智能热电偶测温系统设计-毕业设计论文

摘要温度是表征物体冷热程度的物理量。在工农业生产和日常生活中，对温度的测量控制始终占据着重要地位。温度传感器应用范围之广、使用数量之大，也高居各类传感器之首。本文使用温度传感器设计了一个完整的测温系统。该系统所采用的温度传感器为热电偶，A/D转换器件为ADC0809，微型计算机采用的是MCS-51单片机。系统将温度变换、显示和控制集成于一体，用软件实现系统升、降温的调节，控制采用了模糊控制原理对系统进行控制。设计的系统所满足的技术指标：测温范围为500—800℃，响应时间为小于等于1s，误差范围为-5℃—+5℃。关键词：热电偶A/D转换模糊控制ABSTRACTTemperatureisthephysicalquantityofsymptomobjectcoldhotlevel.Inthedailylifeandproductionofindustryandagriculture,occupyimportantpositionallalongforthemeasurecontroloftemperature.Temperaturesensorapplicationbroadscopeandusebigquantity,alsoholdtheheadofeachkindofsensorhigh.Thispaperusestemperaturesensorandhasdesigned,isaandcompletetomeasurewarmsystem.Thetemperaturesensoradoptedbythissystemisthermocouple,theconverterofA/DisADC0809,whatpersonalcomputeradoptisthatMCS-51onlyflatmachine.Systemalternatestemperature,showsandcontrolstobemoreintegratedthanonebody,realizessystemwithsoftwaretorise,cooldownregulation,controlhasadoptedvaguecontrolprincipleassystemcontrols.Thetechnicalindexofdesignsatisfiedbysystem:Measurewarmscopeis500—800℃,respondtimetobesmallerthanisequalto1s,scopeiserror-5℃—+Keyword:ThermocoupleConversionofA/DVaguetocontrol目录第一章绪论 1第二章系统设计 2第三章硬件结构及分析 43.1温度检测元件—热电偶 43.1.1热电偶的特性 43.1.2热电偶的基本定律 53.1.3热电偶测温 63.2电源电路 93.3测量电路 103.4滤波电路 113.5控制电路 123.6A/D采集部分原理 133.6.1A/D转换器概述 133.6.2逐次逼近式A/D转换原理 133.7显示部分原理 153.8键盘部分的应用 163.8.1键盘的工作原理 163.8.2矩阵式按键接口 173.8.3键盘、显示器组合接口 19第四章控制软件及流程 224.1键盘、显示及A/D转换 224.2控制程序 244.2.1控制程序原理 244.2.2模糊控制在该系统中的实现 25总结 29致谢 30参考文献 31第一章绪论检测与传感是实现单片机控制的关键环节，它与信息系统的输入端相连，并将检测的信号输送到信息处理部分，是单片机控制系统的感受器官。在科学实验和生产实际中，很多物体和现象具有明显和稳定的数量特征，我们可以通过测量和计算，确定该量的大小，并用数字给出结果，还有一些物体特征数量较少，或某些现象不十分明显，常常被很多其他量或现象所掩盖，能否检出这些被掩盖量的存在，进而得出这些量的大小数值，都需要传感和检测技术。在科学技术的研究、工业生产应用的过程中，对这些量不仅要进行测量，而且要对其进行控制、变换、传输、显示等。在实践的过程中，人们逐步认识到电量具有易测等许多优点，而且大多非电量可以精确的转化为电量，这就是所谓的非电量测量技术。在单片机控制系统中信号检测主要就是应用这种非电量测量技术。本文就是采用了非电量测量技术，用热电偶将温度这一非电量转化为电量，在通过信号调理电路对输出信号进行放大、滤波，并送A/D转换，最后送单片机处理并实现对后续电路的控制。在加热过程中，我们采用了可控硅调压控制的方案，因为可控硅控制方法简单，元件的性能可靠，使用时不易损坏，且成本较低，故在设计中采用了可控硅元件进行调压。加热对象为电阻性元件（如碳棒等）。由于被控对象是温度，且恒温箱体的热容量大，热惯性大，在加热过程中容易产生超调和震荡现象，控制精度难以实现。本设计采用模糊控制的方法，不仅控制程序较为简单，而且能达到较好的控制效果。第二章系统设计该系统的基本组成如图2.1所示。图2.1系统原理框图如上图所示，本系统由传感器、放大器、滤波器、A/D转换电路、单片机及键盘和显示电路组成。温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接的获得。温度传感器的基本工作原理正是利用了这一性质。随着科学技术的发展，现已开发出种类繁多的温度传感器。常用的温度传感器由P-N结温度传感器、热敏电阻温度传感器、集成温度传感器、热电阻及热电偶温度传感器等。其中，P-N结温度传感器有较好的线性度，热时间常数约0.2s～2s,灵敏度高，其测温范围为-50℃～+50℃。其温度与压降的关系如图(2.2)所示。