【正文】 n 8SSIkT kTI R Rq I q?? （ 9 118SSII? ） () 由以上分析可得到，芯片總工作電流 0I 為 0 1 63 ln 8kTI I Rq?? 或 01I kT? () 式中，01 63 ln 8kIk qR?? 上式表明：總電流 I0 與絕對(duì)溫度成正比。因 8VT 的發(fā)射區(qū)面積為 3VT 管的一半，則流過 8VT 的集電極電流（ VT6 管電流）為 I/2，顯然流過 7VT 管的集電極電流亦為 I/2。 10VT 與 11VT 的幾何尺寸相同， VT11 的集電極電流數(shù)值上等于 10VT 的集電極電流。 7VT 、 8VT 的工作電流來自二極管接法的晶體管 10VT 。 圖 是簡(jiǎn)化的電流型集成溫度傳感器的基本 原理圖，圖中晶體管 1VT 、 3VT 、 9VT 、11VT 是最關(guān)鍵的元件，管子旁邊標(biāo)注的數(shù)字是發(fā)射區(qū)的等效個(gè)數(shù)，如 PNP 管 1VT 和 3VT 的發(fā)射區(qū)面積是 6VT 管發(fā)射區(qū)的 2 倍。 其工作原理如下： AD590 屬于電流型集成溫度傳感器，電流型集成溫度傳感器是一個(gè)輸出電流與溫度多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 19 成比例的電流源，由于電流很容易變成電壓，因此這種傳感器應(yīng)用十分方便。 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。 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。 d、輸出電阻為 710M?。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。 b、 AD590 的測(cè)溫范圍為 55℃～ +150℃。 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。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。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。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。 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。 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?？垢蓴_措施在硬件電路設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。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。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。 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的多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 16 工作效率。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。如此輪流，使每位分時(shí)顯示該位應(yīng)顯示字符。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。 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 。液晶顯示器 LCD (Liquid Crystal Display)。控制可用位控方式，也可用 D/A轉(zhuǎn)換方式等。 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 多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 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。 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。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。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。速度最快，但成本高。速度高。精度高，速度慢，能消除干擾和電源噪聲。速度慢，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低。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。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。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。測(cè)量放大器的輸入阻抗高，易于與各種信號(hào)源相匹配?？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。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。 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。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。 多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 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。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。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。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。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。 ℃。 （ 5）精度高。 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。 （ 3） AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V。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。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 ）。 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。 圖 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。 測(cè)量方式 溫 度 計(jì) 或 傳 感 器 類 型 測(cè)量范圍/℃ 精度 /% 特 點(diǎn) 接 觸 式 熱膨脹式 水 銀 50～ 650 ～ 1 簡(jiǎn)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～ 600 1 耐振 ，堅(jiān)固，價(jià)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(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)方便，應(yīng)用廣泛。 溫度檢測(cè)的主要方法 溫度檢測(cè)方法一般可以分為兩大類，即接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法。其中包含了時(shí)鐘顯示電路。 5 介紹本儀器的優(yōu)點(diǎn)及不足，并對(duì)未來的發(fā)展提出了展望。 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(shí)顯示和存儲(chǔ)等。本文介紹了該測(cè)量?jī)x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(guó)內(nèi)外溫度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以及溫度檢測(cè)技術(shù)的未來發(fā)展方向。 多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 9 第 2 章 多功能 智能化 溫度測(cè)量?jī)x 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(guó)內(nèi)外測(cè)溫狀況，研究分析 熱電偶的測(cè)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(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)方案，確定硬件并寫出程序藍(lán)本。 本章主要分析了國(guó)內(nèi)外溫度測(cè)試的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)，系統(tǒng)的介紹了本課題主要用到單片機(jī) 。 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，插多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 8 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。 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(cuò)誤。一般采用匯編語言編程較為適合。硬件設(shè)計(jì)主要包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)器等的設(shè)計(jì)等。 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(gè)階段。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)。 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。 ⑤ 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、修改、完善。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。如果可行，應(yīng)對(duì)接受的課題提出初步方案，劃分軟、硬件各分課題的任務(wù)。 ② 進(jìn)行可行性論證，提出初步方案。對(duì)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(chǎng)，明確指標(biāo)。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。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。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。單片機(jī)將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。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。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺(tái)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)的實(shí)時(shí)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。 (3) 單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用 單片機(jī)廣泛地用于各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。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。 (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(cè)量的自動(dòng)化程度和精度， 簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。 2） 單片機(jī)的應(yīng)用 多功能智能化溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 6 單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，可以說覆蓋了所有領(lǐng)域。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。 (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)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。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)。 單片機(jī)是電子計(jì)算機(jī)這個(gè)龐大家族中的一個(gè)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。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。 單片機(jī)另一個(gè)顯著特點(diǎn)是量大面廣，因此世界上個(gè)大公司提高單片機(jī)性能的同時(shí)，進(jìn)一步降低價(jià)格，性能 /價(jià)格之比是各公司競(jìng)爭(zhēng)的主要策略 （ 2） 集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機(jī)盡可能把應(yīng)