熱電偶測(cè)溫儀設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、熱電偶測(cè)溫儀設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘 要 熱電偶傳感器是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，在工業(yè)用溫度傳感器中占有及其重要的地位。該測(cè)溫儀是以AT89C51單片機(jī)為核心，由AD590集成溫度傳感器測(cè)量冷端溫度T0，由熱電偶測(cè)量熱端溫度T。該熱電偶采用S型鉑銠鉑熱電偶。正極為90鉑測(cè)溫儀的測(cè)量范圍在8001600之間。使用12V和5V電源。采用4位共陰極LED顯示。該熱電偶測(cè)溫儀的軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到實(shí)際中有時(shí)需要對(duì)測(cè)溫的上下限值進(jìn)行修改，或者是在測(cè)溫之初檢驗(yàn)該設(shè)備是否能夠正常顯示或運(yùn)行，故在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要加入鍵盤(pán)。在工業(yè)測(cè)量中，被測(cè)對(duì)象所處環(huán)境往往十分惡劣，常存在電場(chǎng)、磁

2、場(chǎng)、噪聲等干擾，使采樣值偏離真實(shí)值。所以，在軟件設(shè)計(jì)中，還需要一組濾波程序，對(duì)多次采樣信號(hào)構(gòu)成的數(shù)據(jù)系列進(jìn)行平滑加工，以提高其有用信號(hào)在采樣值中所占比例，減少乃至消除各種干擾及噪音，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。本設(shè)計(jì)采用分段直線擬合方法，既節(jié)省大量存儲(chǔ)器，又有很高的測(cè)量精度。關(guān)鍵詞：熱電偶 冷端溫度補(bǔ)償 89C51單片機(jī) ADC0809 線性化標(biāo)度變換目 錄摘要1第一章 熱電偶測(cè)溫技術(shù) 3 1.1 熱電偶特點(diǎn) 3 1.2 熱電偶工作原理 3 1.3 二次查表和冷端溫度補(bǔ)償 4第二章 電路設(shè)計(jì) 6 2.1 硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 6 2.2 AT89C51單片機(jī) 8 2.3 冷端補(bǔ)償電路 11 2.4 A/D

3、轉(zhuǎn)換器ADC0809 12第三章 軟件設(shè)計(jì) 15 3.1主程序 15 3.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序 15 3.3 線性化標(biāo)度變換子程序 16總結(jié)19參考資料19附 錄A 程序 20附 錄 B 電路圖22附 錄C 實(shí)際硬件電路圖29致謝30第一章 熱電偶測(cè)溫技術(shù)1.1 熱電偶特點(diǎn)熱電偶傳感器是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，在工業(yè)用溫度傳感器中占有及其重要的地位。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳。該熱電偶測(cè)溫儀的軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.2 熱電偶工作原理熱電偶是利用物理學(xué)中的賽貝克效應(yīng)制成的溫敏傳感器。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成閉合回路

4、時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)熱電偶。如圖1.1。 圖1.1溫度T端為感溫部分，成為熱端；溫度T0為連接儀表部分，稱(chēng)為冷端。當(dāng)熱端溫度T和冷端溫度T0不同時(shí)，在回路中就產(chǎn)生熱電勢(shì)EAB（T, T0 ）,這種顯現(xiàn)稱(chēng)為熱電效應(yīng)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)通常稱(chēng)為熱電勢(shì)。熱電式的大小與T和T0之差（稱(chēng)為溫差）的大小有關(guān)。由熱電偶回路熱電勢(shì)的分布理論可知，熱電偶的熱電勢(shì)僅僅是熱電偶兩端溫度T和T0的函數(shù)之差，即：EAB (T, T0)= EAB（T）- EAB（T0） 式（1.1）也就是說(shuō)，熱電偶的熱電勢(shì)等于熱端與冷端溫度T和T0所引起的電勢(shì)差。1.3 二次查表和冷端溫度補(bǔ)償實(shí)際測(cè)溫中，冷端所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)要隨冷端溫度（環(huán)境溫度）的

