智能温度测控器显示及控制电路设计-正文

d本科生毕业设计（论文）中文题目：智能温度测控器显示及控制电路设计英文题目：THEDESIGNOFDISPLAYANDCONTROLLINGOFINTELLIGENTTEMPERATURETESTINGCONTROLLER摘要温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，温度的测量范围要求不断扩大，同时温度的测量准确性要求不断提高。本文主要通过对AT89S52单片机、AD590集成温度传感器等器件的性能和特点的研究，从而得出了对温控器控制及显示电路的设计，本设计中首先AD590集成温度传感器与OP07组成测量放大电路测量温度信号，再通过A/D转换模块将温度信号转换后送人单片机内，达到对温度控制及显示的目的。其中AD590集成温度传感器可以测量室温、物体温度等，本设计所设定的测量范围为0℃～+150℃。关键词：单片机智能控制显示温度电路ABSTRACTTemperatureisaveryimportantphysicalquantity,itisoneofthemostcommonandthemostimportanttechnologicalparametersinIndustrialproductionprocess.Allalongwiththeprogressofthetime、developmentofsocietyandcontinuousrenewaloftechnology,thetemperaturemeasurementrangerequiresenlarging,meanwhile,theaccuracyofthemeasurementoftemperaturerequiresConstantlyupgrade.Thispaperisfocusedontheresearchesintosomecomponents,suchasAT89S52SCM(single-chippedmachine),AD590integratedtemperaturesensor,whichbringsoutthedesignoftemperaturecontrolleranddisplayingcircuit.MeasuringamplifyingelectriccircuitcomposedofAD590integratedtemperaturesensorandOP07componentisusedtomeasurethesignaloftemperature.WithtemperaturesignalconvertedthroughA/DconversionmodulesputintoSCM,itcanbeworkedoutforthedisplayingandcontrollingoftemperature.Besides,AD590integratedtemperaturesensorcanbeappliedtomeasureindoortemperature,aswellastemperatureofanyobject.theexpectedmeasurementofthesystemextentfrom0℃until150℃.KEYWORDS:SCMBrainpowerControllingDisplayTemperatureCircuitry目录TOC\o"1-3"\h\u130801绪论 6154751.1温度检测技术的发展现状和发展趋势 6171961.1.1温度检测技术的发展现状 615561.1.2温度检测技术的发展趋势 8147981．2课题研究目的和意义 9256591．3课题研究内容及目标 990462温度信号采集电路 11156962.1热电偶测温 11292332.2冷端补偿的补偿导线 13289412.2.1补偿导线的选择 13271852.2.2补偿导线的原理 13294562.2.3补偿导线的型号和分类 14151672.2.4补偿导线的使用原则 15151682.3热电偶的冷端补偿 15283562.3.1热电偶参考端温度的影响 15169142.3.2热电偶冷端补偿电路的设计 1695462.4本章小结 17123313温控器的硬件设计 18199963.1系统总体原理方框图的设计 18255963.2温度信号放大电路设计 1843363.3A/D转换电路设计 21177333.3.1双积分ADC工作原理 2186763.3.2A/D转换器ICL7135的技术指标 23239693.3.3A/D转换芯片ICL7135的电路设计 24149263.4D/A转换接口电路设计 2798673.4.1D/A转换器DAC7611 2713343.4.2D/A转换器的基本原理 28165123.4.3D/A转换芯片DAC7611的电路设计 2911373.5AT89S52单片机 2992503.6显示电路设计 31234733.6.1显示器 3196133.6.2LED的工作原理 3264133.6.38279键盘显示接口芯片 3390224.7本章小结 3537884温控器软件设计 36177174.1温度控制器的主程序设计 36124024.2A/D转换模块 3756984.3D/A转换模块 39136734.4LED显示模块 41206364.5键盘控制模块 4355634.6本章小结 45164255系统的调试 46229585.1系统硬件调试 46287135.2系统软件调试 46151776总结 47182127经济分析报告 48207527.1系统元器件金额 4828847.2市场预测与利润分析 4929552致谢 5023172参考文献 511绪论1.1温度检测技术的发展现状和发展趋势1.1.1温度检测技术的发展现状随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断地进步。目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛。温度测量包括以下方法:1)利用物体热胀冷缩原理制成的温度计利用此原理制成的温度计大致分成三大类:玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。2)利用热电效应技术制成的温度检测元件利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件之一。由于其具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。