【文章內(nèi)容簡介】 量儀設計 12 和通過發(fā)射極電流 I的下述關 BEV 系實現(xiàn)對溫度的檢測： ln eBE sJkTUaqJ? 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，其溫度系數(shù)越為 mV/K，常用的有 LM134/23TMP1 AK590、 AD592 等，電流型傳感器信號適合于遠距離傳輸而無衰變。本次設計用到電流型兩線制集成溫度傳感器 AD590（ 0℃時為 ）。 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 710M?。 （ 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 測量熱力學溫 度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應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償。 選擇單片機器件 單片機又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機了解計算機原理與結構的最佳選擇。 選擇器件時應考慮其性能是否滿足設計需求，是否具有良好的技術支 持和文檔支持，是否具有良好的性價比等，其核心是單片機的選型。在大多情況下，理應選擇性價比高的單片機及其它器件，但在某些特殊場合，當性能成為決定因素時，應以性能優(yōu)先原則選擇所需的單片機或其它器件。單片機一般分為 51系列和 52系列，本次設計用到的是 52系列即 8051單片機。 多功能智能化溫度測量儀設計 13 在微機控制系統(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，習慣上稱為模擬量，而計算機所需要的則是離散的數(shù)字量。因此，在過程控制及微機進行數(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 進行處理和運算，然后顯示打印結果，或通過控制電路對現(xiàn)場進行控制。單片機控制的一般模式如圖 。 圖 單片機用于測量控制系統(tǒng)原理示意圖 時鐘電路設計、接口設計 在許多的單片機系統(tǒng)中，通常進行一些與時間有關的控制，這就需要使用實時時鐘。若再要求記憶用戶的一些設置，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 是一個實時時鐘芯片，附加 31字節(jié)靜態(tài) RAM，可通過簡單的串行總線與單片機進行通訊，實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于 31天時可自動調(diào)整，包括閏年，有效期至 2100年。可采用 12h或 24h方式計時，采用雙電源 (主電源和備用電源 )供電，可設置備用電源充電方式，芯片為 8引腳小型 DIP封裝 包括 A/D接口、 D/A接口、 LED顯示器接口等。 單片機各部分是通過內(nèi)部的總線有機地連接起來的 放大器的設計 溫度傳感器的輸出電壓經(jīng)過 ISO100隔離放大 (單增益 )后，將輸出電壓送給測量放大器進行放大，以便放大后的輸出電壓和 A/D轉(zhuǎn)換器的量程相匹配。測量放大器的輸入阻抗高，易于與各種信號源相匹配。它的輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，時間漂移小，因而穩(wěn)定性好。它的共模抑制比大，適用于在大的共模電壓背景下對微小差模信號的放大。它是一種高性能的放大器，常用于熱電偶、應變電橋、流量計量、生需測 量現(xiàn)場 集成 溫度 傳感器 共射極放大器 多路開關 轉(zhuǎn)換 采樣保持 A/D 單片機 系統(tǒng) 顯示打印 控制 多功能智能化溫度測量儀設計 14 物測量以及其它有較大共模干擾下的本質(zhì)上是直流緩變的微弱差模信號放大。本設計中選用了 AD521，它是美國 AD公司生產(chǎn)的第二代單片集成精密儀表放大器。 AD521的特性參數(shù)如下 (1) 可調(diào)范圍為 ～ 10000 (2) 溫度穩(wěn)定性為士 (3士 ) PPM/℃ (3) 失調(diào)電壓為 (4) 差模輸入電阻為 3 109? (5) 共模輸入電壓為 6 109? (6) 溫漂系數(shù)為 ℃ A/D 和 D/A轉(zhuǎn)換器設計 [21] 通常嵌入式單片機（ MCU），由于設計用途的不同，并不是每一種都有 A/D轉(zhuǎn)換，即使有的帶 A/D轉(zhuǎn)換，一般都是 8位或 10位分辨率，用戶在使用這些芯片而又需要較高分辨率的 A/D功能時，一般要外接專用的 A/D芯片，如 MAX110等。這些芯片雖 然具有精度好、分辨率高，使用方便等優(yōu)點，但價格很高，增大了系統(tǒng)成本，為此可使用各種 A/D轉(zhuǎn)換技術構成廉價的 A/D。 一般 A/D轉(zhuǎn)換常用以下四種方式： 1 計算式 A/D。速度慢，結構簡單，價格低。 2 雙積分式 A/D。精度高，速度慢，能消除干擾和電源噪聲。 3 逐次逼近式 A/D。速度高。 4 并行轉(zhuǎn)換 A/D。速度最快，但成本高。 在與計算機相配接時，逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器使用最多，常用的有 8位、 10位、 12位、 16位等。位數(shù)越多，精度越高，價格也越高，應用時根據(jù)精度要求選用。 常用的 8位 A/D轉(zhuǎn)換器有 ADC080 080 0804等型號，有的還帶 8位多路開關，如ADC080 0809等。轉(zhuǎn)換方式可分為兩種： 1 軟件轉(zhuǎn)換方式 —— 用 A/D器件加上軟件實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換。其特點是價格較低、速度慢、軟件復雜。 2 硬件轉(zhuǎn)換方式 —— 直接用 A/D器件，其特點是速度快、價格高、硬件簡單。 A/D轉(zhuǎn)換器硬件與單片機連接的方式如圖 。 8 位 A/D 啟動轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換結束 P1 單片機 8031 8051 8751 P20 INT 鎖存器 VINN 多功能智能化溫度測量儀設計 15 圖 A/D轉(zhuǎn)換器硬件與單片機連接的方式 若 A/D轉(zhuǎn)換器中帶鎖存器，可與單片機直連；若 A/D片中不帶鎖存器，則在單片機與 A/D之間要家鎖存器（如圖 ），如 74LS373等。 