5、變化而變化。要保證冷端溫度恒定是十分困難的，在一定程度上，測(cè)量精度取決于冷端溫度的影響。只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變，熱電動(dòng)勢(shì)才是被測(cè)溫度的但只函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定結(jié)點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)為0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。由式（1.1）可知，如果當(dāng)T=0時(shí)可得： EAB（T0） = EAB（0）- EAB (0, T0) 式（1.2）又當(dāng)T0=0時(shí)可得： EAB（T） = EAB（T,0）- EAB (0) 式（1.3）把式（1.2）和式（1.3）帶入式（1.1）式得： EAB（T，0）= EAB（T,T0）+EAB (T0,0) 式（1.4） 在式（1.4）中，EAB（T，0）是冷端溫度為0，熱端溫度為T(mén)時(shí)的熱電勢(shì)，此值

6、就是成品熱電偶給定的分度表值；EAB（T,T0）是熱端溫度為T(mén)，冷端溫度為T(mén)0時(shí)的熱電勢(shì)，也就是實(shí)際測(cè)量到的熱電勢(shì)值；EAB (T0,0)是假定冷端溫度為0，和實(shí)際冷端溫度為T(mén)0時(shí)得到的熱電勢(shì)，在實(shí)測(cè)中，用集成測(cè)溫傳感器AD590測(cè)量T0，然后從對(duì)應(yīng)熱電偶的分度表中自動(dòng)查出所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB (T0,0)，這是第一次查表求出的值，也就是冷端溫度補(bǔ)償所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)值。通過(guò)單片機(jī)把實(shí)測(cè)到的EAB（T,T0）值與冷端溫度補(bǔ)償EAB (T0,0)值代數(shù)相加，就可得到冷端溫度為0，熱端溫度為T(mén)時(shí)的熱電勢(shì)EAB (T0,0)值，再?gòu)姆侄缺碇凶詣?dòng)查得對(duì)應(yīng)于EAB (T0,0)的溫度值，這既是第二次查表求出

7、的值，這個(gè)值就是熱鍛偶熱端所得的實(shí)際溫度。在實(shí)際生產(chǎn)中，熱電偶熱端（測(cè)量端）與冷端相距很遠(yuǎn)，冷端又暴露于空氣當(dāng)中，易受環(huán)境溫度的影響，因而冷端溫度很難保持恒定。為此需要把冷端延伸并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)使用AD590溫度傳感器測(cè)冷端結(jié)點(diǎn)溫度，對(duì)其提供0-12V電壓，連接成溫度補(bǔ)償電路。具體電路將在第二章電路設(shè)計(jì)中講到。第二章 電路設(shè)計(jì)該測(cè)溫儀是以AT89C51單片機(jī)為核心，由AD590集成溫度傳感器測(cè)量冷端溫度T0，由熱電偶測(cè)量熱端溫度T。它們分別經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換和線性放大，分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入AT89C51單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換成ROM地址，在通過(guò)以上介紹的二次查表法

8、計(jì)算出實(shí)際溫度值。此值送4位共陰極LED數(shù)碼管顯示。另外還采用X25045作為看門(mén)狗芯片。在運(yùn)算處理上，除了需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換外，還需要在AT89C51單片機(jī)里對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化標(biāo)度變換。這一過(guò)程通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。軟件部分將在后面介紹。2.1 硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)指標(biāo)及特點(diǎn)：該熱電偶采用S型鉑銠鉑熱電偶。測(cè)溫儀的測(cè)量范圍在8001600之間。使用12V和5V電源。采用4位共陰極LED顯示。圖2.1 微機(jī)化儀表框圖 核心部分：CPU采用內(nèi)帶4K 電擦寫(xiě)EEPROM的89C51單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能的8位CMOS微處理芯片，是目前單片機(jī)中性能價(jià)格比較優(yōu)良的控制芯片，而且與使用最廣泛的51系

9、列完全兼容，工作范圍寬，具有加密功能。數(shù)碼顯示電路：在顯示電路中采用4位共陰極LED靜態(tài)顯示，LED驅(qū)動(dòng)器為74LS164。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再管，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次新數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間。缺點(diǎn)是使用元件多，線路比較復(fù)雜。共陰極LED數(shù)碼管顯示如圖2.2和圖2.3。X腳是共陰極，當(dāng)在它的a、b、c、d、e、f、g、DP加上正向電壓時(shí)，各段發(fā)光二極管就點(diǎn)亮。 圖2.2 共陰極顯示原理圖 圖2.3 管腳分布抗干擾電路：應(yīng)MAX705搭構(gòu)該測(cè)溫儀表的看門(mén)狗電路。看門(mén)狗電路實(shí)際是一個(gè)可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)程