3)利用热阻效应技术制成的温度计用此技术制成的温度计大致可分成以下几种:电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。4)利用热辐射原理制成的高温计热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计;另一种是全辐射高温计，其工作原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。目前，在高科技领域，国内外专家都在有针对性的竞相开发各种新型温度传感器及特殊测量环境的测温技术l、由点到线、由线到面温度分布的测温技术(l)多芯热电偶。传统的温度测量可称为对某一“点”的温度测量。如用热电偶测量炉窑温度，只能给出测量端所处的温度。但是了解整个炉内温度分布是十分必要的，所以采用多芯恺装热电偶，可以分布式测量炉内环境温度。(2)光纤式温度分布测量装置。光纤式温度分布测量装置是用一只传感器就能测出线状温度分布的一种新型传感器件。该装置的基本原理是将激光脉冲射到光纤中，依据到达各处返回的散射光中的斯托克及反斯托克光之比，求其温度。这种光纤式温度分布测量装置可以测得最远30km以内的温度分布。光纤温度测量装置由于用光纤传输或敏感温度，具有电磁绝缘性好、高灵敏度、体积小、重量轻，便于在特殊场合下安装等特点。(3)用辐射温度计或热像仪测量表面温度分布。对于被测表面的温度测量与控制，可以选用热像仪或辐射温度计测量。(4)用长热电偶测量表面温度分布。对于步进式加热炉等炉内温度的测量，通常将热电偶焊接或铆接在耐热物体上，然后逐渐向炉内移动测量温度。(5)用耐热数据记录仪与短热电偶相结合测量表面温度分布。将小型半导体存储装置放入耐热容器内，并与短热电偶一起随物体放入炉内，就可以很方便的测量炉内温度分布。2、由表面到内部、深部的测温技术对于物体内部温度，可以将带有保护管的温度传感器插入物体内部测量。但是，有时却受到很多制约，有时不能直接插入。例如测量人体体温的温度计，其原理如下图1一1所示。温度计中间有绝缘层，上下各有一个热敏电阻，并在其上放一个加热器。如将此温度计放在人体表面上，因此在上、下热敏电阻间有温度差，所以要用加热器加热来消除温度差。在内部附有发热体的物体中，热量将由内向外扩散，因此表面温度要比内部温度低，其间有温度差。因此，在加热物体的表面，如能消除此温度梯度，就能测量出便可知内部温度。图1一1深部温度测量原理图应用上述原理，欲测量工程管道内的流体温度，在此不用加热器，而在管道内部安放一块与管道具有相同材质的垫片。其外部再缠绕保温材料，用此方法减少或尽量消除温度梯度。这种管道包括垫片在内与内部流体的温度梯度将很小，其绝热原理如图l一2所示。图l一2减少温度梯度测量原理图1.1.2温度检测技术的发展趋势随着对生产效率的要求不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的智能检测是当今温度检测的一大趋势，研究和开发适用场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。根据上述要求，国内外温度检测仪表将向以下几方面发展:l)继续生产应用广泛的传统温度检测元件，如:热电偶、热敏电阻等。2)加强新原理、新材料、新工艺的开发，如近来已开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。3)向智能化、集成化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。1．2课题研究目的和意义温度是一个非常重要的物理量，是国际单位制中的7个基本单位之一，也是工业生产中主要的工艺参数。人们的日常生活、工农业生产和科学实验等许多方面都与温度测量有着十分密切的关系。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，温度的测量范围要求不断扩大，同时温度的测量准确性要求不断提高。对温度测量的要求也越来越高，而且测量范围也越来越大，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量和温度测量技术的研究也是一个重要的研究课题。而现在温度的测量逐渐趋向于智能化和集成化等方向发展，那么我们就可以通过掌握智能化仪表的理论知识，结合智能化仪器仪表的结构特点和工作模式，将测量和控制理论应用于设计，以简洁、可靠的方式，完成智能化温度测控器的设计。通过研究，全面掌握智能化仪表的设计原理、方法以及应用技术，设计更精确，更简单的温度测控器。比如应用于船舶工业的智能温度测控，以单片机为核心，实现了对工业现场(如各种船舶货舱、机舱和大型变压、变频器)的温度实时监测和控制，可自动控制恶劣环境下的温度、压力等，实现了温度控制的智能化。还有可应用于农业生产的温室大棚中，实现对温度的实时检测和控制，以便达到农作物的最佳生长温度，促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。这些都说明研究智能温度测控器不管是对于工业还是农业都具有重要的意义，当研究成果转为产品时也促进了商业的发展，同样在医疗环境的温度控制等其他方面都具有重要的意义。1．3课题研究内容及目标针对智能温度测量仪表的特点，研究和设计相应方案及实现方法，将热电偶测温技术与单片机技术结合起来。采用单片机芯片AT89552作为微处理器，选用热电偶作为温度传感器，通过热电偶测量温度模拟量，经信号调理电路滤除干扰之后，利用模数转换芯片送入单片机【1】；同时，利用数字温度传感器进行热电偶冷端温度的测量，以对热电偶进行冷端补偿，通过控制算法，实现准确测量并在LED液晶显示模块显示温度，并通过串口，将采集的温度值送到上位机，在界面上实现数据可视化显示功能。需要完成的主要工作如下:(l)利用补偿导线和冷端补偿电路对热电偶测温系统进行补偿(2)以单片机作为CPU芯片，设计了智能测温仪表的输入前向通道、输出显示通道以及外围电路。为了准确的测量温度，滤除低频干扰，热电偶测温电路采用前置放大和二阶有源滤波实现信号的优化处理。(3)设计智能测温仪表上位机监控界面的软件系统，实现测温数据的可视化功能。2温度信号采集电路热电偶主要是利用热电效应技术制成的温度检测元件技术。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件之一。