多路溫度采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計方案與實現(xiàn)

1、目錄第一章多路溫度采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計要求與設(shè)計方案 31.1系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求 131.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計3第二章主控模塊的設(shè)計 62.1 8051單片機的特點及引腳62.2 8051芯片的引腳62.3 8051單片機的擴展及系統(tǒng)電路 8第三章信號輸入通道與信號采樣模塊的設(shè)計 113.1 A/D芯片的選用及說明113.2信號采樣模塊的電路設(shè)計 15第四章顯示系統(tǒng)、報警系統(tǒng)及鍵盤控制 204.1顯示系統(tǒng)的設(shè)計204.2報警系統(tǒng)的設(shè)計 234.3鍵盤控制的設(shè)計25第五章系統(tǒng)的電源設(shè)計 265.1電源系統(tǒng)的組成265.2電源設(shè)計原理265.3電路27第六章系統(tǒng)軟件設(shè)計 286.1 主控模塊的程序設(shè)

2、計 286.2 LED顯示程序設(shè)計326.3報警系統(tǒng)的程序設(shè)計33結(jié)論 36致謝 37參考文獻 39附錄1:程序清單39摘要基于51單片機的車用數(shù)字溫度儀表設(shè)計與實現(xiàn) 眾所周知，車輛儀表作為駕駛員 與汽車進行信息交流的重要接口和平臺，是車輛安全行駛的重要保證。隨著電子技術(shù) 的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)汽車儀表逐漸被微處理器為核心的電子控制數(shù)字儀表取代已成為必 然趨勢。然而，目前國內(nèi)車輛儀表數(shù)字化水平還不高，絕大部分儀表還是模擬式的， 而大多數(shù)模擬儀表表頭的體積較大、數(shù)量多，使得顯示系統(tǒng)擁擠不堪，影響美觀；另 外一些模擬儀表故障率高，增加了用戶的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，減小了車輛行使的安全系數(shù)。為克服這些缺點，文中提出用

3、 51單片機、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADC0809及霍爾開關(guān)及 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20等對其進行技術(shù)改進，設(shè)計并實現(xiàn)了新型全數(shù)字儀表系 統(tǒng)，該儀表系統(tǒng)有顯示直觀準(zhǔn)確、靈敏度高、使用壽命長、靈巧美觀、成本低等優(yōu)點。 本文設(shè)計是以MCS-51單片機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，通過熱電阻變送器對熱電阻隨溫度的變化 而得到的模擬信號進行采集，連接多路模擬開關(guān)實現(xiàn)多路模擬信號的采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號按照順序分別送入單片機或 把指定的那路信號送入單片機，通過單片機進行控制操作，通過對單片機的數(shù)據(jù)存儲 器的擴展和程序存儲器的擴展來提高片內(nèi)存儲器數(shù)據(jù)存儲器的容量，以便于在單片

4、機 的應(yīng)用中滿足單片機在定時器、中斷、串行口等方面的要求；本設(shè)計是通過LED來實現(xiàn)單片機的現(xiàn)實系統(tǒng)的，通過單片機對多路模擬開關(guān)的控制進行多選一，把其中一路 的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，在通過單片機把采集到的信號送到LED電路當(dāng)中進行顯示，此設(shè)計中LED顯示使用的串行接口來顯示的，它是通過人的視覺斬留特性，只 觀賞感覺是連續(xù)點亮的；本文通過單片機報警系統(tǒng)來實現(xiàn)熱電阻傳感器隨測量的溫度 范圍200700攝氏度，若超出這個溫度范圍則報警。以單片機為核心完成溫度巡測、 數(shù)據(jù)處理顯示及上下限報警功能。關(guān)鍵字：A/D轉(zhuǎn)換器，DBV熱電阻變送器，單片機，LED報警器ABSTRACTIt is based

5、on MCS-51 one-chip computer system for this text not to design, is it gather to go on through thermal resistance changer to analog signal that thermal resistance receive with change of temperature, join many way analog switch realize many way collection of an alog sig nal , is it count through A/D c

6、onv erter to an alog sig nal mould cha nge to go on. Send digital signal received to change according to order into one-chip computer or designated those dista nce sig nal send into the on e-chip computer separately, carry on con trol operati on through on e-chip computer , is it improve scenes of m

7、emory storing device to come through data expansion and expansion , procedure of memory of memory in on e-chip computer. Capacity of the data memory ,So that the dema nd in meeting the one-chip computer in the timer , cuts off , the serial mouth in the application of the on e-chip computer etc.; Is

8、it is it realize realistic system of on e-chip computer to come through LED , is it select for one more through one-chip computer control on analog switch of many ways to go on to design origi nally, un dergo conversion , A/D of con verter among them one No. of sig nals , send through on e-chip comp

9、uter sig nal got to gather LED show among the circuit, desig n this LED serial in terface used to show is it show to come, it to cut characteristic of staying through vision of people, only view and admire and feel and light in succession ; This text realizes 200700 degrees Centigrade of temperature

10、 ranges that the thermal resista nce sen sor measure at the same time through the warni ng system of the on e-chip computer, if bey ond the scope of this temperature to report to the police. Regard on e-chip computer as the core and finish temperature and patrol exam ining , data process ing . Show