至于進入 單片機后的信號如何處理，則要根據(jù)測試控制要求來決定。控制可用位控方式，也可用 D/A轉(zhuǎn)換方式等。 圖 A/D轉(zhuǎn)換與 51單片機的接口 顯示器及鍵盤的設計 [7] 單片機應用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器 LED (Light Emitting Diode)。液晶顯示器 LCD (Liquid Crystal Display)。近年也有配置 CRT顯示器的。 LCD和CRT器可進行圖形設計，但接口比較復雜，成本也較高 。LED顯示器，價格便宜，配置靈活，與單片機接口方便，因此 本設計中采用的是 LED顯示器。在電路中為 8279擴展工 /0控制的 8位共陰極 LED動態(tài)顯示接口電路。由于所有 8位段選線皆由一個 1/0口控制，因此，在每一瞬間， 8位 LED會顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點亮各位 LED，記載每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬間，段選控制 T/0口輸出相應字符段選碼 (字型碼 )，而位選則控制工 /0口在該顯示為送入選通電平 (因為 LED為共陰，故應送低電平 )，以保證該位顯示相應字符。如此輪流，使每位分時顯示該位應顯示字符。逐位輪流點亮各個 LED，每一位停留 lms，在 1020ms之內(nèi)再一次點亮，重復不止，這樣，利用人的視覺暫留好像六位 LED同時點亮了。在此儀器的設計中， LED顯示器的顯示方式采用的是動態(tài)顯示方式。 在本設計中采用 8279可編程鍵盤、顯示器接口芯片。 8279芯片是一種專用于鍵盤、顯示器的接口器件，它能對顯示器自動掃描，能識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，提高 CPU的多功能智能化溫度測量儀設計 16 工作效率。 8279包括鍵盤輸入和輸出兩部分。鍵盤部分提供掃描工作方式，可以和具有64個按鍵和傳感器的陣列相連。能自動消除抖動以及對 n鍵同時按下采取保護。顯示部分為發(fā)光二極管、熒光管及其它顯示器提 供了按掃描方式工作的顯示接口，它為顯示器提供多路復用信號可顯示多達 16位的字符或數(shù)字由于顯示所需電流比 8279輸出的電流要大，所以在顯示器前端用 7407驅(qū)動器對 8279的輸出電流進行放大。 8279的中斷請求信號線 IRQ經(jīng)反向驅(qū)動器 74F04接至 8031外部中斷，這樣，可通過中斷方式對按鍵進行處理 抗干擾措施 單片機應用系統(tǒng)的工作環(huán)境往往都是具有多種干擾源的現(xiàn)場，為提高系統(tǒng)的可靠性?？垢蓴_措施在硬件電路設計中顯得尤為重要。 根據(jù)干擾源引入的途徑，抗干擾措施可以從以下方面考慮。 1）電源 供電系統(tǒng) 為了克服電網(wǎng)以及自本系統(tǒng)其他元件的干擾，可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓、線濾波器、穩(wěn)壓電路各級濾波等防干擾措施。 2） 電路上的考慮 為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，在硬件電路設計時，應采取一系列防干擾措施： (1) 大規(guī)模 IC芯片電源供電端都應加高頻濾波電容，根據(jù)負載電流的情況，在各級供電節(jié)點還應加足夠容量的退藕電容； (2) 開關量 I/O通道與外界的隔離可采用光電耦合器件，特別是與繼電器、可控硅等連接的通道，一定要采取隔離措施； (3) 可采用 CMOS器件提高工作電壓（如 +15V），這樣干擾門限也相應 提高； (4) 傳感器后級的變送器盡量采用電流型傳輸方式，因電流型比電壓型抗干擾能力強； (5) 電路應有合理的布線及接地方法； (6) 與環(huán)境干擾的隔離可采用屏蔽措施。 本章中確定了系統(tǒng)的設計總體方案，溫度檢測所用到的方法，單片機應用系統(tǒng)的研制方案。還具體介紹了各模塊設計方案，初步明確了系統(tǒng)研制方法。此外還考慮到了系統(tǒng)設計中所遇到的干擾和消除干擾的方式，為系統(tǒng) 進一步 的設計做好了準備。 多功能智能化溫度測量儀設計 17 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)總體原理框圖 系統(tǒng)總體原理框圖如圖 圖 系統(tǒng)總體原理框圖 信號輸入部分總體設計 信號輸入部分總體設計如圖 圖 信號輸入部分總體設計 多功能智能化溫度測量儀設計 18 信號輸入部分設計 集成溫度傳感器 [1] 常用的熱電傳感器有熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器等。集成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的 be結壓降的不飽和值 VBE 與熱力學溫度 T和通過發(fā)射極電流 I的下述關系實現(xiàn)對溫度的檢測： ln eBE sJkTUaqJ? （ ） 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，其溫度系數(shù)越為 mV/K，常用的有 LM134/23TMP1 AK590、 AD592 等，電流型傳感器信號適合于遠距離傳輸而無衰變。本次設計用到電流型兩線制集成溫度傳感器 AD590（ 0℃時為 ）。 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： a、流過器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（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— 熱力學溫度，單位為 K。 b、 AD590 的測溫范圍為 55℃～ +150℃。 c、 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，相當于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向電