由于其具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。而本系统中选择铂铑13-铂热电偶R型热电偶，它的测温范围是0-1700℃，输出电压为0-20mV。本节中将再对热电偶的工作原理、分度表、冷端补偿以及使用过程中需要注意的问题进行讨论。2.1热电偶测温把两根不同质的导体或半导体(A和B)联接起来组成一个闭合回路，该闭合回路叫热电回路。当两导体两个接点1和2处于不同温度T和T0时，回路中就有一定的电流流过，表明回路有电势产生，该电势称为热电势，这种产生热电势的效应叫作热电效应。常用的热电偶由两根化学成分不同的金属导线组成，它们的一端焊接在一起，放入被测介质中，叫做热端。与测量仪表相联的那一端叫冷端。当热端与冷端有温差时，测量仪表便能测出被测介质的温度。热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化的，其关系可由下式表示，即：（式2-1)式中：Et——热电偶的热电势(V);eAB(T)——温度为T时的接触电势(V)；eAB(T0)——温度度为T0时的接触电势(V)。当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小与电极的几何尺寸无关，仅与热电偶材料的成分和热、冷端的温差有关。在通常的测量中要求冷端的温度恒定，此时热电偶的热电势就是被测介质温度的单值函数，即。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。其中对R型热电偶的分度表解释如表2-1，2-2所示:表2-1铂铑13-铂热电偶（R型）热电偶分度表（ITS-90）分度表：R参考端温度:0℃t,℃-0+0100200300400500E,mV0.0000.0000.6471.4692.4013.4084.471t,℃600700800900100011001200E,mV5.5836.7437.9509.20810.50611.85013.228t,℃13001400150016001700E,mV14.62916.04017.45118.84920.222表2-2R型热电偶参考端温度非0℃时的校正表（修正值加上所查的热电势）t,℃01020304050E,mV0.0000.0540.1110.1710.2320.296为了便于了解R型热电偶的线性性，将分度表制成图2-5所示曲线，从铂铑13-铂热电偶（R型）热电偶的热电势与温度的理想关系曲线中，可以看出热电偶检测到的温度信号有如下特点：(1)热电偶测得的温度信号都较小，最大的几十mV,小的几mV。这就意味着对检测到的信号要进行放大。(2)热电偶分度表中给出的数据是以0℃为参考点。在实际应用时，环境常常不是0℃。为给热电偶冷端创造一个环境0℃，通常的作法是进行冷端补偿。(3)热电偶的温度信号实际上非线性较大，并且，各种热电偶随温度的升高，热电势的增加量变大。这就使线性化变得困难。由于上述原因，热电偶的温度信号调理电路就比较复杂。图2-5测量温度与热电势关系图2.2冷端补偿的补偿导线2.2.1补偿导线的选择在一定温度范围内，与所用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。若与所配用的热电偶正确连接，其作用是将热电偶的参考端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方。通过使用补偿导线，可以改善热电偶测温线路的机械与物理性能，同时降低测量线路的成本。2.2.2补偿导线的原理AA'BB'AAAA'BB'AABBT T0 T T0(a)(b）图2-6补偿导线原理图式中Tn是使用补偿导线后的温度。而图2-6(b)回路的总热电动势为如果则（式2-2）因此，能满足式(2-2)要求的连接导线，就能起到补偿导线的作用。2.2.3补偿导线的型号和分类对标准热电偶来说，根据热电偶补偿导线标准(GB4989～4990-85)，其型号可分为SC,KC,KX,EX,JX,TX,NX。其中型号头一个字母与配用热电偶的分度号相对应。字母“X”表示延伸型补偿导线。字母“C”表示补偿型补偿导线。其中延伸型补偿导线是指能满足式(2-3)的条件：(式2-3)(式2-4)又能使式(2-4)成立。即其材质与所配用热电偶的热电极化学成分相同。补偿型补偿导线是指能满足式(2-2)的条件，不能满足式(2-5)的条件。即其材质与所配用热电偶的热电极化学成分不同，它只能在一定温度范围内与热电偶的热电性能一致。(式2-5)非标准热电偶一乌徕系列热电偶补偿导线，目前列于我国专业标准(ZBN05002-88)中，其型号分为G型和H型。2.2.4补偿导线的使用原则补偿导线的选用应遵循以下原则.(1)各补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。(2)补偿导线与热电偶的温度不得超过规定的使用温度范围，通常接点温度在100℃以下，耐热用补偿导线可达200(对延伸型补偿导线不应严格限制)。(3)由于补偿导线与电极材料并不完全相同(延伸型除外)，所以，连接点处两接点温度必须相同，否则会引入误差。使用补偿导线时，切勿将极性接反。2.3热电偶的冷端补偿2.3.1热电偶参考端温度的影响由热电偶测温原理可知热电偶的输出电压即，热电偶因温度变化产生的热电动势是测量端温度与参考端温度的函数差，而不是温度差的函数。那么，热电动势就变成测量端温度的单值函数。我们经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端温度为0℃为先决条件的。因此，在使用时必须保证这一条件，否则就不能直接应用分度表。如果参考端温度是变化的，引入的测量误差也是变量。由此可见，参考端温度的变化直接影响测量的准确度。但在实际测温时，因热电偶的长度受到被测介质与环境温度的影响，不仅其参考端温度难以保持0℃，而且往往是波动的，无法进行参考端温度的修正。因此，要把变化很大的参考端温度所带来的误差，通过采取一定措施予以补偿。2.3.2热电偶冷端补偿电路的设计由上一节我们知道，在一定温度范围内，补偿导线热电性能与热电偶基本一致。它的作用只是把参考端移至离热源较远或环境温度恒定的地方，但不能消除参考端温度不为零度的影响，因此必须进行冷端补偿。热电偶冷端(参考端)通常放在室内，其温度为室温，需要对查表得到的温度进行冷端补偿，这里采用AD590集成温度传感器来组成冷端温度测量电路。图2-7AD590的测量电路AD590是绝对温度/电流变换器，它以电流作为输出量，其典型的电流温度灵敏度是1uA/K。