这种温度传感器的缺点是，同一型号的二极管或三极管的特性不一致。热敏电阻是电阻式传感器。它利用阻值随温度变化的特性来测量温度。一般把由金属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻。热敏电阻的非线性严重，稳定性差，不可用于精确测量，主要用于电路温度补偿和保护。集成温度传感器实质上是一种集成电路。它的线性好、灵敏度高、体积小、使用方便，但其测温范围窄，只可测180℃以下的温度。图2.2二极管的V-T特性热电阻的基本材料有铂、铜和镍，其阻值随温度的升高而增大。其中铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，为-200～600℃，但价格高。铜电阻测温范围窄，为-50～+150℃。热电偶测温范围宽，一般为-50～+1600℃，最高的可达2800℃，并且有较好的测量精度。另外，热电偶已标准化，系列化，易于选用，可以方便的用计算机做非线性补偿，因此应用很广泛。因为该系统测温范围为500～800℃，所以经比较采用热电偶作为温度传感器。热电偶使用时用二极管构成温度补偿电路，二极管的线性度好，且用这种方法构成的补偿电路与以往电路比较，性价比高。热电偶的输出信号较小，所以放大器选用低失调低漂移运放OP-07，组成增益可调的差动结构。该差动结构一方面用于放大热电偶的输出信号，另一方面用于与二极管构成的温度补偿电路的输出值相减。因为热电偶的输出信号小，所以有一点干扰也会对输出产生很大影响。该系统的干扰主要以50HZ及其以上的频率的干扰为主，所以采用两级低通滤波器滤除干扰。滤波器用的是有源低通滤波，其转折频率为10HZ。系统的设计指标要求测量精度在-5V～+5V范围内，响应速度为小于等于1mS。ADC0809为逐次逼近式A/D转换器，转换精度约为1/256，转换速度约为120uS，所以选用ADC0809完全可以满足系统要求。通过单片机完成键盘控制、显示及对加热系统的控制。键盘采用4*4矩阵式键盘，用四个数码管显示温度值，采用动态显示。对加热装置的控制通过单片机控制可控硅的导通角来完成。因为可控硅控制方法简单、性能可靠、不易损坏且成本较低，故在设计中采用了可控硅元件进行调压来控制加热，加热对象为电阻性元件（如碳棒等）。控制原理采用模糊控制，因为被控对象是温度，且恒温箱体的热容量大，热惯性大，在加热过程中容易产生超调和震荡现象，控制精度难以实现。本设计采用模糊控制的方法，不仅控制程序较为简单，而且能达到较好的控制效果。第三章硬件结构及分析3.1温度检测元件—热电偶3.1.1热电偶的特性基于热电效应原理工作的传感器称为热电偶传感器，简称热电偶。热电偶的测温范围宽，一般为－50℃～+1600℃，最高的可达2800℃。并且有较好的测量精度。另外，热电偶已标准化，产品系列化，易于选用，可以用模拟法调整电路或仪表，也可以方便地用计算机作非线性补偿，因此它是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。如图3.1所示，两种导体（或半导体）A或B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合回路。若两个接点处于不同的温度，导体A和B的电子的逸出电位不同（即逸出功不同），电子密度不同，因而在他们的接触面处电子向对面流出的量不同，一面有多余电子，另一面缺少电子，便产生接触电动势（称为热电势），在回路中产生电流。图中导体（或半导体）A和B称为热电极，它们组成热电偶AB。测温时接点（1）置于被测温度场中，称测温端（或工作端，热端）；接点（2）一般处于某一恒定温度，称参考端（或自由端，冷端）。图3.1热电效应示意图热电偶产生的热电势与两个电极的材料及两个接点的温度有关，由单一导体的温差电势和两种导体的接触电势组成，通常写成。温差电势是指一根匀质的金属导体，当两端的温度不同时，其内部产生的电动势。温差电势的形成是由于导体内高温端自由电子的动能比低温端自由电子的动能大。这样，高温端自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率大，使得高温端因失去一些电子而带正电，低温端因得到一些电子而带负电，从而两端形成一定的电位差。根据物理学推导，当导体A两端的温度分别为T，时，温差电势可由下式表示（3-1）式中——导体A的温差系数。同理导体B的温差电势为（3-2）当A，B两种金属接触在一起时，由于两种金属导体内自由电子密度不同，再结点处就会发生电子迁移扩散，若金属A的电子密度大于金属B的电子密度，则由金属A扩散到金属B的电子数要比从金属B扩散到金属A的电子数多。这样，金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电，于是在接触面处形成电场。此电场将阻止电子由金属A进一步向金属B扩散，直到扩散作用与电场的阻止作用相等时，这过程便处于动态平衡。此时，在A，B两金属的接触面形成一个稳定的电位差，这就是接触电势。接触电势写成，表示它的大小与两金属的材料有关，也与接触面处的温度有关。由物理学推导，接触电势的表达式为(3-3)式中K——波尔兹是常数；T——接触处的绝对温度；e——电子电荷量；，——分别为金属A，B的自由电子密度；对于图3.1所示的由A和B两种导体构成的热电偶回路，热端和冷端温度分别为T，时，其总热电势用表示，它等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和。即(3-4)上式右边第一项称接触电势，第二项称温差电势，接触电势一般大于温差电势。