10、序正常運(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間將單穩(wěn)電路觸發(fā)一次，使其經(jīng)常處于非穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)由于外界干擾或其它不正常狀態(tài)使用程序進(jìn)入死循環(huán)或飛逸時(shí)，則監(jiān)控程序不再觸發(fā)單穩(wěn)，單穩(wěn)“翻轉(zhuǎn)”，于是產(chǎn)生一個(gè)正脈沖加到撫慰短使系統(tǒng)復(fù)位。起到了斷電保護(hù)和提高了儀表的抗干擾能力。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。硬件看門(mén)狗電路：硬件看門(mén)狗是指集成化的或集成在單片機(jī)內(nèi)的專(zhuān)用看門(mén)狗

11、電路，它實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，發(fā)出溢出脈沖。從實(shí)現(xiàn)角度上看，該方式是一種軟件與片外專(zhuān)用電路相結(jié)合的技術(shù)，硬件電路連接好以后，在程序中適當(dāng)?shù)夭迦胍恍┛撮T(mén)狗復(fù)位的指令，保證程序正常運(yùn)行時(shí)看門(mén)狗不溢出；而當(dāng)程序運(yùn)行異常時(shí)，看門(mén)狗超時(shí)發(fā)出溢出脈沖，通過(guò)單片機(jī)的RESET引腳使單片機(jī)復(fù)位。為增加系統(tǒng)可靠性,本設(shè)計(jì)中使用增加了可編程看門(mén)狗監(jiān)控E-2PROM芯片X25045。X25045是美國(guó)Xicor公司推出的帶E2PROM的P控制電路X25043/X25045系列芯片。X25045引腳圖如圖2.4。管腳的說(shuō)明：SO 串行輸出 SI 串行輸入 SCK 串行時(shí)鐘輸入VSS 地 VCC 電源

12、電壓 RESET 復(fù)位輸出當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生放障時(shí),在一定的超時(shí)周期后,X25045看門(mén)狗將發(fā)出RESET信號(hào),使系統(tǒng)復(fù)位,正常工作。X25045亦符合SPI總線標(biāo)準(zhǔn),連線簡(jiǎn)單,方便。主要特點(diǎn)如下：看門(mén)狗定時(shí)器對(duì)微控器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)；利用低VCC檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲(chǔ)器部分是CMOS的串行E2PROM，它內(nèi)部按5128來(lái)組織，10萬(wàn)次寫(xiě)入次數(shù)：100年數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。圖2.4X25045管腳X25045包括一個(gè)8位指令寄存器。它可通過(guò)SI輸入來(lái)訪問(wèn)，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿由時(shí)鐘同步輸入。在整個(gè)工作期內(nèi)，必須是低電平且輸入必須是高電平。X25045監(jiān)視總線，如果在預(yù)置的時(shí)間周

13、期內(nèi)沒(méi)有總線的活動(dòng)，那么它將提供RESET輸出。鍵盤(pán)：有時(shí)為因?yàn)樯a(chǎn)要求，需要重新設(shè)定和更改上下限報(bào)警值或者也其它控制參數(shù)。所以該設(shè)計(jì)也可以補(bǔ)加鍵盤(pán)。報(bào)警：設(shè)計(jì)中有上下限報(bào)警。報(bào)警顯示為一個(gè)LED紅燈。當(dāng)被測(cè)溫度低于下限或高于上限時(shí)，報(bào)警紅燈亮，顯示報(bào)警。2.2 AT89C51單片機(jī) AT89C51單片機(jī)DIP封裝及引腳圖如圖2.5。管腳說(shuō)明參見(jiàn)表2.1。性能指標(biāo)和特點(diǎn)：AT89C51單片機(jī)的主要性能指標(biāo)和特點(diǎn)：1、 與MCS-51 兼容2、 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz3、 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定4、 128*8位內(nèi)部RAM5、 32可編程I/O線 6、 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器7、 5個(gè)中斷源