它是两端器件，使用非常方便。作为一种高阻电流源，不需要考虑传输线上电压信号损失和噪声的干扰问题，因此特别适合做远距离测量或控制应用。AD590由于采用独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术作最后的标定，具有很高的精度。其主要技术指标为：（1）测量范围：-55～+150℃；（2）电流输出(标定系数)：luF/K；（3）电源电压：4～30V；（4）线性度：在满量程范围内小于士0.5℃；（5）重复性：士0.1℃；（6）输出阻抗：约为lOMΩ；（7）长期漂移：士0.1℃/月；当AD590两端加+4V～+30V电压时，呈现高阻抗，其输出温度与绝对温度成正比，能够保证在298.2K(25℃)时输出的电流为298.2µA，是一个线性温度恒流源。AD590的测量电路如图2-7（a）所示，由于AD590输出为电流信号，所以其传输线即使长达几百米，也不至于影响测量准确度。若要达到与摄氏温度成正比的电压输出，可以用运算放大器的反相加法电路来实现，如图2-7（b）所示。2.4本章小结在设计中我们采用热电偶作为检测元件，所以我们就必须解决热电偶冷端温度补偿的问题，设计中利用补偿导线及补偿电路来对热电偶冷端测温系统进行补偿，补偿电路具体是利用集成温度传感器AD590来进行冷端温度的测量，通过AD590很好的完成了温度测量部分的设计，通过AD590和R型热电偶的结合，本设计的测量范围将控制在0～+150℃，误差小于士0.5℃。3温控器的硬件设计3.1系统总体原理方框图的设计温度传感器测量电路输出被控量放大电路温度传感器测量电路输出被控量放大电路D/A转换电路A/D转换电路D/A转换电路A/D转换电路控制电路控制电路键盘显示电路键盘显示电路系统总体原理方框图整个温控器主要由R型热电偶，两级放大电路，A/D转换电路，单片机，键盘显示电路等组成。感温元件热电偶检测温度后，将温度信号转变成电压信号，由于热电偶的输出电压非常小，因此必须经过放大后才能进行A/D转换。电压信号经过A/D转换后变成数字信号，由单片机进行数据处理及进行相应的显示。3.2温度信号放大电路设计热电偶测得的温度信号很小，同时存在强大的干扰，如工频5OHZ电压；而温度信号设计放大倍数为250倍，难以以一级放大电路实现。所以必须设计具有高性能的放大电路，本文采用了如图3-1所示的电路结构。另外，为了保证放大的精度，电阻选择高精度电阻，电容则选聚丙乙烯（CBB无感)电容。图3-1温度信号放大电路如图3-1所示，整个放大电路由低通滤波，前置放大器，后置放大器组成。设计放大倍数为250倍。为了便于分析，将前置放大器和后置放大器分开进行讨论。1.前置放大器前置放大器由两个运放组成的差动放大器，具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等优点，是目前仪表仪器中最典型的前置放大器。前置放大器采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。由A1,A2组成的一级放大器的差模增益为:。图3-2前置差动放大电路图3-3后置差动放大电路2.后置放大器由于前置放大器已经放大了25倍，后置放大器只需放大10倍就可以达到设计要求，选用普通差动比例运算放大电路即可。电路中电阻选择满足平衡条件R8//R10=R9//R11，得到差模电压增益。由于工频5OHZ电压主要以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V，所以必须要有很高的共模抑制比。从理论上计算整个电路的共模抑制比：(式3-1)或(式3-2)式中:CMRTOTAL一一放大器的总共模抑制比；CMR1一一第一级放大器的共模抑制比；CMR2一一第二级放大器的共模抑制比；A1d,A1c一一第一级放大器的差模增益和共模增益；A2d,A2c一一第二级放大器的差模增益和共模增益。理论上可以求出，该放大器的总共模抑制比为90dB左右。3.3A/D转换电路设计在单片机应用系统中，常需要将检测到的连续变化的模拟量如电压、温度、压力、流量、速度等转换成数字信号，才能输入到单片机中进行处理。然后再将处理结果的数字量转换成模拟量输出，实现对被控对象的控制。将模拟量转换为数字量的过程称为A/D转换；将数字量转换为模拟量的过程称为的D/A转换。设D为N位二进制数字量，Ua为电压模拟量，UREF为参考电压，无论A/D或D/A，其转换关系按如式(3-3)所示：（式3-3）在本设计中选用的A/D芯片ICL7135为4位半双积分式ADC(其分辨率相当于14位二进制数)，它的参考电压为1.OOOV，输入的模拟量0-2.OOOV，对应的数字量为0000-4E20H(20000)。D/A芯片DAC7611为12位D/A转换芯片，参考电压为2.435V(内部自带)，输出数字量OOOH-FFFH，对应的模拟量为0-4.095V。3.3.1双积分ADC工作原理A/D转换器按其工作原理，有比较式ADC、双积分式ADC,等形式。在选择ADC时需要根据要求的测温分辨率、现场情况、要求的转换速度、价格等因素选择合适的ADC。对于目前的温度测量来说，由于温度的变化是一个缓慢变化的过程，所以不需要很高的转换速度。控制精度决定了ADC的分辨率；使用现场的工频干扰较为严重而热电偶的电信号是很微弱的直流信号，所以选取一个能抑制工频干扰又具有较高分辨率的ADC很重要。根据以上原则，考虑选择分辨率达到12位以上的双积分式ADC，这时ADC的分辨率至少能达到0.5℃,而且能够抑制工频干扰。双积分ADC是一种间接转换式的A/D转换器。它的基本原理是把待转换的模拟电压V变换成与之成比例的时间间隔△t，并在△t时间内，以恒定频率的脉冲去记数，这样就把△t转换成了数字N,N与V也成正比，有时也称为模拟电压时间间隔一数字量转换原理。双积分ADC的工作过程分为三个阶段。第一阶段:回零阶段，这时ADC的输出为零，时间从0-t1。第二阶段:积分阶段，从t1时刻开始，积分器对输入电压U1进行积分，积分时间固定为TI，在t2时刻结束采样，积分器输出电压为:（式3-4）式中：被测电压在T1时间内的平均值。第三阶段:积分器进行反向积分阶段。当积分器的输出回到0时，比较器的输出发生跳变，此时有:(式3-5)式中:Er一基准电压。由于Tl和Er都是恒定值，故比较周期正比于被测模拟电压得平均值。从而可在比较周期内对时钟脉冲进行记数，其记数值就等于被测模拟电压值，实现了A/D转换。双积分ADC测量全周期如图3-4所示。