11、and the warning function of upper and lower limits.KEY WORDS: A/D con verter, DBW thermal resista nce cha nger , an on e-chip computer, LED, an alarm單片機以其體積小、功能齊全、價格低廉、可靠性高等待點，在各個領(lǐng)域獲得了 廣泛的應(yīng)用，特別在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、產(chǎn)品自動化、分布式控制系統(tǒng)中部 已取得了可喜的成果。單片機已經(jīng)成為衡量工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一，是產(chǎn)品更新?lián)Q 代、發(fā)展新技術(shù)、改造老產(chǎn)品的主要手段。目前，在眾多的單片機產(chǎn)品中，MCS 51

12、系列、PIC系列及MCS96系列單片機是我國單片機應(yīng)用的主流機種。大家知道，在單片機系統(tǒng)設(shè)計中，程序設(shè)計是非常重要的一環(huán)，它的質(zhì)量直接影 響到整個系統(tǒng)的性能。用匯編語言進行程序設(shè)計的過程和用高級語言設(shè)計程序有相似 之處，其設(shè)計過程大致可以分為以下幾個步驟：1明確課題對程序功能、運算精度、執(zhí)行速度等方面的要求及硬件條件。2把復(fù)雜問題分解為若干個模塊，確定各模塊的處理方法，畫出程序流程圖。如果各模塊仍較為復(fù)雜，還應(yīng)分別畫出分模塊流程圖和總的流程圖。3 正確分配存儲器資源，如各程序段的存放地址、數(shù)據(jù)區(qū)地址、工作單元分配 等。4根據(jù)流程圖精心組合合適的指令和編制源程序。數(shù)據(jù)采集是單片機的一個重要應(yīng)用，

13、同時它也是單片機和傳感器的重要接口。在 實際應(yīng)用中，單片機的數(shù)據(jù)采集信號類型有以下幾種：一種是模擬的電壓信號和電流 信號，另一種就是數(shù)字信號，例如PWM信號和串行通信信號。一般的單片機就是通過 A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對外部電壓信號的采集，利用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片和A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對電流 信號的檢測，通過脈沖計數(shù)和串行通信處理數(shù)字信號。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍.最重要的操作參數(shù)之一。溫度檢測和溫度控制都直 接與安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量.、生產(chǎn)效率、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)相聯(lián)系。單片機以其體積小、性能價格比高、指令豐富、提供多種外圍接口部件、控制靈 活等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種家電產(chǎn)品自動化儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)和過

14、程控制系統(tǒng)中， 在溫度控制領(lǐng)域和溫度檢測的應(yīng)用也十分廣泛。溫度采集即溫度檢測通過溫度檢測元件隨溫度的變化而進行數(shù)據(jù)采集的，按檢測 元件份溫度傳感器：1、熱電阻溫度傳感器；2熱電偶傳感器；3、熱敏電阻傳感器。 本文采用的是熱電阻傳感器。單片機的顯示系統(tǒng)和單片機的輸入部分是單片機的外圍電路，同時它是人機交流 的重要的接口。在實際應(yīng)用中，單片機系統(tǒng)都會有輸入和顯示部分。其中輸入主要是 按鍵、鍵盤等提供給使用者進行狀態(tài)和參數(shù)輸入的器件。該器件將通過按鍵或者鍵盤 將操作狀態(tài)和參數(shù)變成單片機能夠識別的電信號輸入到單片機；另一方面，單片機通 過輸出設(shè)備，例如數(shù)碼管、液晶和微型打印機等。本文是基于單片機的多路

15、溫度采集和顯示系統(tǒng)，即單片機控制的溫度采集及其顯 示，溫度傳感器采用電阻元件熱電阻隨溫度的變化而采集到的信號，用LED顯示其結(jié)果：有鉑熱電阻溫度計 PtIOO感受的溫度，經(jīng)測溫電橋變成電信號，再經(jīng)放大器放大 及非線性補償器，把非線形電信號轉(zhuǎn)變成線性電信號，它和多路選擇電信號，同時進 入選擇開關(guān)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器可分別在數(shù)碼顯示器顯示測量溫度或設(shè)定溫度值。第一章多路溫度采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計要求與設(shè)計方案1.1系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求本設(shè)計要求利用單片機對8路熱電阻溫度信號進行采集和顯示。熟悉單片機在溫 度巡回檢測儀表中的應(yīng)用。掌握單片機系統(tǒng)的設(shè)計方法。本設(shè)計要求采用逐漸逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器來進行對信號

16、的采集轉(zhuǎn)換，并通過 LED來 實現(xiàn)溫度采集的顯示，設(shè)計是通過8個熱電阻來進行溫度采集的，要求溫度范圍在200700攝氏度。要求能夠?qū)崿F(xiàn)巡回顯示和指定顯示， 通過完成本次設(shè)計來加深對單片 機系統(tǒng)的掌握和了解。1. 21.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一般過程如圖1-1所示開始r明確任務(wù)"劃分功能模塊r確定輸入輸出選單片機型號劃分軟硬件功能硬件設(shè)計軟件設(shè)計*仿真調(diào)試安裝統(tǒng)調(diào)I交付使用產(chǎn)品化圖1-1單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般過程1. 確定總體設(shè)計方案根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)、任務(wù)，確定總體方案。（1）明確應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)、任務(wù)系統(tǒng)外圍設(shè)備：單片機的 ROM、RAM的擴展，ADC0809的數(shù)模轉(zhuǎn)

