【正文】 合在惡劣環(huán)境下工作。（3）控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。單片機(jī)是電子計(jì)算機(jī)這個龐大家族中的一個特殊品種，體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次微型計(jì)算機(jī)。（4）低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。單片機(jī)大量應(yīng)用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費(fèi)類產(chǎn)品，低電壓和低功耗的特性尤為重要。 V 的電壓下運(yùn)行， V下工作；功耗降至為μA級，一粒紐扣電池就可以長期使用。(5) 集成度及可靠性高單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。外部總線增加了I C（InterIntegrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)。2） 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，可以說覆蓋了所有領(lǐng)域。其主要在智能儀器和控制中的應(yīng)用。(1)單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用 單片機(jī)廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。(2)單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用 機(jī)電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品，例如微機(jī)控制的車床、鉆床等。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動化、智能化程度。(3)單片機(jī)在實(shí)時控制中的應(yīng)用 單片機(jī)廣泛地用于各種實(shí)時控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機(jī)器人等各種實(shí)時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。(4)單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對現(xiàn)場信息進(jìn)行實(shí)時的測量和控制。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。(5)單片機(jī)在人類生活中的應(yīng)用 自從單片機(jī)誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機(jī)、電冰箱、電子玩具、收錄機(jī)等家用電器配上單片機(jī)后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機(jī)將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。 綜合所述，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[10]單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（開發(fā)）的最終目的是能把它應(yīng)用到實(shí)時控制系統(tǒng)以及儀器儀表、家用電器、汽車制造、醫(yī)療器械等各個領(lǐng)域。由于它的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，技術(shù)要求各不相同，因此應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可以是各種各樣的，但總體設(shè)計(jì)方法和研制步驟基本相同。有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般開發(fā)、研制方法論述如下：1） 組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本方法用單片機(jī)組成應(yīng)用系統(tǒng)時，實(shí)際問題的領(lǐng)域很寬，要求各不相同，組成的方案也千差萬別，很難有一個固定的模式適應(yīng)一切問題，但考慮問題的基本方法大體相似。對一般的應(yīng)用系統(tǒng)，大都要經(jīng)歷如下步驟：① 提出問題，了解現(xiàn)場，明確指標(biāo)。無論是制作智能儀表還是研制工業(yè)控制系統(tǒng)都要對應(yīng)用對象的工作過程進(jìn)行深入調(diào)查和分析，了解課題的目的要求、信號的種類和數(shù)量、應(yīng)用的環(huán)境等等，要把課題最終的指標(biāo)明確下來。② 進(jìn)行可行性論證，提出初步方案。分析所接受任務(wù)的技術(shù)關(guān)鍵，論證能否用計(jì)算機(jī)來解決，有沒有別的途徑，用計(jì)算機(jī)合算與否，用什么計(jì)算機(jī)等等。如果可行，應(yīng)對接受的課題提出初步方案，劃分軟、硬件各分課題的任務(wù)。③ 提出各分課題的設(shè)計(jì)方案。軟、硬件所承擔(dān)的任務(wù)明確之后，則可以分別設(shè)計(jì)出軟、硬件各自的功能及實(shí)現(xiàn)的方案。④ 完成總體設(shè)計(jì)，完成各分課題的任務(wù)，組成計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。⑤ 對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、修改、完善。2） 應(yīng)用系統(tǒng)研制進(jìn)程所謂應(yīng)用系統(tǒng)，就是利用單片機(jī)為某應(yīng)用目的而設(shè)計(jì)的單片機(jī)專用系統(tǒng)（在調(diào)試過程中通常稱為目標(biāo)系統(tǒng)）。