图3-4双积分ADC全周期双积分ADC对固有周期TN的干扰抑制比NMRR：（式3-6）式(3-6)第一项是一阶滤波器特性(20dB/十倍频程)，第二项若取Ti/TN为整数倍就表示抑制比为无穷大。所以，双积分ADC对固有周期的干扰抑制能力很强。对十非固有周期干扰也会因积分的平均作用而减小。目前有多种单片集成电路双积分A/D转换器，其中MCI4433和ICL7135较为常见，MCI14433为3位半，其分辨率相当于11位二进制数，所以MCI4433的分辨率较低。ICL7135为4位半，其分辨率相当于14位二进制数。它的转换精度高，但是转换速度慢，每秒只有几次(根据时钟频率而定)，这对于温度采样来说己经满足使用要求。所以，A/D转换器选择ICL7135。3.3.2A/D转换器ICL7135的技术指标A/D转换器的主要技术指标包括有分辨率、精度、量程、线性度误差、转换时间。翻译A/D转换器手册得到ICL7135的主要技术指标。(1)分辨率(Resolution)分辨率反映转换器所能分辨的被测量的大小。通常用输出二进制代码的位数来表示。ICL7135为4位半双积分A/D转换器，其分辨率相当于4位二进制数。（2）精度(Preoision)精度指的是转换结果相对十实际的偏差。相对分辨率为1/20000。（3)量程(满刻度范围一EullSoaleRange)量程是指输入模拟电压的范围。ICL7135量程为2倍的参考电压(参考电压:1.OOOOV)2.OOOOV。(4)线性度误差(LinearityError)线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常用多少LSB表示。ICL7135的线性度误差为1LSB。(5)转换时间(ConversionTime)从发出启动转换脉冲开始直至取得稳定的二进制代码所需的时间称为转换时间，与工作原理和转换的位数有关。本设计中将ALE四分频得到5OOKHz，在该时钟下，ICL7135的转换速率为每秒12.5次，转换时间为0.08秒。除上述主要指标外，ICL7135还有以下特性:（1）输入阻抗达109Ω以上，对被测电路几乎没有影响；（2）自动校零；（3）有精确的差分输入电路；（4）自动判别信号极性；（5）有超、欠压输出信号；(6)有6个辅助输入/输出接口，可以与DART，微处理器以及其它电路连接。3.3.3A/D转换芯片ICL7135的电路设计ICL7135是双斜积分式4位半单片A/D转换器，28脚DIP封装。其引脚功能如下:1脚(V)-5V电源端；2脚(VREE)基准电压输入端；3脚(AGND)模拟地；4脚（DINT)积分器输入端，接积分电容；5脚(AZ)积分器和比较器反相输入端，接自零电容；6脚(BDE）缓冲器输出端，接积分电阻；7脚(CREE+)基准电容正端；8脚（CREE-)基准电容负端；9脚(lN一)被测信号负输入端；10脚((IN+)被测信号正输入端；11脚(V+)+5V电源端；12,17-20脚(D1～D5)位扫描输出端；13-16脚(B1一B4）BCD码输出端；21脚(BUSY)忙状态输出端；22脚(CLK)时钟信号输入端；23脚(POL)负极性信号输出端；24脚(DGND)数字地端；25脚(R/H)运行/读数控制端；26脚(STR)数据选通输出端；27脚(OR)助超量程状态输出端；28脚(UR)欠量程状态输出端。在小型化仪表中，应该以最少的元件完成尽可能多的任务。在单片机中I/O口是十分宝贵的，利用ICL7135的“busy"端，只要一个I/O和单片机内部的定时器INTO就可以把ICL7135的数据送入单片机。具体电路图如图3-5所示。图3-5A/D转换模块电路连接图3-5所示电路中R41,R42,C2是积分元件；C3是自零电容；C4是基准电容；R44,CS组成标准输入滤波网络；R43,R44,D2组成输入过压保护电路。R43为基准电压调整电位器，可根据要显示的满度值选择基准电压的大小，这里设计为1.0000V，它们的关系是:满度值为基准电压的两倍。ICL7135的时钟信号输入由单片机的ALE端四分频得到，单片机的时钟频率为12MHz，故。温度信号采集放大后得到0-5V的电压，由V_IN端输入，再分压得到0-2V的电压作为ICL7135的输入，而ICL7135的参考电压则由良好的热稳定性能的二端可调分流基准源TL431分压得到1.OOOOV。利用ICL7135的“busy”输出信号与单片机的INTO相连，计数“busy”高电平的周期数。为了ICL7135工作更为精确和稳定，电阻选用精密电阻(精度为1%)，电容选用稳定性较强的CBB(聚丙乙烯)电容。根据热电偶的修正热电势，经放大后分压输入到ICL7135,即可计算出测量温度与A/D芯片ICL7135输出的十进制数理论值对照表3-6。之后进行差值运算，就可由A/D转换模块子程序得到所测温度。表3-6测量温度与数字量输出对照表测量温度(°C)修正热电势(mV）电压放大输出(V）A/D转换输出(十进制)00.0000.0000001000.7580.1907582001.5700.39315703002.5120.62825124003.5190.88035195004.58216941.42456947006.8541.71468548008.0612.01580619009.3192.3309319100010.6172.65410617110011.9612.99011961120013.3393.33513339130014.7403.68514740140016.1514.03816151150017.5624.391175623.4D/A转换接口电路设计3.4.1D/A转换器DAC7611D/A转换是单片机应用系统后向通道的典型接口技术，在这里我们选用DAC7611组成D/A转换模块，而根据D/A转换器的主要技术指标包括有分辨率、线性度、转换精度、建立时间。翻译D/A转换器手册得到DAC7611的主要技术指标:(1)分辨率是当输入数字量发生单位数码变化(即1LSB)时，所对应的输出模拟量的变化量。DAC7611是12位D/A转换芯片，满度量程4.095V。故计算得到DAC7611的分辨率=4.095V/212=1mV。(2)线性度D/A转换的线性度通常用非线性误差的大小表示。DAC7611非线性误差为1LSB。(3)转换精度转换精度以最大静态转换误差的形式给出。这个误差应该包含非线性误差、比例系数误差以及漂移等综合误差。DAC7611最大静态转换误差为1LSB。(4)建立时间建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度，而不是AD中常用的转换速率。