由上式可见，如果A和B两导体的材料相同，即=，=，即使两端温度T，不同，总电势也为0，因此热电偶必须用两种不同成分的材料作热电极。此外，如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即T=，总的热电势也为0。3.1.2热电偶的基本定律、中间导体定律在实际应用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入测量热电势的仪表。热电偶回路中接入测量仪表和连接导线相当于热电偶回路中接入第三种导体。可以证明：“在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种导体两端的温度相同，就不会影响热电偶回路的总热电势。”这就是热电偶的中间导体定律。根据中间导体定律，我们可以在回路中引入各种仪表和连接导线，而不必担心会对热电势有影响。同时也允许采用任意的焊接方式来焊制热电偶。而且，应用这一定律，还可以采用开路热电偶测量液态金属和固体金属表面的温度。利用这一原理时应特别注意热电偶和仪表的两连接端温度必须相等或极近似。但在一般情况下，因热电偶的参比端都靠近被测对象，所以有较高或变化不定的温度，在这种情况下，应首先将参比端设法引到一温度比较恒定并且和仪表所在地点有极近似温度的地方，然后才能运用这一原理。二、中间温度定律热电偶AB在接点温度为T，时的热电势等于该热电偶在接点温度T，和，时的热电势之和。即=+(3-5)称为中间温度。这个中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。只要求得参考温度大于0℃时的“热电势——温度”关系，就可以根据该定理求出参考温度不等于0℃时的“热电势——温度”=（3-6）三、标准电极定律由3种材料成分不同的热电极A，B，C分别组成3对热电偶，在相同结点温度（T，）下，如果热电极A和B分别与热电极C（标准电极）组成的热电偶所产生的热电势已知，则由热电极A和B组成的热电偶的热电势可由下式求出：=（3-7）标准电极C通常由纯度很高，物理化学性能非常稳定的铂制成，称为标准铂热电极。利用标准电极定律可大大简化热电偶选配工作，只要已知任意两种电极分别与标准电极配对的热电势，即可求出这两种热电极配对的热电偶的热电势而不需要测定。3.1.3热电偶测温一、测温原理和方法热电偶两个电极的材料确定后，热电偶的热电势就只与热电偶两端温度有关。如果使参考端温度恒定不变，则对给定材料的热电偶，其热电势就只与工作端温度T成单值函数关系，即=（3-8）这个函数关系就是热电偶测温的原理。在热电偶中，A、B热电极材料的电子密度与温度有关，但其严格的数学函数关系是难以准确得到的，故热电势与温度的一一对应关系不是用计算的方法而是用实验的方法得到的。对给定的热电偶通过实验测得=0℃时，T取不同温度时的热电势数据，形成“热电势——温度T对应关系数据表”——称为该热电偶的分度表。有了这个分度表，今后在用该热电偶测量温度时，只要测得该热电偶的热电势，就可查分度表，确定出对应的被测温度的数值T，这种方法称为查表法。如果把热电偶与专用的测量仪器配套使用，通常该测量仪器的刻度就按热电偶型号所对应的分度表标定成温度数值，这样在用该热电偶及其配套测量仪器测温时，如=0℃，便可直接从仪表上读取温度值T，这种方法称为直接法。一般来说，热电偶的分度表和相配的测温仪表都是规定在参考温度为0℃的情况下使用的。在参考温度为已知值但不是0℃的情况下，应采取如下计算修正的办法。若用查表法测温，则应在测出和已知后，先从分度表上查出与对应的值，再按（3-5）式计算出值,即=+（3-9）最后从分度表查出与对应的温度T值。若采用直接法测温，因此时的热电势是且≠0℃，而仪器刻度确实按照“与T”的关系刻度的，故此时仪表指示温度“T”并不是真实温度T。通常热电偶测温仪器产品说明书上都会给出与指示值T相对应的修正系数k值,应按下式计算出真实温度T：（3-10）二、热电偶的冷端温度校正为了使热电偶的热电势与被测温度呈如（3-8）式的单值函数关系,需要使热电偶的冷端温度保持恒定或进行其它处理。1、冷端的恒温方式把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的冷端置于其中，在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在0℃，这时热电偶输出的热电势符合分度表的对应关系。这种方法称为冰浴法，适用于实验室且无须校正。使冷端保持恒温的方法，也可以将冷端置于恒温槽中，在恒温槽内充油，冷端置于油中，以改善冷端温度的稳定性。亦可将冷端置于温度变化缓慢的容器中或置于深埋于地下的铁盒或充满绝热体的铁管中等等。上述方法的冷端温度T≠0℃,因此必须校正。2、冷端延伸工业测温时，被测点与指示仪表间往往有很长的距离，如果将热电偶直接延长到很远的地方，对于价格很高的贵金属来说，显然是不可能的。即使是对于普通廉价金属热电偶来说也是浪费材料。因此应设法找到一种导线，使它在温度为0～150℃范围内，其热特性与热电偶近似相同，而且价格便宜。这种导线叫做热电偶补偿导线或称作延长导线，为保证接入补偿导线后不影响原热电偶回路热电势的测量值，必须注意以下几点：补偿导线的热特性在一定范围内（一般为0℃～150℃），要与所配用的热电偶的热电特性相同，即满足=（3-11）补偿导线与热电偶的两个接点的温度必须相同，且不得超过规定的范围。补偿导线的正负极以其绝缘层的颜色来区分。在使用时，一定要使补偿导线与热电偶的同性电极相接，切不可反接。不同的热电偶要求配用不同的补偿导线。对于廉价金属热电偶，其补偿导线就采用与其电极材料相同的合金丝。