14、8、 可編程串行通道9、 低功耗的閑置和掉電模式 圖2.5 AT89C51單片機(jī)DIP封裝及管腳表2.1 管腳描述名稱(chēng)管腳類(lèi)型功能Vss20I地Vcc40I電源：提供掉電空閑正常工作電壓P0.0-0.739-32I/OP0口：P0口是開(kāi)漏雙向口，可以寫(xiě)為1使其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入。P0也可以在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作數(shù)據(jù)總線，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出1。P1.0-1.71-8I/OP1口：P1口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P1口寫(xiě)入1時(shí)，P1口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P1口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。P1口第2功能：T2

15、(P1.0)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入/時(shí)鐘輸出。T2EX(P1.1)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器2重裝載/捕捉/方向控制。P2.0-2.721-28I/OP2口：P2口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P2口寫(xiě)入1時(shí)，P2口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P2口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流(見(jiàn)DC電氣特性)。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)分別作為地址高位字節(jié)和16位地址(MOVXDPTR)，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送1。當(dāng)使用8位尋址方式(MOVRi)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口發(fā)送P2特殊功能寄存器的內(nèi)容。P3.0-3.710-17I/OP3口：P3口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，

16、向P3口寫(xiě)入1時(shí)，P3口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P3口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流(見(jiàn)DC電氣特性)。P3口還具有以下特殊功能：RxD(p3.0)：串行輸入口TxD(P3.1)：串行輸出口INT0(P3.2)：外部中斷0INT1(P3.3)：外部中斷T0(P3.4)：定時(shí)器0外部輸入T1(P3.5)：定時(shí)器1外部輸入WR(P3.6)：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)RD(P3.7)：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)RST9I復(fù)位：當(dāng)晶振在運(yùn)行中，只要復(fù)位管腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期高電平即可復(fù)位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻連接到Vss，僅需要外接一個(gè)電容到Vcc即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。PSEN29O程序存儲(chǔ)使

17、能：當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器代碼時(shí)，PSEN每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)PSEN無(wú)效，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)PSEN無(wú)效。XTAL119I晶體1：反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入XTAL218O晶體2：反相振蕩放大器輸出EA/Vpp31I外部尋址使能/編程電壓：在訪問(wèn)整個(gè)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，EA必須外部置低。如果EA為高時(shí)，將執(zhí)行內(nèi)部程序，除非程序計(jì)數(shù)器包含大于片內(nèi)FLASH的地址。該引腳在對(duì)FLASH編程時(shí)接5V/12V編程電壓(Vpp)。如果保密位1已編程，EA在復(fù)位時(shí)由內(nèi)部鎖存。ALE30O地址鎖存使能：在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下，ALE

18、輸出信號(hào)恒定為1/6振蕩頻率。并可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)，注意每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)一個(gè)ALE脈沖將被忽略。ALE可以通過(guò)置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在執(zhí)行MOVX指令時(shí)被激活。2.3冷端補(bǔ)償電路 冷端補(bǔ)償電路應(yīng)用AD590溫度傳感器，連接補(bǔ)償電路如圖2.6。AD590溫度傳感器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測(cè)器，它會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流。其規(guī)格如下：1、 線性電流輸出：1A/K，正比于熱力學(xué)溫度。2、 寬溫度范圍：-55+150。3、 精度高：激光校準(zhǔn)精度到5。4、 電源范圍寬：+4+30V圖 2.6 冷端補(bǔ)償電路AD590只需單電源工作，抗干擾能力強(qiáng)，要求的功率很低。輸出電流值說(shuō)

19、明如下： 其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273）為基準(zhǔn)，每增加1，它會(huì)增加1A輸出電流，因此在室溫25時(shí)，其輸出電流Iout=（273+25）=298A。 AD590的管腳圖及元件符號(hào)如圖2.7所示，基本應(yīng)用電路如圖2.8所示。 圖2.7 圖2.8注意事項(xiàng)： 1、Vo的值為Io乘上10K，以室溫25而言，輸出值為10K298A=2.98V 2、測(cè)量Vo時(shí)，不可分出任何電流，否則測(cè)量值會(huì)不準(zhǔn)。 電路分析： 1、AD590的輸出電流I=（273+T）A（T為攝氏溫度），因此測(cè)量的電壓V為（273+T）A10K=（2.73+T/100）V。為了將電壓測(cè)量出來(lái)又務(wù)須使輸出電流I不分流出來(lái)，我們使用電壓

