均滤滤波法法；对对于工工频产产生的的干扰扰亦应应加以以重视视，因因为有有时它它会成成为主主要干干扰因因素。。实实践证证明，，要有有效地地抑制制工频频干扰扰，必必须满满足两两个条条件：：①每每组采采集数数据必必须进进行两两次，，然后后作算算术平平均处处理；；②保保证两两次采采集间间隔时时间为为T/2（T为工频频周期期）。。假设有有用信信号比比工频频变化化慢得得多，，如图4-32所示。。图4-32工频干干扰示示意图图

U0为输入到A/D转换器的有用信号电压，U1是在干扰叠加情况下t1时刻的瞬时电压值，U2是在t2时刻的瞬时电压值。当取：

U1=U0＋e,U2＝U0-e,则

由此可可见，，满足足上述述两个个条件件后就就可滤滤除工工频影影响，，获获得有有用的的信号号。另外，，如前前所述述的A/D转换器器的非非线性性补偿偿亦是是用软软件的的方法法实现现的。。总之之，智智能仪仪表设设计中中要采采用软软、硬硬件结结合的的方式式来提提高仪仪表的的性能能，这这样才才能达达到性性能价价格比比，使使设计计最优。4.仪表的的应用用情况况采取上上述软软、硬硬件设设计方方法后后，可可以有有效地地提高高仪表表的测测量精精度。。本仪仪表经经过测测试，，其测测量精精度优优于0.5％。当当然，，在在实际际设计计过程程中，，还要要考虑虑许多多其他他的因因素，，如信信号输输入端端的良良好接接地问问题、、印刷刷电路路板的的合理理布线线问题题以及及系统统运行行的可可靠性性问题题等。。综上上所述述，我我们可可以看看出：：在智智能仪仪表的的设计计中，，由于于采用用了单单片机机技术术，使使得硬硬件电电路大大大简简化，，而其其软件