而对于贵重金属热电偶，通常用实验方法找出热电特性相同的廉价合金丝作为补偿导线。3、冷端温度补偿使冷端温度保持恒定需要用冰浴法或恒温槽，而且当T≠0℃时还须用计算修正测量结果，因此不大方便。在实际热电偶测量中经常使用的是能自动补偿冷端温度波动对温度指示值影响的“冷端自动补偿”方式。这种自动补偿方式是在热电偶与测量仪表间接入一个直流电桥——补偿电桥，基本原理如图3.2所示。R1，R2，R3和Rc与热电偶冷端处于相同环境温度下。其中R1=R2=R3=1Ω，且都是锰铜电阻，而Rc是铜线绕制的补偿电阻。Vc是电桥电源。R4是限流电阻。不同的热电偶R4的值不同。在20℃时电桥平衡。当冷端温度T升高时，Rc增大，使U（补偿电压）也增大。同时，也增大，但两项极性相反，使U-为常数，得到补偿。在使用时，应注意极性切勿接反，否则不但起不到补偿作用，反而会增大误差。图3.2热电偶冷端补偿电路3.2电源电路电源电路由变压器和整流稳压电路组成。变压器用于将220V交流电压转换为正、负8V低压交流电压，整流电路用于将低压交流电压整流为脉动电压。该脉动电压与滤波电容C1、C2、C3和C4相连，形成较平滑的直流电压。将两路直流电压分别送入三端稳压器MC7805和MC7905的输入端Vin后，在输出端形成+5V和-5V直流稳压电压，供单片机和测量电路使用。电容C5、C6、C7和C8也起到滤波的作用，用于滤除导线上的干扰。因为该电源电路提供+5V和-5V两组电压，供电电流为200mA,变压器的输出电压为8V,故总功率为P=2×0.2×8=3.2W。所以电路采用5W容量的变压器，电路滤波电容确定根据计算公式CR≥(3—5)T,其中T=10ms,R==25Ω,解得C=2000uF。图3.3电源电路3.3测量电路测量电路如图3.4所示。图中由D所构成的桥路用+5V单电源供电，放大器A1、A2和A3用+5V和-5V双电源供电。在使用时应注意一定要给所加电源进行滤波，因为热电偶的输出信号十分微弱，所以若电源上引入的干扰过大将严重影响信号的输出。该电路使用100μF的电容和750Ω的电阻对其进行滤波。A1,A2为LM358，A3选用OP-07。OP-07是低失调低漂移运放，它的输入失调电压温漂和输入失调电流温漂都很小，因而这种运放的精度高。尽管它的响应速度不太高，但是作为对热电偶输出信号的放大是可以的。图3.4测量电路该测量电路中热电偶的冷端补偿采用P-N结温度传感器（由普通硅二极管D充当）。如图3.4所示，P-N结D处在冷端温度环境中，P-N结的压降随温度t0上升而下降，呈线性关系。也随成正比增大。这两项在运放A3相减，实现对冷端的补偿。因为二极管在通过0.13mA以下电流时电压与温度才呈线性关系，即PN结在温度每升高1℃时，压降下降2mV。所以图中R4=R5=30K,W1取5K。R1,C1,R2,C2用于滤波，R1=R2=750Ω,C1=C2=100μF。为了达到温度补偿的目的，选用R3=R6=1K，Rf2=10K，Rf1为100K的滑动变阻器。对于运放A3,令R12=R，R11=R15=αR，R13=R14=βR，W2=γR，则图中A3的输出U0为：U0=[α+β+2αβ/(1+γ)](U1-U2)（3-12）合理选择α、β、γ三个参数使得热电偶处于100℃时A3输出为+5V，从而使A/D被充分利用，即保证其精度。本系统中取R=1K，α=10，β=10，γ=40，实现的放大范围为25倍到220倍。3.4滤波电路A3输出的电压波形有干扰，所以用一个截止频率为20HZ的有源低通滤波器滤除这些干扰。有源滤波器的优点是低频性能好，精密度高，稳定性好。该系统使用了一级低通滤波器，经过滤波器滤波后，当输出直流为5V左右时，其上的干扰约为15mV,完全可以满足系统的技术要求。滤波电路如图3.4所示。具体参数计算如下，因为转折频率为50HZ，所以对第一级，则，，取,解得R约为30K。，为使不为负，所以(3-13)令则， 从3-13式中还可导出且，所以，；取，。图3.5滤波电路3.5控制电路本系统通过控制可控硅的导通角来控制恒温箱的加热速度，图3.6和图3.7为控制电路图。热电偶采集到的温度通过单片机处理并判断后，通过8031的P1.1口输出一脉冲来控制可控硅的导通角，从而控制了加热速度。由于加热箱为三个千瓦，在最高电压达到300V时，流过的电流为10A,所以选用20A/600V的可控硅。由于加热箱为三个千瓦，当电压最大值达300V时，流过的电流为10A，所以选用20A/600V的可控硅。R2和C1是用来保护可控硅的，防止在可控硅通电瞬间浪涌电流过大，烧毁可控硅。图3.6控制加热电路图（1）RRRR图3.7控制加热电路图（2）3.6A/D采集部分原理 3.6.1A/D转换器概述A/D是将模拟量转换成于其大小成正比的数字量信号的器件。模拟量可以是电压、电流等电信号，它们只有被转换成数字量才能被计算机系统所采集、分析、计算。衡量A/D器件性能的主要参数有：1.分辨率：即输出量变化一个相邻的值所对应的输入模拟量变化值。2.转换精度：分为绝对精度和相对精度。前者指转换器中任何数码所相对应的实际模拟电压与其理想的电压之差的最大值。后者指将上述最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量。3.转换速率：指每秒所能完成转换的次数。这个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。使用时要注意A/D转换器与微型机的接口原则有以下几点：数据输出接口：芯片数据输出接口方式取决于芯片内部数据输出的硬件结构。输出要求三态。ADC芯片与微型机接口中的时序配合：时序配合主要有五点，而且应该熟练会读作为电子学语言的时序图，这对软件编程亦非常重要。