20、跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。 2、由于一般電源供應(yīng)教多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調(diào)整至2.73V 。 3、接下來(lái)我們使用差動(dòng)放大器其輸出Vo為（100K/10K）（V2-V1）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉(zhuǎn)換器，那么AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。2.4 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 ADC0809是一種8路模擬輸入逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，由于價(jià)格適中，與單片機(jī)的接口、軟件操作均比較簡(jiǎn)單，目前在8位單片機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的使用。片內(nèi)由8路模擬多路開(kāi)關(guān)、地址鎖存器與譯

21、碼器、8為A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。如圖2.9是ADC0809的28腳標(biāo)準(zhǔn)封裝直插式芯片。引腳功能如下：圖2.9 ADC0809引腳圖1、2-82-1八根數(shù)據(jù)三態(tài)輸出端，IN0-IN7為八根單片模擬量輸入端； 2、A1-A3:三根地址譯碼輸入端，以選擇8路模擬量輸入通道中的一路； 3、五根轉(zhuǎn)換邏輯控制信號(hào)端： START:A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端，可用來(lái)作片選信號(hào)端； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸入端，可用作中斷申請(qǐng)信號(hào)；ALE:地址所存允許輸入端，用作多路開(kāi)關(guān)的使能信號(hào)；O.E：輸出允許輸入端，用來(lái)打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，以輸出當(dāng)前的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量；CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端，用它產(chǎn)生A

22、DC0809的內(nèi)部各種定時(shí)信號(hào)。4、四根供電輸入端： ref(+)正參考電壓輸入端；ref(-)負(fù)參考電壓輸入端；VCC為供電電壓輸入端，一般需要+5V；GND為接地端。ADC0809芯片可以分時(shí)處理8路模擬量輸入信號(hào),使用模擬開(kāi)關(guān)切換。在某一時(shí)刻,模擬開(kāi)關(guān)只能與一路模擬量通道接通,對(duì)該通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)刂匪嫘盘?hào)ALE為高電平時(shí), A1-A3三條線上的數(shù)據(jù)送入ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器中,經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼后選中某一通道。當(dāng)ALE=0時(shí),地址鎖存器處于鎖存狀態(tài),模擬開(kāi)關(guān)始終與剛才選中的輸入通道接通。選中通道的模擬量到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器時(shí),A/D轉(zhuǎn)換器并未對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信

23、號(hào)端START出現(xiàn)下降沿并延遲Teoc(8c1+2uS)后,才啟動(dòng)芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,START的上升沿復(fù)位ADC0809。轉(zhuǎn)換過(guò)程是在時(shí)鐘信號(hào)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)由CLOCK端送入,其最高頻率為640MHz,在這個(gè)最高頻率下ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100uS左右。當(dāng)ADC0809用于AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)時(shí),若AT89C51采用6MHz的晶振,則ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)可以由AT89C51的ALE經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻電路獲取。這時(shí)ADC0809的時(shí)鐘頻率為500KHz,A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為130uS。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(8位數(shù)字量)送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器,

24、此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒(méi)有現(xiàn)在2-82-1八條數(shù)字量輸出線上,單片機(jī)不能獲取之。單片機(jī)要想讀到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平,打開(kāi)三態(tài)輸了鎖存器,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在2-82-1上。圖 2.10 ADC0809的讀、寫(xiě)、啟動(dòng)以及A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖圖2.10中EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)。在A/D轉(zhuǎn)換期間,EOC維持高電平,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),EOC變成高電平。ADC0809的START端收到下降沿后,并不立即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,EOC=1,而是延遲10uS后,才開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換,EOC變?yōu)榈碗娖?。設(shè)計(jì)電路圖請(qǐng)參見(jiàn)附錄2。由于受到實(shí)驗(yàn)室條件限制，實(shí)際硬件中沒(méi)有按照本設(shè)計(jì)電路連