單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)和一般的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件所組成。硬件指單片機(jī)、擴(kuò)展的存儲器、輸入輸出設(shè)備、控制設(shè)備、執(zhí)行部件等組成的系統(tǒng)，軟件是各種控制程序的總稱。硬件和軟件只有緊密相結(jié)合，協(xié)調(diào)一致，才能組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在系統(tǒng)的研制過程中，軟硬件的功能總是在不斷地調(diào)整，以便相互適應(yīng)，相互配合，以達(dá)到最佳性能價格比。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、在線仿真調(diào)試、程序固化等幾個階段。各個階段所完成的主要工作概述如下：總體設(shè)計(jì)主要包括確定技術(shù)指標(biāo)，機(jī)型及器件選擇，軟、硬功能劃分等。硬件設(shè)計(jì)主要包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器芯片的選擇和設(shè)計(jì)；I/O電路、A/D、D/A及有關(guān)外圍電路的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)地址譯碼電路、總線驅(qū)動器等的設(shè)計(jì)等。軟件的主要任務(wù)是定義系統(tǒng)功能，軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫出程序結(jié)構(gòu)框圖及各功能的程序框圖，逐個編寫程序。一般采用匯編語言編程較為適合。也可采用高級語言編程。軟件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行在線仿真調(diào)試，也即查找程序中的錯誤。軟件調(diào)試完成后再進(jìn)行軟、硬聯(lián)機(jī)調(diào)試直至最后生成可用的軟、硬件系統(tǒng)。軟件和硬件聯(lián)調(diào)完成以后，反復(fù)運(yùn)行正常則可將用戶系統(tǒng)程序固化到EPROM中，插入用戶樣機(jī)，用戶系統(tǒng)即可脫離開發(fā)系統(tǒng)獨(dú)立工作。詳細(xì)的開發(fā)過程可以參閱有關(guān)的資料。本章主要分析了國內(nèi)外溫度測試的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢，系統(tǒng)的介紹了本課題主要用到單片機(jī)。在回顧了單片機(jī)發(fā)展歷史，分析了其分類和特點(diǎn)之后，重點(diǎn)介紹了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為下一步課題設(shè)計(jì)做了充分的準(zhǔn)備。第 2 章 多功能智能化溫度測量儀設(shè)計(jì) 課題主要內(nèi)容在掌握《傳感器與傳感器技術(shù)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》等教材內(nèi)容和教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，分析國內(nèi)外測溫狀況，研究分析熱電偶的測溫原理、熱電偶的安裝使用方法以及熱電偶檢定，確定單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，制定多功能溫度測量儀器設(shè)計(jì)方案，確定硬件并寫出程序藍(lán)本。再在軟件上模擬實(shí)現(xiàn)要求的功能，調(diào)試出結(jié)果。本文介紹了該測量儀的研制，包括溫度傳感器、單片機(jī)接口及其應(yīng)用軟件，其主要內(nèi)容如下:1 介紹了國內(nèi)外溫度檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以及溫度檢測技術(shù)的未來發(fā)展方向。2 根據(jù)實(shí)際測量要求制定出一次儀表一傳感器的選擇、使用和安裝方案。3 根據(jù)實(shí)際使用要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單片機(jī)硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、溫度值的實(shí)時顯示和存儲等。4 對該儀器的功能進(jìn)行了初步認(rèn)定，從原理和實(shí)際意義上分析了該儀器的測量誤差。5 介紹本儀器的優(yōu)點(diǎn)及不足，并對未來的發(fā)展提出了展望。 系統(tǒng)功能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的主要內(nèi)容（功能）如下：（1） 根據(jù)要求設(shè)計(jì)時鐘并顯示；（2） 自動檢測溫度并顯示；（3） 用LED顯示方式；（4） 溫度以℃為單位； 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案將集成溫度傳感器AD590（0℃）因溫度變化，導(dǎo)致電流變化（℃），經(jīng)OPA轉(zhuǎn)換為電壓變化輸入ADC0804，輸入電壓Vin（0～5V之間）經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，其值由8751處理，最后將其顯示在D4，D3，D2，D1共四個七段顯示器。其中包含了時鐘顯示電路。該溫度測量儀可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量，數(shù)據(jù)的顯示、儲存以及日歷時間的顯示。溫度檢測方法一般可以分為兩大類，即接觸測量法和非接觸測量法。各種溫度測量方法各有自己的特點(diǎn)和各自的測量范圍，常用的測溫方法、。測量方式溫 度 計(jì) 或 傳 感 器 類 型測量范圍/℃精度/%特 點(diǎn)接觸式熱膨脹式水 銀50～650～1簡單方便，易損壞（水銀污染）雙 金 屬0～300～1結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠壓力液 體30～6001耐振，堅(jiān)固，價格低廉氣 體20～350熱電偶鉑銠—鉑0～1600～種類多，適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)方便，應(yīng)用廣泛。