ADC数据输入方式：微机在ADC转换结束后，读取转换数据的方式有延时等待、查询、中断及DMA方式。A/D的种类很多，根据转换原理可分为逐次比较式、双积分式、并行式、V/F式等。目前常用的A/D转换电路主要是逐次逼近式和双积分式。因为逐次比较式A/D在数据采集系统中应用最为广泛，它易于获得较高的转换速度、高分辨率及较高的精度，也易于和微机接口。且该系统的设计指标中要求精度为0.1℃，采用ADC0809来完成A/D转换部分完全可以达到设计要求。所以以下将介绍逐次逼近型A/D转换原理及ADC0809与单片机的接口电路。3.6.2逐次逼近式A/D转换原理逐次逼近式转换的基本原理是用一个计量单位使连续量整量化（简称量化），即用计量单位与连续量比较，把连续量变为计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分。这样所得到的整数量即数字量。显然，计量单位越小，量化误差也越小。可见，逐次逼近式的转换原理即“逐位比较”。一个N位的逐次逼近式A/D转换器结构如图3.8所示。图3.8逐次逼近A/D转换器原理图它由N位寄存器、N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲等五部分组成。当启动信号作用后，时钟信号先通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为1，以下各位为0，这个二进制代码经D/A转换器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半）送到比较器与输入的模拟电压UX比较。若UX>U0，则保留这一位；若UX<U0，则DN-1位置0。DN-1比较完毕后，再对下一位即DN-2位进行比较，控制电路使寄存器DN-2为1，其以下各位仍为0，然后再与上一次DN-1结果一起经D/A转换后再次送到比较器与UX相比较。如此一位一位的比较下去，直到最后一位D0比较完毕为止。最后，发出EOC信号表示转换结束。这样经过N次比较后，N位寄存器保留的状态就是转换后的数字量数据。ADC0809，它是一种逐次逼近式A/D转换器件，这种A/D器件采用对半搜索法进行逐次比较、逐次逼近的原理，完成一次转换需要100μS，整个转换过程是个试探过程。ADC0809是一种8路模拟输入，8位二进制数字输出的器件，其引脚功能简介如下：1．IN0—IN7：8路模拟量输入线，输入量范围0—5V。2．D0—D7：8位数据输出线，TTL电平，三态输出。3．ALE：地址锁存允许信号输入端。4．START：启动信号输入端。5．CLK：时钟信号输入端，频率范围为10—1200KHz。6．EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，转换结束为高电平。7：A、B、C：地址输入线，经译码后可选通通道IN0—IN7中的任意一个进行转换。实际使用时应注意这三条线与被选通通道的关系。8．：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。9．Vcc：电源+5V。10．GND：数字地。设计所使用的实验板上ADC0809与8031的接口方式如图3.9所示，它的地址范围是FEF8H—FEFFH。图3.9ADC0809与8031的接口电路示意图因为测温范围为500～800℃，所以热电偶、A/D转换器的输入、输出入表3.1所示。表3.1温度、电压和数字量之间的关系温度（℃）热电偶输出（mV）A/D转换器输入（V）A/D转换器输出（BCD码）2004006008003.7551.252.473.724.973.7显示部分原理数字化显示是智能仪器中不可缺少的部分，它使显示更加直观。本设计采用七段LED作为显示器，它是单片机应用最简单，最方便的输出设备。它有共阳，共阴两种。有两种显示方式：即静态和动态。静态显示占用系统资源较多，且硬件连接比较复杂。所以本系统采用动态显示。动态显示适合多位显示，硬件电路大大简化，成本降低。它将所有段选位的段选码连接在一个I/O口上，而共阴（共阳）极分别由相应的I/O口线控制，其中一个口控制段选码，一个口控制位选码。因为在一瞬间，八位LED只能显示相同的字符，所以要显示不同的字符，则必须扫描显示。这种方式是利用人的视觉上的暂留效果，将要显示的字符在瞬间显示，并延时，轮流把不同的段选码送入显示器，与此同时，相应的位选码也送入显示器则实现了LED的动态显示。本系统采用硬件实验板，其段选和位选端口地址分别为8FFFH，9FFFH。调试中要注意段码表的设计、查表指令的用法，延时时间要合适。3.8键盘部分的应用3.8.1键盘的工作原理键盘是最简单的输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。非编码键盘按照与主机连接方式的不同，分为独立式和矩阵式。前者的特点是一键一线，结构简单，适合于小型键盘；后者将检测线分为行线与列线，每个键有对应的键值，按键数目大于8时，大都采用矩阵式键盘。键盘的工作原理说明如下：判别键盘上有无闭合键：扫描口列线输出全“0”，读行线状态，若行线全为“1”（键盘上行线全为高电平），则键盘上没有闭合键，若行线不全为“1”，则有键处于闭合状态。去除键抖动：判断出键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判别键盘状态，若仍有键闭合，则确实有键按下。判别闭合键键号：对键盘列线进行扫描，扫描口列线依次只有一位保持低电平，相应的依次读行线的状态，若行线全为“1”，则列线为“0”的这一列上没有键闭合。