该指标表明了D/A转换器转换速度的快慢，DAC7611每最小分度转换时间为7us。除上述主要指标外，DAC7611还有以下特性:（1)低功耗:2.5mW(5V供电，0.5mA工作电流)（2)内部自带2.435V参考电压。(3)OV异步复位。3线接口，最高可适应20M时钟。(4)2位线性转换，性能满足工业温度范围的要求。3.4.2D/A转换器的基本原理D/A转换的基本原理是应用电阻解码网络，将N位数字量逐位转换为模拟量并求和，从而实现将N位数字量转换为相应的模拟量。数字量D与模拟量Ua的关系按如式§3.3中(3-3)所示。由于数字量不是连续的，其转换后的模拟量自然也不会连续，同时由于计算机每次输出数据和D/A转换需要一段时间，因此实际上D/A转换器输出的模拟量随时间的变化曲线不是连续的，而是呈阶梯状，如图3-7所示。图3-7中时间坐标的最小分度△T是相邻两次输出数据的间隔时间，模拟量坐标的最小分度是1LSB。但若△T很短，1LSB也很小，曲线的台阶就很密，则模拟量曲线仍然可以看作是连续的。图3-7D/A转换器输出模拟量曲线3.4.3D/A转换芯片DAC7611的电路设计DAC7611和单片机的具体连接是:（2脚)与单片机连接做片选信号；CLK（3脚)与连接做时钟信号；SID(4脚)与T1连接做串行信号输入口；(S脚)与P1.2连接做下载选通信号；CLR(6脚)与INT1连接做异步清零信号。这样就用5个I/O口完成了DAC7611与单片机的连接。图3-8D/A转换模块电路DAC7611输出电压范围为0-4.095V，而RF感应加热器由0-1OV电压调节，所以输出电压需要放大处理。图3-8所用的同相放大电路中，C9,C10,C17,C18为滤波电容，R20是调零电阻，R26为放大倍数调节电阻。调试时，调节变阻R20,R26至J4输出电压至0-lOV。这样编写合适的软件，即可控制感应加热器的外接电压大小。3.5AT89S52单片机单片机，又称微处理器、微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗千扰能力强且可靠性高等特点，因此适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分主要有8位机、16位机、32位机，其中的32位单片机近年来在信号分析与处理、语音处理、数字图像处理等数字信号处理运用领域得到了广一泛的运用。但在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机，对本课题涉及到的智能测控器，运用单片机的主要目的是构成一个具有一定判断、运算能力以及具有存储、显示等功能的智能测控器，所以选择质优价廉的8位单片机作为系统微处理器。生产单片机的厂商有很多，尤其是近年来微电子技术、计一算机技术的飞速发展，比较著名的有Intel,Philips,Microchip,Motorola,Zilog,Atmel等半导体企业。在上述著名的半导体企业产品中，尤其在工业测控场合，运用较多的为Intel公司的MCS-51系列和Microchip公司的PIC系列单片机。近年来，随着Intel公司对8031内核的公开以及各半导体企业在关键技术上的相互渗透，不仅Intel公司，而且Philips公司、Atmel公司等企业目前都生产MCS-51系列的CPU。近十年来在工业测控领域，Atmel公司的AT89系列单片机得到广泛应用，它的标准型产品不仅在指令上，而且在管脚上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一代CPU8031，并在片内存储器、振荡电路、功耗、软件加密以及内置看门狗等技术水平上均有很大程度的提高，使国内的智能仪表行业的设计与开发者越来越感到使用和设计上的方便。因此，本设计选用了Atmel的8位单片机AT89S52作为本系统下位机的控制器，其是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器。AT89S52的特性如下：1)与MCS-51单片机产品兼容；2)8K字节在系统可编程Flash存储器；3)全静态操作:OHz～33Hz；4)三级加密程序存储器；5)32个可编程I/O口线；6)三个16位定时器/计一数器；7)六个中断源；8)全双工DART串行通道；9)低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒；10)看门狗定时器。本系统中AT89S52单片机及其部分外围电路如下图3-9所示。为了提高单片机系统的可靠性，采用专门的监控芯片MAX813L。MAX813L是一个看门狗与电源监控芯片，在系统加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200ms。该芯片一具有独立的看门狗输出，如果看门狗输入在1.6s内未被触发，其输出将变为高电平。另外MAX813L芯片具有电源监控功能，内置1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V以外的电源图3-9AT89S52单片机接线图3.6显示电路设计3.6.1显示器单片机系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED(LightEmittingDiode);液晶显示器，简称LCD(LiquidCrystalDisplay);荧光管显示器CRT。本设计中显示采用的是LED显示器，其价格便宜、配置灵活、体积小、功耗低、与单片机接口方便。在此仪器的设计中，使用8片LED7段显示块对时间和温度进行显示。由于显示所需电流比8279输出的电流大，所以在显示块前端用7407驱动器对8279的输出电流进行放大，驱动器7407对8片LED实现段选的功能。芯片8279通过译码器741S138、反向器7404和驱动器MC1413对LED实现位选的功能。该部分可用框图3-10表示。LED显示器的显示方式采用动态显示方式。驱动器驱动器7407段选键盘显示芯片段选键盘显示芯片8279反向器7404译码器74LS138反向器7404译码器74LS138位选驱动器MC1413译码器74LS138译码器74LS138图3-10键盘显示模块原理方框图3.6.2LED的工作原理LED的主要部分是七段发光管，见图3-11(a)所示，这七段发光管分别称为a,b,c,d,e,f,g，有的产品还附带有一个小数点DB，七段式发光管名称由此而来。