17、換，鍵盤 的指定顯示，LED的串行顯示，報警系統(tǒng)。（2）確定參數(shù)與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換和方法單片機只能接收、處理、輸出數(shù)字信號，所以必須進行信號轉(zhuǎn)換，本設(shè)計是經(jīng)過 數(shù)模轉(zhuǎn)換后驅(qū)動的。（3）機型選擇根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜程度來選擇 4位、8位還是16位機，根據(jù)場合、精度要 求等確定使用那種類型，選擇機型一般為市場流行的，也考慮經(jīng)濟因素。本設(shè)計 機型選用的是MCS-51單片機及其數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的擴展。（4）劃分硬件和軟件的功能本設(shè)計中，熱電阻的溫度采集和熱電阻變送器輸出的電壓信號15v是直接用電路實現(xiàn)的，鍵盤的指定顯示、LED的顯示、報警系統(tǒng)、主控模塊系統(tǒng)既需要硬 件電路，也需要軟件來實現(xiàn)。2. 硬

18、件設(shè)計硬件設(shè)計的具體步驟：輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)的傳送方式為中斷方式，查詢方式。 本系統(tǒng)的主要電路是小規(guī)模的擴展系統(tǒng)資源分配：輸入信號使用的是ADC0809的輸入端口，單片機使用的是P0并行口; 輸出信號用的是P1 口。3. 軟件設(shè)計軟件設(shè)計程序墳主控制模塊、顯示模塊、報警模塊等，其程序見各章。4. 仿真調(diào)試一個應(yīng)用系統(tǒng)并非一次就可以正確無誤的設(shè)計出來，尤其是涉及的程序，必須 經(jīng)過多次調(diào)試才能保證卻砸無誤地工作。先安裝部分硬件，在專用的仿真器或開發(fā)試 驗臺上進行調(diào)試。5. 安裝統(tǒng)調(diào) 在線仿真調(diào)試確認(rèn)軟、硬件設(shè)計無誤，達到要求后，就可以進行安轉(zhuǎn)統(tǒng)調(diào)，包括 固化程序、電路板制作、元件線路焊接、安裝、整

19、機統(tǒng)調(diào)。所謂統(tǒng)調(diào)就是對整個 系統(tǒng)地個元件的參數(shù)進行統(tǒng)一調(diào)整。6. 投入使用和產(chǎn)品化第二章主控模塊的設(shè)計2.1 8051單片機的特點及引腳要學(xué)習(xí)單片機，首先要對它的部件組成有一個整體概念。 美國的In tel公司人1980 年推出了 MCs 53系列（以F簡稱8051單片機）高檔8位單片機。8051系列單片機的基 本產(chǎn)品有8051、8031、8751、8951。8051單片機的片內(nèi)程序存儲器是掩膜型的， 8031 單片機無片內(nèi)程序行儲器，8751單片機的片內(nèi)程序存儲器是 EPROM型的，8951單片 機片內(nèi)程序存儲器是FLASH型的。805l系列單片機是HMos工藝的，其硬件結(jié)構(gòu)如下。1.8 位

20、 CPU8051系列單片機都是8位機，數(shù)據(jù)線是8位的。2. 輸入/輸出線8051單片機的I/O線有32根，即4個并行接口，P0、P1、P2、P3其中一個有兩 個I/O線構(gòu)成的全雙工的串行口。3. 存儲器805l系列單片機都有128kB或者256kB片內(nèi)RAM，4Kb或者8kB片內(nèi)ROM。外 部存儲器可以尋址 ROM空間為64kB，RAM空間為64kB。4. 定時/計數(shù)器8051系列單片機具有兩個16位的定時/計數(shù)器，可以通過編程實現(xiàn)4種工作模式。5. 中斷源8051單片機有5個中斷源，分為兩個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可以編程的。6. 布爾處理器805l系列單片機的布爾處理器是一個完整的一位

21、微控制器。8051單片機的8位機硬件資源和一位機的硬件資源是復(fù)合在一起的。2.2 8051芯片的引腳8051系列單片機有40引腳雙列直插封裝的， 也有44引腳PLcc方形封裝工藝的。 在8051系列單片機的40個引腳中，2個引腳是芯片主電源的引腳，2個引腳是外 接晶振的引腳，4個引腳是控制用引腳，剩下32個引腳是32條輸入/輸出線的引腳。1. 芯片主電源引腳第40引腳是Vcc引腳，接電源的+5v電壓為彈片機芯片提供電能。第20引腳是Vss引腳，接地。2. 晶振引腳第19引腳是晶振引腳XTAL1，它接單片機內(nèi)部一個反相放大器的輸入瑞 *該放大 器構(gòu)成片內(nèi)振蕩器。第18引腳是晶振引腳XTAL2，它

22、按單片機內(nèi)部反相放大器的輸出 端。當(dāng)采用外部振蕩器時，XTAL1引腳接地，XTAL2引腳接外部振蕩器信號。3. 控制引腳控制引腳共有 4 個，分別是 RST/VPD、ALE /PROG、PSEN、EA/Vpp。復(fù)位引腳RST/VPD是第9腳，需要外接復(fù)位電路，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周 期的高電平就會使單片機復(fù)位。一般來說復(fù)位電路是在此引腳和Vss引腳之間加一個10k歐姆的電阻，在和 Vcc引腳之間加一個10pF的電容。復(fù)位引腳還有數(shù)據(jù)掉電保護作用，該引腳需接備用電源，芯片電源Vcc掉電并下降到規(guī)定購電壓后，該引腳就向內(nèi)部 RAM提供備用電源。地址鎖存使能引腳ALE /PR0G是第30引腳，當(dāng)訪