闭合键的键号等于低电平的列号加上低电平的行的首键号。使CPU对键的一次闭合仅作一次处理：即等待闭合键释放以后再作处理。该系统采用了实验中只使用了四个键，即增加键、减少键、清零键及测试键。所以设计时采用的是独立式键盘。但在具体调试是由于有现成的实验板，所以用的是4*4矩阵式键盘。3.8.2矩阵式按键接口在单片机系统中需要安排较多的按键时，通常把键排列成矩阵形式，这样可以节省硬件资源。如对于20只按键接口。用独立按键方式，需用20个I/O端口。用矩阵式按键方式，用9个I/O端口。图3.10为采用1个74LS244和一个74LS273组成的20只按键接口电路。单片机系统中的非编码式键盘程序主要由以下几部分实现。图3.1020只矩阵形式按键接口电路①判别是否有键按下子程序该电路通过向所有行线（端口2）发出低电平信号，如果该行线所连接的键没有按下的话，则从列线所接的端口3得到的是全“1”信号，如果有键按下的话，则得到非全“1”信号。下列程序为判别是否有键按下子程序，A寄存器内容不为0有键按下。KS:MOVDPTR，#9FFFH；判别键按下子程序A不为0有键按下MOVA，#00MOVX@DPTR，A；关显示MOVDPTR，#8FFFHMOVA，#00HMOVX@DPTR，A；向所有行线发出低电平信号MOVDPTR，#0BFFFHMOVXA，@DPTR；输入列线信号CPLAANLA,#0FHRET②键的识别子程序如果有键按下，还需判别具体的键值。具体方法是采用逐行输出低电平，输入列线信号，判断端口3是否得到全“1”信号，如果得到非全“1”信号，则表明找到键。采用特征码寻找键值。下列程序为判别键值子程序。位地址00H=0，表示没有找到键值，位地址00H=1，表示找到键值，键值在R3寄存器中K2:MOVR3，#0F7H；键识别子程序MOVR4，#00HKEY:MOVDPTR，#8FFFH;MOVA，R3；使某行为0MOVX@DPTR，AMOVDPTR，#0BFFFHMOVXA，@DPTR；输入列线信号ANLA，#0FHCJNEA，#0FH，KN1；判断端口3是否得到全“1”信号MOVA，R3RLAMOVR3，A；扫描下一行CJNEA，#0FEH，KEYCLR00HRETKN1:XCHA，03H；得到非全“1”信号，则表明找到键ANLA，#0F0HADDA，R3；形成特征码MOVR2，AMOVR3，#0LKP:MOVDPTR，#TGMOVA，R3MOVCA，@A+DPTR；取某键的特征码CJNEA，02H，NEXT；与形成特征码比较SETB00H；找到键值，在R3寄存器中MOVA，R3RETNEXT:INCR3MOVA，R3CJNEA，#14，LKPCLR00HRETTG:DB0FEH，0FDH，0FBH，0F7H；特征码DB0EEH，0EDH，0EBH，0E7HDB0DEH，0DDH，0DBH，0D7HDB0BEH，0BDH，0BBH，0B7HDB7EH，7DH，7BH，77H③找到闭合键后，读入相应的键值，再转至相应的键处理程序。可以利用键的散转程序实现相应的键处理程序。键的转移首地址在DPTR中。常用的程序段如下：MOVDPTR，#TBBMOVA，R3；取键值RLAJMP@A+DPTRTBB：AJMPKK1AJMPKK2……AJMPKK203.8.3键盘、显示器组合接口1、硬件电路图3.11是一个采用两片74LS273和一片74LS244扩展口构成的键盘、显示器组合接口电路。图中设置了20个键。8位LED显示器采用共阴极数码管。段选码由端口1提供，位选码由端口2提供。键盘的列输入由端口3提供，行输出端口与显示器的位选输入公用，行输出由Q0-Q4提供。显然，因为键盘与显示器公用了端口2，比单独接口节省了一个I/O口。2．软件设计LED采用动态显示、软件译码，键盘采用逐列扫描查询工作方式。由于键盘与显示做成一个接口电路，因此在软件中合并考虑键盘查询与动态显示，键盘消抖的延时子程序可用显示子程序替代。下列程序的显示缓存区的内RAM地址为70H—77H。MAIN:MOV70H，#0；显示缓存区清0MOV71H，#0图3.11键盘、显示器组合接口电路MOV72H，#0MOV73H，#0MOV74H，#0H888MOV75H，#2MOV76H，#0MOV77H，#0MOV78H，#70H；显示缓存地址MOV79H，#0FEH；显示缓存位地址MOV20H，#00KK:LCALLDIR；调用显示子程序LCALLKS；调用判别是否有键按下子程序JZKK；没有有键按下转到KK处ACALLK2；调用键识别子程序JNB00H，KK；判别是否找到键值MOVA，R3；键散转处理RLACLR00HMOVDPTR，#TBBJMP@A+DPTRTBB:AJMPKW1；转到键1处理程序AJMPKW2；转到键2处理程序AJMPKW3；转到键3处理程序………………AJMPKW20；转到键20处理程序KW1：……；键1处理程序AJMPKKKW2：……；键2处理程序AJMPKKKW3：……；键3处理程序AJMPKK……KW20：……；键20处理程序AJMPKK第四章控制软件及流程该系统的整个程序分为初始化，显示，键盘扫描与处理，A/D转换以及控制程序。4.1键盘、显示及A/D转换测试系统上电复位后，程序从0000H开始执行，首先进入系统初始化，即设置堆栈指针，初始化RAM单元和通道地址等。在键扫描与处理子程序中，程序首先判断是否有键闭合，若有立即计算键号，并按键号转入执行的相应键处理程序。键处理程序完成启动测量和参数设置等功能。键扫描程序框图如图4.1所示，显示子程序如图4.2所示。图4.1键扫描程序流程图图4.2显示子程序流程图A/D转换子程序采用的是延时的方式。因为这种方式可靠性高且不占用查询端口。