【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(hào)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℃時(shí)為 ）。 AD590 是美國(guó)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(cè)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(huì)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(cè)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(chǎng)合。由于 AD590 精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測(cè)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(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，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(shí)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(jià)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(jià)比高的單片機(jī)及其它器件，但在某些特殊場(chǎng)合，當(dāng)性能成為決定因素時(shí)，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)。 13 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程的被測(cè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。單片機(jī)控制的一般模式如圖 。 圖 單片機(jī)用于測(cè)量控制系統(tǒng)原理示意圖 時(shí)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(shí)間有關(guān)的控制，這就需要使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘。若再要求記憶用戶的一些設(shè)置，還需要使用存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)采用一片 DALLAS公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS13 02和兩片 Intel公司的 E2PR OM2 864芯片。 DS 13 02 是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加 31字節(jié)靜態(tài) RAM，可通過簡(jiǎn)單的串行總線與單片機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于 31天時(shí)可自動(dòng)調(diào)整，包括閏年，有效期至 2100年?？刹捎?12h或 24h方式計(jì)時(shí)，采用雙電源 (主電源和備用電源 )供電，可設(shè)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(jī)各部分是通過內(nèi)部的總線有機(jī)地連接起來的 放大器的設(shè)計(jì) 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(cè)量放大器進(jìn)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(cè)量放大器的輸入阻抗高，易于與各種信號(hào)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(shí)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(duì)微小差模信號(hào)的放大。它是一種高性能的放大器，常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、流量計(jì)量、生需測(cè) 量現(xiàn)場(chǎng) 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 14 物測(cè)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(hào)放大。本設(shè)計(jì)中選用了 AD521，它是美國(guó) 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(shè)計(jì) [21] 通常嵌入式單片機(jī)（ MCU），由于設(shè)計(jì)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(shí)，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(diǎn)，但價(jià)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(shù)構(gòu)成廉價(jià)的 A/D。 一般 A/D轉(zhuǎn)換常用以下四種方式： 1 計(jì)算式 A/D。速度慢，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)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(jì)算機(jī)相配接時(shí)，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(jià)格也越高，應(yīng)用時(shí)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(hào)， 有的還帶 8位多路開關(guān)，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(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是價(jià)格較低、速度慢、軟件復(fù)雜。 2 硬件轉(zhuǎn)換方式 —— 直接用 A/D器件，其特點(diǎn)是速度快、價(jià)格高、硬件簡(jiǎn)單。 A/D轉(zhuǎn)換器硬件與單片機(jī)連接的方式如圖 。 8 位 A/D 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換結(jié)束 P1 單片機(jī) 8031 8051 8751 P20 INT 鎖存器 VINN 15 圖 A/D轉(zhuǎn)換器硬件與單片機(jī)連接的方式 若 A/D轉(zhuǎn)換器中帶鎖存器，可與單片機(jī)直連；若 A/D片中不帶鎖存器，則在單片機(jī)與 A/D之間要家鎖存器（如圖 ），如 74LS373等。 至于進(jìn)入單片機(jī)后的信號(hào)如 何處理，則要根據(jù)測(cè)試控制要求來決定?？刂瓶捎梦豢胤绞?，也可用 D/A轉(zhuǎn)換方式等。 圖 A/D轉(zhuǎn)換與 51單片機(jī)的接口 顯示器及鍵盤的設(shè)計(jì) [7] 單片機(jī)應(yīng)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(jìn)行圖形設(shè)計(jì)，但接口比較復(fù)雜，成本也較高 。LED顯示器，價(jià)格便宜，配置靈活，與單片機(jī)接口方便，因此本設(shè)計(jì)中采用的是 LED顯示器。在電路中為 8279擴(kuò)展工 /0控制的 8位共陰極 LED動(dòng)態(tài)顯示接口電路。由于所有 8位段選線皆由一個(gè) 1/0口控制，因此，在每一瞬間， 8位 LED會(huì)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(diǎn)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(yīng)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?yàn)?LED為共陰，故應(yīng)送低電平 )，以保證該位顯示相應(yīng)字符。如此輪流，使每位分時(shí)顯示該位應(yīng)顯示字符。逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè) LED，每一位停留 lms，在 1020ms之內(nèi)再一次點(diǎn)亮，重復(fù)不止，這樣，利用人的視覺暫留好像六位 LED同時(shí)點(diǎn)亮了。在此儀器的設(shè)計(jì)中， LED顯示器的顯示方式采用的是動(dòng)態(tài)顯示方式。 在本設(shè)計(jì)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(duì)顯示器自動(dòng)掃描，能識(shí)別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)，提高 CPU的 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(gè)按鍵和傳感器的陣列相連。能自動(dòng)消除抖動(dòng)以及對(duì) n鍵同時(shí)按下采取保護(hù)。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(fù)用信號(hào)可顯示多達(dá) 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(dòng)器對(duì) 8279的輸出電流進(jìn)行放大。 8279的中斷請(qǐng)求信號(hào)線 IRQ經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器 74F04接至 8031外部中斷，這樣，可通過中斷方式對(duì)按鍵進(jìn)行處理 抗干擾措施 單片機(jī)應(yīng)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(chǎng)，為提高系統(tǒng)的可靠性。抗干擾措施在硬件電路設(shè)計(jì)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(jí)濾波等防干擾措施。 2） 電路上的考慮 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(yīng)加高頻濾波電容，根據(jù)負(fù)載電流的情況，在各級(jí)供電節(jié)點(diǎn)還應(yīng)加足夠容量的退藕電容； (2) 開關(guān)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(yīng)提高； (4) 傳感器后級(jí)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(qiáng)； (5) 電路應(yīng)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(shè)計(jì)總體方案，溫度檢測(cè)所用到的方法，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制方案。還具體介紹了各模塊設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中所遇到的干擾和消除干擾的方式，為系統(tǒng) 進(jìn)一步 的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。 17 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 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(hào)輸入部分總體設(shè)計(jì) 信號(hào)輸入部分總體設(shè)計(jì)如圖 圖 信號(hào)輸入部分總體設(shè)計(jì) 18 信號(hào)輸入部分設(shè)計(jì) 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(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(duì)溫度的檢測(cè)： ln eBE sJkTUaqJ? （ ） 式中， k— 波爾茲常數(shù)； q— 電子電荷絕對(duì)值。 集成溫度傳感器按輸出信號(hào)可分為電壓型和電流型兩種，其輸出電壓或電流與絕對(duì)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，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(hào)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℃時(shí)為 ）。 AD590 是美 國(guó)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(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。 b、 AD590 的測(cè)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(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(huì)被損壞。 d、輸出電阻為 710M?。 e、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。 ℃。 集成溫度傳感器是利用晶體管 PN結(jié)的電流和電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測(cè)元件。它除了與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣有體積小 反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)外，還具有線形好、性能高、價(jià)格低、抗