23、問外部器件時，ALE輸出用 于鎖存地址的低位字節(jié)。對于8751單片機，該引腳在編程時被用于編程脈沖的輸入端。PSEN是第29引腳，該引腳的輸出是外部程序存儲器的選通信號，輸出低電平有效。EA/Vpp引腳是第31引腳，該引腳主要是用于區(qū)分片內(nèi)外程序存儲器。EA/Vpp 為高平時，訪問的是片內(nèi)程序存儲器，如果地址范圍超出了片內(nèi)程序存儲器，則自動 轉(zhuǎn)到片外程序存儲器。EA/Vpp為低電平時，則訪問的是片外程序存儲器。4. 輸入/輸出引腳P0 口是第32引腳到第39引腳。P0 口是8位三態(tài)I/O 口，一般復(fù)用作地址數(shù) 據(jù)線，即數(shù)據(jù)線與地址線的低 8位復(fù)用。P1 口是第1引腳到第8引腳。P1 口是8位準(zhǔn)

24、 雙向口，其輸出沒有高阻態(tài)，輸入不能鎖存。對于8052，P1.0引腳還是T2定時器/計數(shù)器的輸入，P1.1是T2的外部控制端，P2 口是第21引腳到第28引腳o P2 口也是 8位準(zhǔn)雙向口。一般用作地址線的高 8位。P3 口是第10引腳到第17引腳。P3 口也是 8位難雙向口?？梢杂米髌胀↖/O 口，也可以夏用如下功能： P3.0作串行通信輸入口 RxD ; P3.1作串行通氣輸出口 TxD ; P3.2作外剖中斷0輸入； P3.3作外部中斷1輸入； P3.4作定時器o外部輸入； P3.5作定時器1外部輸入； P3.6作外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖： P3.7作外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖?？梢姡琍1 口只能

25、做I/O 口用，而其余3個口 P0、P1、P2即可以做普通的I/O 口用 可以用作特殊功能。4個接口的負(fù)載能力也不一樣，P1、P2、P3 口能驅(qū)動3個LS TTL 門，并且不需要外接電阻就能直接驅(qū)動 Mos電路，而P0 口能驅(qū)動8個LS TTL門，但 驅(qū)動MOS電路時若作為地址/數(shù)據(jù)總線，可以直接驅(qū)動，而作為I/O 口時需要外接上拉 電阻。2.3 8051單片機的擴展及系統(tǒng)電路由于單片機的輸入/輸出引腳有限，一般的，我們采用地址存儲器進行單片機系統(tǒng) 總線的擴展。常用的單片機地址鎖存器芯片有74LS373、8282、74LS273等。圖2-1所示為74LS373的引腳以及他們用作地止鎖存器的連接

26、方法。74LS373是 帶三態(tài)輸出的8位鎖存器。當(dāng)三態(tài)門為有效低電平，使能端 G為有效 高電平時，輸出跟隨輸入變化；當(dāng) G由高變低時，輸出端8位信息被鎖存，直到G端 再次有效為止。I M *M J R S t；> c c ciawIX爐1廠圖2-1 74LS373的引腳圖2-2 2764的各個功能引腳 在2764中主要有7種功能引腳：Vcc :電源電壓，+5v.GND:地。A0A12:地址線。D0D7 :數(shù)據(jù)線。0E:片輸出允許，連接單片機的讀信號線。CE:片選信號引腳，由地址線譯碼器或單線選通。Vpp :編程寫入電壓。圖2-3 6264的各個功能引腳6264是8k*8的SRAM芯片，在

27、6264中主要有6種功能引腳:WE:寫允許引腳，低電平有效。A0A12 :地址線。D0D7 :數(shù)據(jù)線。OE :片輸出允許，低電平有效。CS1:片選信號引腳，低電平有效。CS2:片選信號引腳，高電平有效。8051單片機與ADC0809、2764及6264的接線電路如圖2-4所示圖2-4主控制模塊電路第三章信號輸入通道與信號采樣模塊的設(shè)計3.1 A/D芯片的選用及說明A/D轉(zhuǎn)換器從原理上通常分為四類：計數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行A/D轉(zhuǎn)換器。計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，但轉(zhuǎn)換速度很慢，所以很少采用。雙積分 A/D轉(zhuǎn)換 器抗干擾能力強，轉(zhuǎn)換精度也很高，但速

28、度不夠理想。逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度也很高。并行 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且造價 高。因此，選用逐漸逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器。逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種采用對分搜索原理來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法，邏輯框圖如圖3-1所示。圖3-1逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯框圖有圖可以看出，逐漸逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，由N位寄存器、N位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器以及控制邏輯部分組成。其工作原理如下當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，首先使寄存器Dn-仁1,N位寄存器的數(shù)字量一方面作為輸出用，另一方面經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量Vc后，送到比較 器。在

29、比較器中與被轉(zhuǎn)換的模擬量 Vx進行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷。若Vx>=Vc,則保留這一位；若 VxvVc,則Dn-1=0.Dn-1位比較完后，再對下一位 Dn-2進行比較，使Dn-2=1,與上一位Dn-1位一起進入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后再進入比較器，與Vx進行比較，如此一位一位地繼續(xù)下去，直到最后一位D0比較完為止。此時， N位寄存器的數(shù)字量即為 Vx所對應(yīng)地數(shù)字量。3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1 轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分為絕對精度和相對精度。所謂絕對精度，是指對應(yīng)于一個給定的數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小優(yōu)實際模擬量輸入值和理論值之差 來度量。實際上，