在应用这种方式时，为了保险起见，通常延时时间应略大于A/D转换所需要的时间，例如，当时中频率取640KHZ时，转换一次约需100us时间，此时延时时间应取约120us。因为该温度检测的测量范围为500～800℃，且铂铑—铂热电偶mV信号和温度之间呈非线性关系，因此在标度变换时必须考虑采样数据的线性化处理。该系统的线性化采用折线近似的方法，把热电偶0～800℃范围内的热电特性分成5段折线进行处理，这5段分别为0～200℃，200～350℃，350～500℃，500～650℃，650～800℃。处理后的最大误差在系统设计精度范围内。标度变换公式为式中，分别为某折线段A/D转换结果和相应的被测量温度值；Nmin，Nmax分别为该段A/D转换结果的初值和终值；Tmin，Tmax分别为该段温度的初值和终值；程序流程图如图4.3所示图4.3线性化处理子程序4.2控制程序该温度测量系统应用了现在家用电器广泛采用的一种控制原理——模糊控制原理。本系统中，热电偶用于测加热炉中的温度，刚开始通电一段时间，由于炉体大量吸收热量，开始一段时间炉内温度上升很慢，之后炉内温度才按指数规律上升。在加热到所要达到的温度时，刚通电的开始这段时间可以近似看作纯滞后时间。4.2.1控制程序原理模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。这种方法是一种非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果。解决了一些用传统控制方法无法解决的推理和归纳过程。在模糊控制中，要对模糊量进行处理。它处理的不是精确的数值，而是“大”、“中”，“小”等这样一些边界不明显的模糊量。这是模糊控制与其它控制方法的一个基本不同点。模糊控制的基本原理可概括为以下四个步骤：根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择系统得输入变量。将输入变量的精确值变为模糊量。根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算模糊量。由上述得到的控制量计算精确的控制量。通常使用的变量形式用N(Negative)P(Positive)L(Large)S(Small)0(Zero)等组合来表示。模糊控制器的设计基本方法为：确定模糊控制器的输入变量与输出变量。设计模糊控制器的控制规则。确定模糊化与非模糊化的方法。选择模糊控制器的输入变量和输出变量的泛域并确定模糊控制器的参数。（量化因子，比例因子）编制模糊控制算法的应用程序。系统一般都采用二维模糊控制。以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的变化为输出量。模糊规则的设计一般包括：选择描述输入输出的词集，定义一个模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。输入输出变量词集一般为{Nl,Nm,Ns,No,Po,Ps,Pm,Pl}。定义模糊变量的模糊子集就是要确定模糊子集隶属函数的形状。一般用正态分布。在精确要求不很高时，可采用梯形分布。控制规则可用条件语句描述，即ifAandBthenC等，然后建立控制规则表。模糊化就是把精确量转为模糊量，可采用公式：Y=12[x（a+b）/2]/（b-a）精确量实际变化范围为[a，b]。模糊控制的输出量是一个模糊量，它不能直接控制被控对象，需要将其转化为精确量。此过程亦称清晰化、判决。方法有三种：选取最大隶属度法。该法简单易行，但利用信息少。取中位法。加权平均判决法，该法利用信息多，计算量大。设计模糊控制器时，合理选择输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子也是非常重要的。须考虑所用计算机的字长，输入输出接口中D/A，A/D转换的精度和范围。比例因子过小会使系统动态响应过程变长，比例因子过大会导致系统振荡。模糊算法的实现，一般二维模糊控制器的控制算法可写成：ifE=AiandC=BichenU=Cij(i=1,2,3,……,m;j=1,2,3,……,n)。根据采样得到的误差，误差变化，可计算出相应的控制量变化，对所有A，B中的元素的所有组合全部算出相应的控制量变化值，可写成矩阵（Uij）n×m一般将矩阵制成表，称为查询表，可将其存于内存中。实时控制中，根据模糊量化后的误差值及误差变化值直接查表，再乘比例因子即可作为输出与控制被控对象。4.2.2模糊控制在该系统中的实现本系统采用目前广泛采用的二维模糊控制器。控制系统的系统框图如图4.4所示。图4.4模糊控制系统框图设模糊变量为：A：e——温度误差B：Δe——温度误差变化C：c——输出量，模糊变量词集：选择e的词集为{负，零，正小，正，正大}；选择Δe的词集为{负大，负，负小，零，正小，正，正大}；选择c的词集为{零，正小，正中，正大}。一、精确量的模糊化——求各词集的隶属函数1.差模糊子集的隶属函数可将误差e泛域划分为6档，令e0=0，e1=1，e2=2，e3=3，e4=4，e5=5，即通过统计可得模糊变量e的赋值表如表4.1所示。表4.1模糊变量e赋值表量化等级eu量化域NPOPSPPL0－∞＜e≤01.0000010＜e≤101.00.60021＜e≤200.81.00.4032＜e≤300.643＜e≤400.854＜e≤＋∞0000.81.0表4.1的含义为：若误差e为-<e≤0，则认为误差为N（负）的程序为1、0，而属于Po（正零），Ps（正小），P（正），Pl（正大）的程序为零。同理可知其它行的含义。2.