25、接。A/D轉(zhuǎn)換使用的是TLC0832。靜態(tài)顯示只用74LS164驅(qū)動(dòng)LED。請(qǐng)參照附錄3。第三章 軟件設(shè)計(jì)該熱電偶測(cè)溫儀的軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主程序流程圖參見(jiàn)附錄A中圖A.1?？紤]到實(shí)際中有時(shí)需要對(duì)測(cè)溫的上下限值進(jìn)行修改，或者是在測(cè)溫之初檢驗(yàn)該設(shè)備是否能夠正常顯示或運(yùn)行，故在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要加入鍵盤(pán)。本設(shè)計(jì)程序請(qǐng)參見(jiàn)附錄B。3.1主程序主程序設(shè)計(jì)當(dāng)中，先調(diào)用鍵盤(pán)子程序，讀取鍵值。接著是讀取顯示子程序，通過(guò)LED顯示，設(shè)備對(duì)鍵盤(pán)輸入鍵值進(jìn)行回應(yīng)。接下來(lái)先后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序、線性化標(biāo)度變換子程序。最后通過(guò)LED顯示所測(cè)得溫度值。3.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖

26、參見(jiàn)附錄A中圖A.2。在該子程序中，首先對(duì)ADC0809的采樣進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，之后判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成，如果沒(méi)有完成，則返回A/D轉(zhuǎn)換，直到轉(zhuǎn)換完成后，再進(jìn)行數(shù)字濾波。待數(shù)字濾波后，將碼值NX送到單片機(jī)緩沖單元存儲(chǔ)，等待下一步線性化子程序調(diào)用該碼值。在工業(yè)測(cè)量中，被測(cè)對(duì)象所處環(huán)境往往十分惡劣，常存在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、噪聲等干擾，使采樣值偏離真實(shí)值。所以，在軟件設(shè)計(jì)中，還需要一組濾波程序，對(duì)多次采樣信號(hào)構(gòu)成的數(shù)據(jù)系列進(jìn)行平滑加工，以提高其有用信號(hào)在采樣值中所占比例，減少乃至消除各種干擾及噪音，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。一般在溫度測(cè)量系統(tǒng)中采用限幅法或者限速法。限幅濾波是把兩次相鄰的采樣值相減，求出增量

27、（以絕對(duì)值表示），然后與兩次采樣允許的最大差值（由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定）Y進(jìn)行比較，若小于或等于Y，則取本次采樣；若大于Y，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。而限速濾波法是一種折衷的方法，它利用最多3次采樣值比較，決定采樣結(jié)果。其方法是：當(dāng)|Y(2)-Y(1)| Y時(shí)，不像限幅濾波那樣，用Y(1)作為本次采樣值，而是再采樣一次，取得Y(3),然后根據(jù)|Y(3)-Y(2)|與Y的大小關(guān)系來(lái)決定本次采樣值。其具體判別方式如下。設(shè)順序采樣時(shí)刻t1、t2、t3所采集的參數(shù)分別為Y(1)、Y(2)、Y(3)，那么當(dāng)|Y(2)-Y(1)|Y時(shí)，則取Y(2)存入RAM當(dāng)|Y(2)-Y(1)|Y時(shí)，則不采用Y

28、(2)，但仍保留，繼續(xù)采樣取得Y(3)當(dāng)|Y(3)-Y(2)|Y時(shí)，則取Y(3)存入RAM當(dāng)|Y(3)-Y(2)|Y時(shí)，則取|Y(2)-Y(1)|+ |Y(3)-Y(2)|/2輸入計(jì)算機(jī)。在本設(shè)計(jì)中采用限速濾波法。程序流程圖如圖A.3。 3.3 線性化標(biāo)度變換子程序一般測(cè)溫儀表所采用的線性化方法大致有以下幾種：1、 計(jì)算方法：即先用數(shù)學(xué)上的曲線擬合方法對(duì)熱電勢(shì)和對(duì)應(yīng)溫度進(jìn)行擬合，得出誤差最小的近似表達(dá)式T=f(e)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，常常是分段表達(dá)式，然后用計(jì)算程序進(jìn)行分區(qū)計(jì)算得到溫度。2、 直接查表法：對(duì)分度表不經(jīng)處理，直接按一定的排列形式存入，用測(cè)得的A/D轉(zhuǎn)換值靠軟件搜索來(lái)查得相對(duì)應(yīng)的溫度值。