30、對于同一個數(shù)字量，其模擬量輸入不是固定值得，而是一個范圍。產(chǎn)生已知數(shù)字量的模擬輸入值，定義為輸入范圍的中間值。例如，在理論上，5v模擬量輸入電壓應(yīng)產(chǎn)生12位數(shù)字量的一半，即1000 0000 000Q但實際上從4.997v都能產(chǎn) 生數(shù)字量1000 0000 000Q則絕對誤差為：(4.997+4.999)/2-5=-0.002=-2mV絕對誤差包括增益誤差，零點誤差和非線性誤差等。絕對誤差的測量應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn) 條件下進行。相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之筆，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對A/D轉(zhuǎn)換器也常用PPM或最低有效值得位數(shù)LSB來表示。1LSB=滿刻度值/2N2. 轉(zhuǎn)換時間A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所

31、需要的時間成為轉(zhuǎn)換時間。一般用的8位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為幾十至幾百微秒。3. 分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率高，轉(zhuǎn)換時對輸 入量微小變化的反映越靈敏。通常用數(shù)字量得位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為N,表示它可以對滿刻度的1/2n的變化量做出反應(yīng)。即：分辨率二滿刻度值/2N4. 電源靈敏度當(dāng)電源電壓變化時，將使 A/D轉(zhuǎn)換器的電源發(fā)生變化，這種變化的實際作用相當(dāng) 于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入量的變化，從而產(chǎn)生誤差。3.1.3 典型的A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809ADC0809時帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的 CMOS組件

32、。它是逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，可以和微機直接接口。七姐妹芯片是 ADC0808，可以互相替換。1. ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。由圖3-2可以看出，ADC0809有一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一 個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個 A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存 A/D轉(zhuǎn)換 完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。2. 引腳結(jié)構(gòu)ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。圖3-3ADC0809

33、引腳圖ST CLK1-IEOC0INI1N21N3L1N4INb 1LrXT8路A/D轉(zhuǎn)換器II-存譯器 地鎖與碼1 D21 D3I D41 )b1卜1 D7圖3-2 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)(1) IN0IN7:8條模擬量通道ADC 0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v,若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需 在輸入前增加采樣保持電路。(2) 地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE現(xiàn)為高電平時，地止鎖存與譯 碼器將ADDA、ADDB和ADDC三條地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量

34、 輸入。通道選擇如表3-1所示。ADDCADDBADDA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN300IN4101IN50IN6IN7表3-1被選通道和地址的關(guān)系(3) 數(shù)字量輸出及控制線：11條START為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)START上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時， 開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。EOC位轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng) EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE=O,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0位數(shù)字?jǐn)?shù)出線。(4) 電

35、源線及其他：5條CLOCK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必 須有外界提供，通常使用頻率為 500KHZ的時鐘信號。Vcc為+5V電源線。GND為地 線。Vref(+)和Vref(-)為參考電壓輸入，參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作 為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型去值：Vref(+)=+5v,Vref(-)=0v.3.2信號采樣模塊的電路設(shè)計熱電式傳感器是溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨 溫度變化而變化的特性來達到測量目的。本設(shè)計是用熱電阻傳感器來進行測量的，熱 電阻的特點是精度高，適用于測低溫。熱電阻的材料及工作原理雖然大多數(shù)金屬的

36、電阻值隨溫度變化而變化，然而并不是所有的金屬都能作為測 量溫度的熱電阻。作為測量溫度熱電阻的金屬材料應(yīng)具有如下特性：電阻溫度系數(shù)大, 電阻率要大，熱容量下；在整個測量范圍內(nèi)應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)；電阻與溫 度的關(guān)系最好近似于線性，或為平滑的曲線；并要求容易加工，復(fù)制性好，價格便宜。目前應(yīng)用最廣發(fā)的熱電阻材料試鉑和銅并且已做成標(biāo)準(zhǔn)測溫?zé)犭娮瑁驹O(shè)計選用 的是鉑電阻。鉑電阻的特點是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。鉑在氧化性氣氛中，甚至在高溫 下的物理、化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。因此鉑被公認(rèn)為是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電 阻作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計使用，也常被用在工業(yè)測量中。此外，還被廣乏地應(yīng)用于溫度 的基準(zhǔn)

37、、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。鉑電阻的阻值溫度之間的關(guān)系，在 0850攝氏度范圍內(nèi)可用下式表示，2Rt=Ro(1+At+Bt )(3-1)在-2000范圍內(nèi)用下式表示，Rt=Ro1+At+Bt 2+C(t-100)3(3-2)式中 Rt-溫度為t攝氏度時的鉑電阻的阻值；Ro-溫度為0時的鉑電阻值；A、B、C-常數(shù)，A=3.940*10-3/攝氏度B=-5.802*10-7/ 攝氏度C=-4.274*10- /攝氏度對滿足上訴關(guān)系的熱電阻，其溫度系數(shù)約為3.9*10-3/攝氏度。由式(3-1)、式(3-2)可見，電阻值與t及Ro有關(guān)，當(dāng)Ro值不同時，即使在同 樣的溫度下其Rt的值也不同。因此作為測量用熱電阻必須