误差变化模糊子集的隶属函数设误差变化泛域划分为7档{-3，-2，-1，0，1，2，3}。通过统计可得模糊变量Δe的赋值如表4.2所示。3.输出量模糊子集的隶属函数设输出量量化泛域为6档{0，1，2，3，4，5}，通过统计，输出变量C的赋值表如表4.3所示。二、模糊控制规则本系统采用了IfAiandBithenCi为模糊规则。其中Ai：误差子集；Bi：误差变化模糊子集；Ci：输出量模糊子集。模糊关系R采用R=Ai×Bi（4-1）模糊推理采用Ci=(×Bi)·R(4-2)利用式（4-1）和式（4-2）可求出模糊规则。此规则一般用表格表示，如表4.4所示。表4.2模糊变量Δe的赋值表量化等级eu量化域NNLNS0PSPPPL-3－∞＜Δe≤－31.00.60.400000-2-3＜Δe≤-10.81.00.600000-1-1＜Δe≤01.000000Δe＝00001.0000+10＜Δe≤1000001.00.80.6+21＜Δe≤3000000.41.00.8+33＜Δe≤＋∞0000000.61.0三、模糊判决本系统采用加权平均法求得输出精确量U的值：U=取Ki=μ(Ci)则U=表4.3输出变量C赋值表BCAiNLNMNS0N0000P0000PSPS00PSPMPM0PSPMPMPBPSPSPMPMBCAiNLNMNS0PSPMPLN0000PSPMPMP0000PSPMPMPMPS00PSPMPMPMPLPM0PSPMPMPMPLPLPBPSPSPMPMPLPLPL表4.4模糊控制规则四、模糊控制在8031单片机上实现本软件主要包括主程序，定时子程序，误差加权子程序，误差变化子程序，模糊决策子程序，函数子程序，模糊关系R表等。程序框图如图4.5所示。其基本思想是，将利用A/D转换输入端采样到的电压值和利用实际温度通过查表得到的A/D转换值进行比较，求出其差值。然后利用该差值的变化范围在模糊控制延时表中查出相应的延时值，使双向可控硅达到设定的导通，并通过改变导通角来改变电压，从而使实际温度与设定温度相同。开始定时器初始化开始定时器初始化开系统中断允许定时器中断断采样时间到？A/D转换A/D结果处理模糊化子程序推理子程序决策子程序输出控制量图4.5主程序框图总结本系统成功地完成了对恒温箱的温度检测及控制，并达到了所要求的系统技术指标。现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输{通信技术}和信息处理（计算机技术），它们在信息系统中分别起到了“感官”，“神经”和“大脑”的作用。因此传感器属于信息技术的前沿尖端产品，其重要作用就如同人体的五官。温度传感器在工农业生产、科学研究和生活领域获得了广泛应用，其数量居传感器之首。进入21世纪之后，智能温度传感器正朝着高精度，多功能，总线标准化，高可靠性及安全性，开发虚拟传感器和网络传感器，研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。所以，随着科学技术水平的不断提高，该检测系统无论从精度还是从性能上都将得到更好的完善。致谢大学四年如白驹过隙，匆匆而过，在这里，我学到了很多东西，不只是书本上宝贵的知识，还有很多做人的道理。在这次毕业设计中，我得到了冯涛老师的悉心帮助和教导，并为我的论文提出了许多宝贵的建议，使我受益匪浅。冯老师在百忙之中抽出时间来帮助我查资料，修改论文，解决问题使得论文进展的非常顺利，再次向冯大学生活即将结束了，在这段难忘的学习和生活过程中，我接受了许多老师的悉心教育和同学的极大帮助。我所取得的成绩都与老师的教诲和同学们的帮助是分不开的，在此对所有曾经给予我关心和帮助的老师和同学们以及参考文献的作者表示感谢。最后，衷心地感谢各位专家在百忙之中参加我论文的评审工作！参考文献[1]李海青.智能型检测仪表及控制装置.化学工业出版社，1990[2]陈光东.单片微型计算机原理与接口技术.华中理工大学出版社，1999[3]余永权.单片机应用系统的功率接口技术.兵器工业出版社，1998[4]王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京航空航天大学出版社，1999[5]王凤鸣.非电量检测技术.国防工业出版社，1995[6]余永权.模糊控制技术与模糊家用电器，2000[7]王金凤.单片机实用系统设计技术.国防工业出版社，1999[8]黄英.单片机在控制系统中的应用.电子工业出版社，2003[9]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社，1993[10]赵茂泰.智能仪器原理及应用.电子工业出版社，1997[11]纪宗南.单片机外围器件使用手册输入通道器件分册.北京航空航天大学出版社，1998[12]王幸之.8051/8098单片机原理及接口技术.兵器工业出版社，1998[13](美)伯格丁(BogatinE.)李玉山等.信号完整性分析.电子工业出版社,2005[14](美)PhillipE.AllenDouglasR.Holberg.CMOS模拟集成电路设计(第二版).电子工业出版社,2005[15](美)HowardJohnsonMartinGraha.国外电子与通信教材系列.电子工业出版社,2005[16]顾海洲/马双武.PCB电磁兼容技术--设计实践.清华大学出版社,2004[17](美）尾形克彦著.现代控制工程（第四版）.电子工业出版社,2003[18]PaulR.Gray.模拟集成电路的分析与设计（第4版）（影印版）.高等教育出版社,2003基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统HYPERLINK