通过7个发光管的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个字母数字。LED可以分为共阳极和共阴极两种结构，如图3-11(b)和3-11(c)所示。3-11七段式LED显示部件典型的七段式LED器件;（b)共阳极LED;(c)共阴极LED共阳极结构，数码显示端输入低电平有效，当某一段得到低电平时，便发光。而共阴结构，数码显示端输入高电平有效，当某一段得到高电平时便发光。本设计中采用共阳极LED结构。3.6.38279键盘显示接口芯片8279芯片能对显示器自动扫描，能识别键盘上闭合键的键号，提高CPU的工作效率。8279包括键盘输入和输出两部分。键盘部分提供的扫描方式，可以和具有64个按键和传感器的阵列相连。能自动消除抖动以及对n键同时按下采取保护。显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号，可显示多达16位的字符或数字。(1)8279引脚及功能DO～D7:双向、三态数据总线，用于和系统数据总线相连，在CPU和8279之间传送命令和数据。CLK:系统时钟输入线，用于8279内部定时，以产生其工作所需时序。RESET:复位输入线，高电平有效。:片选输入线，低电平有效。当=0时，8279被选中，允许CPU对其进行读写操作。AO:缓冲器地址输入线。当AO=1时，若CPU进行写操作，则写入字节是命令字;若CPU进行读操作，则读出的字节是状态字。当AO=0时，写入或读出字节均为数据。、:读写信号输入线，低电平有效。IRQ:中断请求输入线，高电平有效。SL4～SLO:扫描输出线，用来扫描键盘和显示器。RLO～RL7:回复输入线，是传感器矩阵或键盘矩阵的列信号输入线。CNTL/STB:控制/选通输入线，高电平有效。OUTAO～OUTA3:A组显示信号输出线。OUTBO～OUTB3:B组显示信号输出线。(2)8279键盘显示电路设计图4-128279键盘显示电路(a)8279与AT89S52的接口数据线:DO～D7接于PO.O～P0.70控制线:时钟CLK接于ALE。读写、与AT89S52读写线相连。地址线:由端和AO端决定。与译码器的输出线相连。（b)8279与显示器接口8279的SLO～SL2接一译码器74LS138，译码器输出接反向器7404的输入端，7404输出端接驱动器MC1413的输入端，MC1413的输出作为8个显示器的位选线。8279的输出端OUTAO～OUTA3,OUTBO～OUTB3经正向驱动器7407接显示器的字段码输入端。(c)8279与键盘接口如图3-12所示，把SLO-SL2经74LS138译码器输出后的Hl,H2,H3端作为键盘输出线(列线)，RLO-RL7为行线输入，驱动3X8阵列的键盘。由图3-10可确定8279地址:8279命令口和状态口地址:BFFFH8279数据口地址:BFFEH4.7本章小结硬件是温度控制系统设计的基础，硬件设计的好坏直接影响着整个系统的性能。本章以AT89S52单片机为核心介绍了温度控制器的整体硬件设计方案，在讨论了系统各种功能模块硬件电路设计方案的基础上，给出了具体的实现方法，为实现智能温度控制的建立提供了硬件基础。4温控器软件设计4.1温度控制器的主程序设计开始为了便于程序的调试与维护，系统全部程序采用模块化结构。由一个主程序和若干子程序组成。子程序主要包括A/D转换子程序、D/A转换子程序、LED显示子程序、键盘控制子程序等，各子程序均能很快返回主程序，不会发生子程序时间过长等问题，子程序对相关事件的处理依靠标志位和判断标志位来完成。主程序通过调用各个子程序来完成所有的温度控制器功能。主程序的流程图如图4-1所示。开始复位键按下？复位键按下？N初始化Y初始化有键按下？有键按下？N键处理Y键处理温度采样温度采样温度显示温度显示温度信号处理温度信号处理PID计算PID计算控制值输出控制值输出图4-1主程序流程图根据主程序流程图，得主程序如下：#include<reg52.h>void_init<void);seg[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40,0x00};ucharcodepoint[16]={0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9};ushorttemperature;uchartemp_d[4];sbitcon1=P1^1;sbitcon2=P1^2;sbitcon3=P1^3;sbitDQ=P1^0;voiddelay(uinti){while(i--);}4.2A/D转换模块开始A/D转换模块主要是由ICL7135组成，具体流程图如下：开始定时计数器工作方式定时计数器工作方式TH0,TH1清零中断进入，开启计数器中断进入，开启计数器停止计数停止计数读TH0,TH1读TH0,TH1计数值除2计数值除2减去10001减去10001返回电压值返回电压值中断退出中断退出图4-2A/D模块流程图根据A/D模块流程图，得到A/D模块子程序如下:#include<reg52.h>#include<stdio.h>voidICL7135_init行<void);/*ICL7135初始化程序*/voidICL7135_A行<void);/*ICL7135转换结果读取程序(中断服务程序)*/unsignedintVoltage_U:/*全局变量，电压取样值*/voidICL7135init行<void)/*功能::ICL7135初始化程序:说明:使用TO*/{TMOD=Oxdd:/*使TO定时器工作在16位计数器方式、INTO引脚门控位开启*/THO=0:/*TO计数器清零*/TLO=0:EXO=1:/*使能INTO外部中断*/ITO=1:/*INTO下降沿触发中断*/TRO=1:/*开启计数器*/EA=1:/*中断使能*/}voidICL7135_A(void)interrupt0/*功能:ICL7135转换结果读取程序(中断服务程序)*/{unsignedintv_temp；/*AD转换临时变量*/TRO=0:/*关闭计数器，读取AD转换结果*/V_temp=(unsignedint)TLO;/*读取AD转换结果低八位结果*/V_temp=(unsignedint)THO<<8;/*读取AD转换结果高八位结果*/V_temp=/2Voltage_U=v_temp-10001:/*计算电压值*/4.3D/A转换模块开始本设计中选用的D/A转换芯片是DAC7611，这是一个串行的、低功耗的12位D/A转换芯片，性能满足要求。