38、規(guī)定 Ro值。根據(jù)國家從1988 年開始采用的IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑電阻Ro有100和50歐姆兩種，并將電阻值Rt與溫 度t的對應(yīng)關(guān)系列成表格，成為鉑電阻分度表，分度號分別為Pt100和Pt50。鉑電阻材料的純度通常用百度電阻比W(100)來表示，即W(100)=R100/Ro( 3-3)式中R100-水費點時的鉑電阻的電阻值；Ro-水冰點時的鉑電阻的電阻值。目前技術(shù)水平已達到 W(100)=1.3930,與之相應(yīng)的鉑純度為 99.9995%，工業(yè)用鉑 電阻純度 W(100)=1.3871.390.測量電路測量電路是通過DBW系列的熱電阻變送器來實現(xiàn)的。DBW系列熱電阻溫度變送器.概述DBW型熱

39、電阻溫度變送器是DD川系列電動單元組合儀表變送單元之一。它的作用是把測溫元件（熱電阻）所測得的溫度信號轉(zhuǎn)換成420mA（或15V）直流電流信號，供給記錄儀、溫度指示儀或調(diào)節(jié)器以組成檢測系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程實 現(xiàn)檢測或自動控制。.技術(shù)參數(shù)1輸入信號：測溫電阻所檢測的溫度變化電阻信號。2輸出信號：420mAD 或 15VDC3負(fù)載電阻：0300 Q4工作條件：環(huán)境溫度：0+50C相對濕度：w 85%工作振動：頻率w 25Hz全振幅w 0.1 mm周圍空氣中不應(yīng)含有對鉻、鎳鍍層，有色金屬及其合金起腐蝕作用的介質(zhì)5、電源電壓：24VD± 10%6功耗：2W7、重量:2 kg三.型號及規(guī)

40、格名稱型號測量元件測量范圍基本誤差DBV 1210Gcu50熱電阻DBV 1220Gcu100溫度區(qū)間在溫度變10C以上的任± 0.5%送器DBV1230G（Pt10）意溫度范圍DBV1240Gpt100由以上參數(shù)選擇DBW-1240G型號的熱電阻變送器。功能簡介：DBW型熱電阻溫度變送器是 DDZm型DBV熱電阻溫度變送器的改進型產(chǎn)品DBW型熱電阻溫度變送器與各種不同型號的熱電阻配套使用，將被測溫度線 性地轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號15V DC（或420mA DC，輸出供給指示。記錄儀, 摸擬電動調(diào)節(jié)器，可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器，分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)及工業(yè)過程控制機使用。特點:本儀表采可用三、四線制連接

41、方式，由于在電路設(shè)計上采用了高性能的功能模塊 結(jié)構(gòu)方式，使整機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，安裝調(diào)校簡單，維護工作量小。本設(shè) 計采用三線制連接方式。接線端子:接線端子圖圖3-3熱電阻變送器接線端子圖由于熱電阻變送器提供的是15V電壓，而ADC0809所需要的是05V電壓，所 以還需要加個減法電路即差值運算放大器來實現(xiàn)15V到05V的電壓轉(zhuǎn)換。圖3-4是一個集成放大器組成的基本差值運算電路，它的同向輸入端和反向輸入端 都接有輸入信號，理想情況下，li=O,U-=U+,于是可以列出11=12(Uii-U-)/R仁(UUo)/R2U+=Ui2*R4/(R3+R4)解得(3-4)Uo=Ui2*R4/(R3

42、+R4)* ( R1+R2)/R1-Uii*R2/R1當(dāng)外電路電阻滿足平衡對稱條件時 R仁R3,R2=R4時，式（3-4）可寫成(3-5)Uo=-R2/R1*(U 11-U12)圖3-4差值運算放大器式3-5表明輸出電壓與兩個輸入電壓的差值Uid=Ui1-Ui2成正比，電路實現(xiàn)了差值運算。差值運算防大器也成為差動運算放大器。U id稱為差模信號，At=Uo/U id=-R2/R1稱為電路的差模放大倍數(shù)。當(dāng)輸入電壓Ui1=Ui2時，輸出電壓Uo=0，把Uic=（ Ui1+Ui2）/2稱為共模信號，可見電路對功模信號無放大作用，共模放大倍數(shù)為零。熱電阻變送器與差值運算放大器的連接時，6號引腳接地，

43、5號引腳接Ui2,Ui1接+1V電壓。第四章 顯示系統(tǒng)、報警系統(tǒng)及鍵盤控制4.1顯示系統(tǒng)的設(shè)計顯示系統(tǒng)是單片機控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于顯示各種參數(shù)的值，以便 使現(xiàn)場工作人員能夠及時掌握生產(chǎn)過程。工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的顯示器件有 CRT、LED、LCD等。CRT不僅可以進行字符 顯示，而且可以進行畫面顯示，和計算機配合使用，可十分方便地實現(xiàn)生產(chǎn)過程的管 理和監(jiān)視。但由于CRT體積大，價格昂貴，所以只適用于大型微機控制系統(tǒng)。在中小 型的控制過程中，為了使工作人員能夠在現(xiàn)場直接看到生產(chǎn)情況和報警信號，經(jīng)常選 用LED和LCD作為顯示器件。LED和LCD都具有體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易 于匹