需注意寄生熱電勢及動圈式儀表電阻對測量結(jié)果的影響其 他20～1100～熱電阻鉑260～600～精度及靈敏度均較好，需注意環(huán)境溫度的影響鎳150～300～銅0～180～熱敏電阻50～350～體積小，響應(yīng)快，靈敏度高，線性差，需注意環(huán)境溫度影響 非接觸式輻射溫度計(jì)800～35001非接觸測量，不干擾被測量度場，輻射率影響小，應(yīng)用簡便光高溫度計(jì)700～30001熱探測器200～20001非接觸測溫，不干擾被測溫度場，響應(yīng)快，測溫范圍大，適于測量溫度分布，易受外界干擾，標(biāo)定困難熱敏電阻探測器50～32001光子探測器0～35001其他示溫涂料碘化銀，二碘化貢，氯化鐵，液晶等35～20001測溫范圍大，經(jīng)濟(jì)方便，特別適于大面積連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)零件上的測量，精度低，人為誤差大 常用的測溫方法、類型及特點(diǎn) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程[14]單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程如圖所示。接受設(shè)計(jì)任務(wù)明確任務(wù)、歸并要求選 機(jī)，劃 分 軟 硬 件硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)聯(lián) 機(jī) 仿 真 調(diào) 試排 除 故 障，修 改 程 序固 化 程 序應(yīng) 用 系 統(tǒng) 獨(dú) 立 運(yùn) 行研 制 完 成 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程 各模塊的方案設(shè)計(jì) 選擇溫度傳感器器件[1]常用的熱電傳感器有熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器等。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的be結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測： 式中，k—波爾茲常數(shù)； q—電子電荷絕對值。集成溫度傳感器按輸出信號可分為電壓型和電流型兩種，其輸出電壓或電流與絕對溫度成線性關(guān)系。電壓型集成溫度傳感器一般是三線制，其溫度系數(shù)約為10mV/℃，電流 型集成溫度傳感器一般為兩線制， mV/K，常用的有LM134/23TMP1AK590、AD592等，電流型傳感器信號適合于遠(yuǎn)距離傳輸而無衰變。本次設(shè)計(jì)用到電流型兩線制集成溫度傳感器AD590（0℃）。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：（1）流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：Ir/T=1mA/K式中：Ir—流過器件（AD590）的電流，單位為mA； T—熱力學(xué)溫度，單位為K。（2）AD590的測溫范圍為55℃～+150℃。（3）AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V~6V范圍變化，電流 變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。（4）輸出電阻為710MW。（5）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為177。℃。AD590測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。由于AD590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。 選擇單片機(jī)器件單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。選擇器件時應(yīng)考慮其性能是否滿足設(shè)計(jì)需求，是否具有良好的技術(shù)支持和文檔支持，是否具有良好的性價比等，其核心是單片機(jī)的選型。在大多情況下，理應(yīng)選擇性價比高的單片機(jī)及其它器件，但在某些特殊場合，當(dāng)性能成為決定因素時，應(yīng)以性能優(yōu)先原則選擇所需的單片機(jī)或其它器件。單片機(jī)一般分為51系列和52系列，本次設(shè)計(jì)用到的是52系列即8051單片機(jī)。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程的被測控參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成份、速度等都是連續(xù)變化的量，習(xí)慣上稱為模擬量，而計(jì)算機(jī)所需要的則是離散的數(shù)字量。因此，在過程控制及微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)中，必須首先把模擬量變成數(shù)字量。這樣才能送到微機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算，然后顯示打印結(jié)果，或通過控制電路對現(xiàn)場進(jìn)行控制。需測量現(xiàn)場集成溫度傳感器共射極放大器多路開關(guān)轉(zhuǎn)換采樣保持A/D單片機(jī)系統(tǒng)顯示打印控制 單片機(jī)用于測量控制系統(tǒng)原理示意圖 時鐘電路設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)在許多的單片機(jī)系統(tǒng)中，通常進(jìn)行一些與時間有關(guān)的控制，這就需要使用實(shí)時時鐘。若再要求記憶用戶的一些設(shè)置，還需要使用存儲器。本系統(tǒng)采用一片DALLAS公司生產(chǎn)的串行實(shí)時時鐘芯片DS13 02和兩片Intel公司的E2PR OM2 864芯片。DS 13 02 是一個實(shí)時時鐘芯片，附