29、3、 數(shù)據(jù)壓縮法：即將分度表進(jìn)行壓縮處理，減少數(shù)據(jù)表字節(jié)數(shù)，通過(guò)軟件的適當(dāng)計(jì)算得出所測(cè)溫度。以上幾種方法雖然都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，但它們所占的字節(jié)數(shù)，對(duì)把十幾種分度好的線性修正數(shù)據(jù)或公式放入有限的單片機(jī)內(nèi)存中，都是很困難的。本設(shè)計(jì)采用分段直線擬合方法，既節(jié)省大量存儲(chǔ)器，又有很高的測(cè)量精度，程序流程圖如圖3.4。基本原理是：預(yù)先根據(jù)分度值表計(jì)算出A/D轉(zhuǎn)換值所對(duì)應(yīng)折點(diǎn)的溫度值T0、T1TN，形成數(shù)據(jù)表，單片機(jī)進(jìn)行修正時(shí)，根據(jù)測(cè)量值的大小，找到合適的修正直線段兩個(gè)端點(diǎn)溫度值，通過(guò)簡(jiǎn)單直線方程計(jì)算出被測(cè)溫度。光進(jìn)行線性化還不夠的，還需要進(jìn)行標(biāo)度變換。在該熱電偶測(cè)溫儀表中，需要將測(cè)量的溫度通過(guò)熱電偶轉(zhuǎn)換成

30、0+5V的電壓信號(hào)，再將對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的00FFH（8位）的數(shù)字量DX。之后還需將DX值濾波，濾波后的碼值為NX,最后在現(xiàn)行化程序進(jìn)行過(guò)程中，將轉(zhuǎn)換成實(shí)際測(cè)量溫度的顯示碼值。在這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程，就是標(biāo)度變換。線性化標(biāo)度變換的前提是被測(cè)量參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為線性關(guān)系。線性標(biāo)度變換的公式為： 式(3.1)該式是線性化標(biāo)度變換的通用公式。式中，:一次測(cè)量?jī)x表的下限； :一次測(cè)量?jī)x表的上限；:實(shí)際測(cè)量值（工程量）；:儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量:儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；:測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 其中， 、 、 、 、對(duì)于某固定的被測(cè)量來(lái)說(shuō)是常數(shù)，不同的參數(shù)有著不同的值。為了使程序設(shè)

31、計(jì)簡(jiǎn)單，一般把一次測(cè)量?jī)x表的下限所 對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值置為0，也既 =0。這樣式(3.1)也可以寫(xiě)成： 式(3.2)當(dāng)儀表下限值 =0，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的 =0，進(jìn)一步將式(3.2)簡(jiǎn)化為： 式(3.3)或者是 式(3.4)本熱電偶測(cè)溫儀表的測(cè)量范圍為8001600，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，而電壓信號(hào)為0+5V,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量是00FFH。根據(jù)理論計(jì)算得到對(duì)照表3.1。表3.1 熱電偶測(cè)溫儀測(cè)量線性化對(duì)照表工作端溫度()理想熱電式(mV)放大器輸出(V)線性化標(biāo)度變換(十進(jìn)制)8007.3452.209008.4482.52710009.5852.855110010.7543.291120011.94

32、73.7137130013.1553.9155140014.3684.3191150015.5764.6218160016.7715.0255表3.1中的工作端溫度和理想熱電式的對(duì)應(yīng)值是根據(jù)熱工測(cè)量?jī)x表書(shū)中第137頁(yè)表4-3（鉑銠-鉑熱電偶分度表）查得的，放大器輸出值是應(yīng)用式(3.4)原理得到的。例如當(dāng)理想熱電式為7.345時(shí)，放大器輸出 式(3.5)其他放大器輸出值都是應(yīng)用此例得到。線性化標(biāo)度變換的對(duì)應(yīng)值是應(yīng)用式(3.2)得到。首先確定當(dāng)溫度為1600時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)字量為255，800時(shí)對(duì)用的十進(jìn)制數(shù)字量為0。計(jì)算當(dāng)中，當(dāng)放大器輸出為2.8V時(shí)，得到線性化標(biāo)度變換數(shù)字量 式(3.6) 線