44、配，可靠性高和壽命高等優(yōu)點。LCD是一種功耗極低的顯示元件，在儀表和低功 耗應(yīng)用系統(tǒng)中的使用較多，而 LED成本低廉，培植靈活，多用于單片機控制系統(tǒng)中， 所以選用LED顯示。4.1.1 LED顯示器件的工作原理LED是一種電流發(fā)光器件它既可以工作在恒定電流狀態(tài)，又可以工作在脈沖電 流狀態(tài)。在平均電流相同的情況下，脈沖工作狀態(tài)可產(chǎn)生比直流工作狀態(tài)較強的亮度， 一般每秒鐘可導(dǎo)通100 500次，每次為幾個毫秒：LED有單個發(fā)光二極管、七段(或 八段兒ED顯示器和LED點陣顯示器等類型。發(fā)光顏色有紅、綠、黃等。 LLD顯示器 每段正常發(fā)光需直流電流1020mA,發(fā)光二極管發(fā)光時.其正向?qū)▔航禐?.

45、7v左右。七段LED顯示器是由7個LED按一定的圖形排列組成，如圖4-1(a)所示，七 段LED顯示器的各個二極管分別稱為 a b、c、d、e、f、g段，有些七段顯示器增加 一個dp段表示小數(shù)點，也稱為八段 LED顯示器。七段LED顯示器有兩種結(jié)構(gòu)：共陰極七段LED顯示器和共陽極七段LED顯示器， 如圖4-1(b)、(c)所示。所有二極管的陰極接在一起的稱為共陰極七段 LED顯示器；所 有二極管的陽極接在一起的稱為共陽極七段 LLD顯示器。共陽極七段LED顯示器工作時，二極管的公共陽極接向電平“ 1”各段的陰極接與共陽七段碼相對應(yīng)的電平。共 陰極七段LED顯示器工作時，其公共極接到低電平，各段

46、的陽級接與共陰七段碼相對 應(yīng)的電平。在實際應(yīng)用中，除公共極外，其他各極應(yīng)串接一個電阻后再接到相應(yīng)電平。電阻的作用是限制流過LED中的電流以(b)(c)圖4-1七段LED顯示器的結(jié)構(gòu)原理（a）典型的七段 LED器件（b）共陽極LED顯示器（c）共陰極LED顯示器保證在發(fā)光時二極管不因電流過大而被燒壞。將數(shù)碼管的引腳和單片機的數(shù)據(jù)輸出口相連，控制輸出的數(shù)據(jù)可以使數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字和字符，通常稱控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)為段選碼。7段LED段選碼如表4-1所示?？梢钥闯觯碴枠O和共陰極的段選碼互為補數(shù)。表4-17段LED段選碼顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼3FH

47、C0HC3EHC6H06HF9HD5EHAH5BHA4HE79H86H""34FHB0HF7TH8EH56DH92HU3EHC1H67DH82Hr31HCEHr07HF8HY6EH91H87FH80H8.FFH00H96FH90H“滅”00HFFHA77H88H7CH83H4.1.2 LED顯示電路設(shè)計LED的顯示份靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式在靜態(tài)顯示方式下，N塊顯示器件都處于選通狀態(tài)；每一塊顯示器件的段選線和 一個8位的并行口相連，只要控制顯示位的段選碼，就可顯示出相應(yīng)的字幅。由于顯 示器件由不同的I/O控制，所以靜態(tài)顯示方式中的每一位都可以獨立顯示， 在同一時刻 每一位

48、顯示的字符可以各不相同。LED動態(tài)顯示就是將所有顯示位的段選線并聯(lián)在一起，有一個 8位I/O 口控制, 而位選線則有其他的I/O 口控制，通過程序控制，不斷循環(huán)輸出相應(yīng)的段選碼和位選碼， 由于人的視覺暫留效應(yīng)，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。本設(shè)計選用的是串行口動態(tài)掃描顯示，其電路圖如4-2所示。+ 5VVccTKRXRETF3 2P3_ 3UcQ單片機97VccMR74LS1S4LED! LED 2 LED 3 LED4巫 iT1.T2T3+5v7415136Hr-1審行動態(tài)掃描電蹄圖4-2串行動態(tài)LED掃描電路圖4-2是電原理圖，采用 MCS-8051單片機，同時用廉價易得的 74LS164

49、和 74LS138作為擴展芯片。74LS164是一個8位串入并出的移位寄存器，其此處的功能 是將C2051串行通信口輸出的串行數(shù)據(jù)譯碼并在其并口線上輸出，從而驅(qū)動LED數(shù)碼管。74LS138是一個3-8譯碼器，它將單片機輸出的地址信號譯碼后動態(tài)驅(qū)動相應(yīng)的 LED。但74LS138電流驅(qū)動能力較小，為此，使用了未級驅(qū)動三極管2SA1015作為地址驅(qū)動。4.2報警系統(tǒng)的設(shè)計報警處理程序一般都需要根據(jù)系統(tǒng)的要求編寫，如有的報警系統(tǒng)要求能夠發(fā)出聲光 報警信號、記錄報警時間參數(shù)或進行自動處理等。雖然不同的系統(tǒng)的報警處理程序是 不一樣的，但報警程序的設(shè)計基本思想是相同的。報警程序主要有以下幾個步驟組成：（