具体DAC7611进行D/A转换的流程图如图4-3所示。开始引脚定义引脚定义开使能开使能装载D/A值，移位装载D/A值，移位移位完毕？N移位完毕？D/A转换输出YD/A转换输出关使能关使能返回返回图4-3D/A模块流程图由图4-3D/A模块流程图编写DAC7611的程序如下:SbitDAC7611_cs=P1^4:sbitDAC7611_Din=P1^6:sbitDAC7611_clk=P1^5:sbitDAC7611_ld=P1^7:/*功能:定义端口*/voidDAC7611(unsignedintx){unsignedchari;DAC7611_1d=1:DAC7611_cs=0:/*DAC7611片选使能*/for(i=O;i<=l1;i++)DAC7611_clk=0:/*模拟与DAC7611通信工作时序*/if((x&0x800)==0)DAC7611Din=0:ElseDAC7611Din=1:/*装载D/A值移位*/X<<=1:DAC7611_clk=1;}DAC7611_cs=1:/*DAC7611片选使能关闭*/DAC7611_1d=0:/*DAC7611内DAC寄存器值输出*/DAC7611_1d=1:}开始4.4LED显示模块开始设字符表LED显示模块流程图如右：设字符表输出位选信号输出位选信号移位移位输出段选信号输出段选信号显示字符显示字符N显示完毕?图4-4LED显示模块流程图N显示完毕?根据图4-4LED显示模块流程图，编写程序如下:Y返回#include<reg5l.h>Y返回voiddelay(intx)/*延时程序*/{charjwhile(x--){For(j=O;j<125;j++);}}voidled(k)/*输入一个整型数，并显小*/{char*pcodechartable[16]=fOxcO,Oxf9,Oxa4,Oxb0,Ox99,Ox92,Ox82,Oxf8,0x80,0x90,Ox88,Ox83,Oxc6,Oxa1,Ox86,Ox8e};/*数字0}9字模码表*/inti:for(i=10;i>O;i--){p=table+-/10000;/*计算千位数模码*/PO=*p/*送段码4*/P1=0x78:/*送位码4*/delay(2);p=table+(k/1000-k/1000*10);/*计算百位数模码*/PO=*p/*送段码3*/P1=Oxb8:/*送位码3*/delay(2);p=table+(k/100-k/10000*100-k/1000*10);/*计算十位数模码*/PO=*p/*送段码2*/P1=Oxd8:/*送位码2*/delay(2);p=table+((k%100-k%10)/10);/*计算个位数模码*/PO=*p/*送段码1*/P1=Oxe8;/*送位码1*/delay(2);p=table+k%10;/*计算0.1位数模码*/PO=*p/*送段码0*/P1=OxfO:/*送位码0*/delay(2);}}4.5键盘控制模块开始开始读列线有键闭合否？读列线有键闭合否？NY读行线有键闭合否？N读行线有键闭合否？延时消抖动Y延时消抖动行线列线值转换为按键编号行线列线值转换为按键编号散转执行相应键功能子程序散转执行相应键功能子程序返回返回图4-5键盘模块流程图由图4-5编写键盘模块子程序如下:voiddelay(intx)}/*功能:延时*/{charj；while(x--){forj=O;j<125;j++);}charkbscan(void){charsccode,recode:unsignedcharcount:P2=0xOf:if((P2&0xOf)!=0xOf)/*快速扫描是否有键按下*/{delay(10);if((P2&OxOf)!=0xOf)/*记录循环置行线为低电平*/sccode=0xfe:/*记录扫描行线的次数*/count=0:while(count<4){P2=sccode:/*把行线之一置低电平*/if((P2&OxfO)!=0xfO)/*检查列线有低电平为真*/{sccode=P2&OxfO:/*读列线的电平状态*/recode=1:}while(((sccode&0x10)！=0x00)&&(recode}5))/*寻找列线R0,R1,R2,R3为低电平*/{sccode=sccode>1:recode++:}/*记录sccode的次数、同时也就找到了列线哪根为低电平*/if(recode>4)/*防止意外的情况出现*/{return(0);}return(recode+count*4);/*返按键值，范围1一16*/else{sccode=(sccode+1)}Ox01;/*把列线Lx置高电平，同时把列线Lx+1置低电平*/count++}/*记录下一次将扫描下一次*/return(0);/*返回错误状态*/}4.6本章小结一个完整的系统，除了必需的硬件条件以外，还需要相应的软件配合才能完成其功能。因此，本章将在硬件结构的基础上讨论系统软件的设计，主要包括温度控制器的各个芯片和外围设备程序编写。在这章中对每个模块都进行了分析后画出流程图，最后再写出程序，以达到对系统的软件设计。5系统的调试5.1系统硬件调试系统软硬件调试的目的是通过控制程序和硬件电路的配合工作，进行一些操作，以验证系统的软、硬件是否能够完成设计的功能。调试的过程是按照系统的设计功能来划分的。硬件电路系统测试首先是保证各个元件之间以及各个模块之间的连接正确并且接触良好，这是整个硬件电路系统正常工作的前提。接着分别测试各个硬件模块的性能。按照测试性质的不同可分为电压测试和信号测试两种。电路板制作完后，先检查了电路线路,没发现断线现象。同时为了防止氧化，涂上了松香助焊剂。将元器件焊接完毕后，检测各焊点，没发现问题。5.2系统软件调试程序流程的调试主要是查看程序运行的步骤是否正确，在某时刻程序运行所处的位置是否正确，是否能正确运行各个中断服务程序。在调试过程中，先将PID算法子程序屏蔽，输出可控硅导通时间用一个固定的常数代替，在各个中断服务子程序设置断点，然后运行程序，查看程序是否能运行到所有的断点，若所有断点都能运行到，则程序流程基本正确。去掉所有断点，再一次运行程序，查看可控硅状态，从而判断程序流程正确，反之，若程序流程不正确，做相应的修改后，重新调试。6总结本文选用AT89S52单片机作为微处理器，温度传感器由R型热电偶和集成温度传感器AD590组成，AD590的主要作用就是测量R型热电偶冷端温度，以便通过补偿导线和补偿电路来实现热电偶的冷端补偿。采用运算放大器OP07来实现对热电偶微弱信号的前置放大和有源滤波以对其进行信号调理。采用ICL7135