33、性化標(biāo)度變換子程序流程圖如圖A.4?？偨Y(jié)：本熱電偶測(cè)溫儀設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于：針對(duì)不同熱電偶、不同測(cè)溫要求，可以通過(guò)更改程序部分改變?cè)摐y(cè)溫儀的測(cè)溫范圍；4位LED顯示可以顯示4有有效數(shù)據(jù)，在測(cè)溫同時(shí)采用靜態(tài)顯示，即只要沒(méi)有新的采樣值或復(fù)位，LED將持續(xù)保持顯示上一溫度值，以便于讀值或記錄；硬件中采用高性能AT89C51做CPU,線性化性能優(yōu)良的AD590集成芯片做為冷端補(bǔ)償芯片，更好的提高了該儀表的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中不足之處主要是線路復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，一開(kāi)始發(fā)現(xiàn)LED無(wú)法正常顯示。經(jīng)過(guò)多次檢查、重新排線，才消除了故障，之后運(yùn)行跑8程序，LED才能夠正常顯示。說(shuō)明硬件連線沒(méi)有問(wèn)題，主要是實(shí)驗(yàn)板經(jīng)多次使用后

34、個(gè)別插孔已經(jīng)損壞。另外在給儀表信號(hào)接受端加以相應(yīng)信號(hào)后，LED沒(méi)有按預(yù)定要求顯示相應(yīng)溫度值，說(shuō)明線性化標(biāo)度變換還不夠細(xì)致、精確，線性化標(biāo)度變換子程序還需要進(jìn)一步改進(jìn)和調(diào)試。參考資料：【1】張靖、劉少?gòu)?qiáng). 檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì). 中國(guó)電力出版社. 2002年 【2】何希才、薛永毅. 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例. 機(jī)械工業(yè)出版社 .2004年 【3】高魁明. 熱工測(cè)量?jī)x表. 冶金工業(yè)出版社. 2006年 【4】潘永雄. 新編單片機(jī)原理與應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué)出版社. 2003年 【5】潘新民、王艷芳. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) . 電子工業(yè)出版社. 2004年 【6】續(xù)大海、范立南. 用單片機(jī)89C51控制的智

35、能溫度儀表. 1997年【7】劉洪恩. 利用熱電偶轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng). 2005年【8】劉海. 一種帶有8031單片機(jī)的高精度熱電偶測(cè)溫儀表設(shè)計(jì). 1998年【9】劉煥平、韓樹(shù)心. ADC0809與AT89C51的一種接口技術(shù). 2002年附錄A 程序流程圖 圖A.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖圖A.1 主程序流程圖 圖A.3 限速濾波子程序流程圖圖A.4 線性化標(biāo)度變換子程序流程圖附錄B 源程序給電路復(fù)位，先運(yùn)行顯示程序。顯示程序的正確結(jié)果為4位LED顯示09變化。如果能夠正確顯示，說(shuō)明硬件鏈接無(wú)誤、元器件良好。然后依次調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和線性標(biāo)度變換子程序，并最終顯示測(cè)量溫度。程序B

36、.1 動(dòng)態(tài)變化0-9程序#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code tab=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0x00;/0-9,-,全滅unsigned char send4;void delay_50ms(unsigned int t) unsigned int j; for(;t0;t-) for(j=6000;j0;j-) ;void series(void) short i; TI=0; for(i=0;i

37、4;i+) SBUF=sendi; while(!TI); TI=0; main() uchar h,j,m; /IE=0x00; while(1)SCON=0x00;for(h=0;h11;h+) m=h; for(j=0;j4;j+) if(m=10)m=0; sendj=tabm+; series(); delay_50ms(10); h=0;程序B.2 熱電偶測(cè)溫儀總程序#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit adcdata=P17;sbit adccs=P14;sbit adcc

38、lk=P16;unsigned char adcresult,send4;unsigned char kk9=4,4,4,4,4;unsigned char zz9= 0，27，55，91，137，155，191，218，255;unsigned int temperature;uchar code led=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0x00;/0-9,-,全滅void run0832(void);/A/D轉(zhuǎn)換void series(void); /顯示void convert(void); /溫度值取位void line(void); /線性化標(biāo)度變換void delay_50ms(uint t); /延時(shí)char nx(bit y,short i); /main() /主程序 IE=0x00; SCON=0x00; while(1) run0832(); line(); convert(); series();void run0832(