50、1）采樣被測參數(shù)。（2）比較采樣值和給定的上下限。（3）根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。報警系統(tǒng)的電路圖如圖4-3所示。圖4-3報警系統(tǒng)的電路圖圖4-4報警程序流程圖報警處理程序，只有采樣值連續(xù)3次異常時，系統(tǒng)才進行報經(jīng)處理。報警程序 的設(shè)計思想是預(yù)設(shè)允許的連續(xù)異常的次數(shù) N，將采樣值和預(yù)先設(shè)定的報警值進行比較， 如果發(fā)現(xiàn)采樣值超過報警值，則判斷上一次采樣值 是否正常。如果正常，則重置允許 的連續(xù)不正常的次數(shù) N，并設(shè)置本次采樣不正常標(biāo)志，然后繼續(xù)采樣。如果上一次采 樣值不正常，則判斷是否連續(xù) N次采樣異常，不是則設(shè)置本次采樣不正常標(biāo)識以及計 算允許的連續(xù)異常次數(shù)，然后繼續(xù)采樣；否則發(fā)出執(zhí)行報

51、警處理程序。設(shè)上限報警值 存放在Amax單元，下限報警值存放在 Amin單元，采樣值存放在SAMP單元，允許 的連續(xù)異常次數(shù)存放在 NUM單元。FLAG為上次采樣異常標(biāo)志位，F(xiàn)LAG=O,上次采樣 正常；FLAG=1,上次采樣異常。報警程序流程框圖 4-4所示。報警是微機控制系統(tǒng)的一項重要功能，主要用于保證生產(chǎn)過程的正常運行和操作 者的生命安全。在生產(chǎn)過程中控制系統(tǒng)隨時檢測被控對象的一些重要參數(shù)，當(dāng)超出允 許范圍是，控制系統(tǒng)便會發(fā)出聲光報警信號，引起操作者的注意以便采取相應(yīng)的措施。 智能型的報警系統(tǒng)不僅能夠發(fā)出聲光報警信號，甚至可以實現(xiàn)簡單故障的自動處理。4.3鍵盤控制的設(shè)計鍵盤按結(jié)構(gòu)的不同可

52、分為獨立式按鍵和行列式鍵盤兩類，每類按譯碼方式的不同 又分為編碼式和非編碼式兩種。單片機中一般使用的都是用軟件來識別和產(chǎn)生鍵代碼 的非編碼鍵盤。行列式鍵盤的編碼方式由靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)接口主要由一個行編碼器和一個 列編碼器構(gòu)成；動態(tài)接口可采用計數(shù)器、譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。這兩種鍵盤由硬 件完成鍵的編碼任務(wù)。一般在小型儀器儀表和控制系統(tǒng)中，使用較多的是行列式和獨立式的非編碼鍵盤；如果系統(tǒng)要求實現(xiàn)多鍵同時按下的處理，則用非編碼獨立方式較為合適。本設(shè)計采用獨立式按鍵方式，主要通過 4個鍵，S1、S2、S3、S4來實現(xiàn)指定顯 示某一電路，當(dāng)S1斷開時，為巡回檢測電路，當(dāng) S1閉合時，指定顯示電路的

53、通道數(shù) 與S2、S3、S4的關(guān)系見下表4-2S4S3S2對應(yīng)通道 數(shù)000#0001#1010#2011#3100#4101#5110#6111#7表4-2鍵對應(yīng)的通道數(shù)“ 1'”表示鍵閉合“ 0”表示鍵斷開第五章系統(tǒng)的電源設(shè)計5.1電源系統(tǒng)的組成僅就單片機系統(tǒng)（最小系統(tǒng)）而言，只需要5v的直流電源，而對實際的單片機應(yīng)用 系統(tǒng)來說，由于需要擴展一定的測控轉(zhuǎn)換通道和與其相應(yīng)的接口電路及外設(shè)，除5v的直流外，還需要其他的直流（如12v等）、交流（50Hz和其他頻率）電源.乃至特殊電源（如 各種頻率的方波、鋸齒波等）。如圖5-1所示，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的電源一般是由市電通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾

54、波及Ac/De變換、波形變換后提供系統(tǒng)所需的直流、交流和特殊電源，也有從直流供 電設(shè)備取得電能后通過 De/De變換、穩(wěn)壓、濾波后提供系統(tǒng)所需電源。因而單片機應(yīng)用系統(tǒng)購電源通常包括變壓電路、整流電路 （Dc/Dc變換電路）、穩(wěn)壓電路、濾波電路, 有些還有De/AC換流電路、特殊波形發(fā)生電路。而本設(shè)計電源只有交流供電設(shè)備， 無特殊電路和交流電路直流DC/D（變換供電 電路設(shè)備交變壓電路DC/A（換流電路流交流 供電 設(shè)備5-1單片機應(yīng)用系統(tǒng)電源組成框圖5.2電源設(shè)計原理電源電壓的設(shè)計主要是針對系統(tǒng)要求的不同工作電壓進行電源分配。一般有兩種方法，一種是多電源方案，一種是單電源方案。本設(shè)計采用的是單地緣方案，主要供系 統(tǒng)電壓+5V電源。為降低成本，采用“變壓器降壓-整流-濾波-穩(wěn)壓”的線性電源。采用單電源方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、工作可靠。盡管單片機系統(tǒng)目前難以實現(xiàn)系統(tǒng) 內(nèi)全部器件采用單一電源。5.3電路穩(wěn)壓電源是單片機測控系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為測控系統(tǒng)提供多路電源電 壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能。近年來，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)