【正文】 時中斷采樣溫度中，本設(shè)計只給出A/D采樣濾波子程序，通信部分請參照基于CAN總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信模塊。若折點標(biāo)志位不為1時，接著判斷上限報警標(biāo)志位是否為1，若為1，更改上限報警值并顯示，接著調(diào)用上傳上限報警子程序上傳上限報警值，最后清除相關(guān)標(biāo)志位和鍵盤數(shù)值，退出鍵盤處理子程序。接著計算各折線段溫度送顯示。首先進(jìn)行初始化，判斷是否折點標(biāo)志位是否為1，若是，再判斷折點更改標(biāo)志位是否為0，為0說明輸入的數(shù)值是溫度標(biāo)度變換折線化的折點對應(yīng)的溫度，把它存于折點溫度數(shù)組，若為1則把它存于折點毫伏電壓數(shù)組。 更改報警值處理子程序流程圖 取消鍵處理子程序流程圖，當(dāng)按下Delete鍵時，對鍵盤的輸入的數(shù)值清零，報警相關(guān)標(biāo)志位、小數(shù)點相關(guān)標(biāo)志位清零，只是在改變折點時只對數(shù)值清零，而不對標(biāo)志位清零，以免造成輸入的混亂。，當(dāng)按下HL鍵時，更改報警值，首先判斷更改標(biāo)志位的值，若為0，則使High_Flag=1，當(dāng)按下數(shù)值并按下確認(rèn)鍵后就能更改上限報警值，使flag1=1，準(zhǔn)備下一次按下HL鍵能切換到更改下限報警值，使Low_Flag=0。，當(dāng)按下TSpot鍵時，首先循環(huán)顯示已有的折點的溫度和對應(yīng)的毫伏電壓。若小數(shù)點標(biāo)志位不為0，則原數(shù)值乘10和新輸入的數(shù)字相加得到處理后的數(shù)值，最后送顯示。 溫度鍵盤掃描處理子程序流程圖 在數(shù)字鍵處理子程序中，主要是如何實現(xiàn)的鍵盤輸入數(shù)字的移動方向。否則繼續(xù)往下執(zhí)行。 溫度傳感器節(jié)點主程序流程圖鍵盤掃描處理子程序是本設(shè)計的重點，在鍵盤掃描處理程序中先掃描鍵盤，若有鍵按下，延時10ms，再判斷是否有鍵按下，沒有則退出鍵盤，有則讀取鍵值，并設(shè)置有鍵按下標(biāo)志位。MCU初始化主要是對單片機中用到的全局變量的定義，如鍵盤的輸入值、報警值、溫度采樣值的定義及賦初值，也包括用到的端口和一些標(biāo)志位等的定義和賦初值以及看門狗的初始化。在鍵盤鎖開鎖后，只采樣兩路信號后不顯示出來，因為此時鍵盤已經(jīng)占據(jù)數(shù)碼管顯示。 溫度傳感器節(jié)點軟件設(shè)計溫度傳感器節(jié)點主要是分時采集兩路溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機進(jìn)行冷端溫度補償及標(biāo)度變換送顯示，并判斷是否超限，根據(jù)判斷顯示結(jié)果。通過編寫各功能子程序，實行模塊化編程，這樣能提高編程效率，便于閱讀和修改，本設(shè)計實行模塊化設(shè)計。上位機部分的監(jiān)測界面使用VB語言編程。軟件設(shè)計的主要功能是鍵盤、通信和信號采集的編程及程序的調(diào)試。CR3的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因為這時單片機的振蕩器已經(jīng)在工作。在看門狗定時器預(yù)置的時間內(nèi)若沒有總線活動，則X5045將從RST輸出一個高電平信號，經(jīng)過微分電路CR3輸出一個正脈沖，使單片機復(fù)位。 X5045指令及其含義指令名指令格式操作WRE000000110允許寫操作WRDI000000100禁止寫操作RDSR000000101讀狀態(tài)寄存器WRSR000000001寫狀態(tài)寄存器READ0000A8011把開始于所選地址中WRITE0000A8010把數(shù)據(jù)寫入所選地址。wd1＝1，wd0=1，禁止看門狗工作。 wd1＝0，wd0=1。X5045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中wdwd0和看門狗電路有關(guān)，其余位和EEPROM的工作設(shè)置有關(guān)。當(dāng)有鍵按下時，通過單片機對P2口的讀寫操作，就可以確定是否有鍵按下，以及哪個鍵被按下。更改上下限報警值在實際的工業(yè)生產(chǎn)中也是經(jīng)常用到的，所以本設(shè)計設(shè)定了HL鍵，用于更改上下限報警值。這樣設(shè)計既減少了系統(tǒng)維護(hù)的成本，又有利于系統(tǒng)的維護(hù)。確認(rèn)鍵的設(shè)置是顯而易見的，各個數(shù)值的確定，功能鍵的確定都要依靠ENTER確認(rèn)鍵來實現(xiàn)。當(dāng)要使用鍵盤時，則必須首先按下此鍵，表示進(jìn)入鍵盤處理，此后按下鍵盤的其他鍵值時能在顯示上馬上體現(xiàn)出來，直到再次按下KeyLock鍵，退出，鍵盤處理。 鍵盤示意圖，0~9是數(shù)字鍵，.小數(shù)點按鍵，ENTER鍵是確認(rèn)鍵，HL鍵是更改上下限報警值鍵，KeyLock鍵是鎖鍵盤鍵，Delete鍵是取消鍵，在溫度節(jié)點中，Tspot鍵表示顯示更改折點值，并能更改測溫范圍；在壓力節(jié)點中，Pa鍵用于更改測壓范圍。并且單片機對時間的要求不是特別嚴(yán)，所以本設(shè)計采樣掃描鍵盤。中斷掃描法就是當(dāng)沒有鍵按下時，CPU不對鍵盤進(jìn)行掃描，當(dāng)有鍵按下，立即向CPU申請中斷，CPU中斷后，立即轉(zhuǎn)到響應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，對鍵盤掃描，并做相應(yīng)的處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，便進(jìn)行讀入鍵盤操作，求出鍵值，并分別做相應(yīng)的處理。程控掃描法是由程序控制鍵掃描的方法。在鍵數(shù)較多時，一般都使用矩陣鍵盤。在鍵盤設(shè)計時，必須考慮按鍵的確認(rèn)、重鍵和連擊的處理、按鍵防抖技術(shù)、鍵盤的設(shè)置等問題。后者則通過軟件來確定按鍵并計算鍵值。前者能自動識別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，并行或串行方式發(fā)給CPU。 串行口靜態(tài)顯示電路 鍵盤 鍵盤接口技術(shù) 鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)指令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。本設(shè)計要顯示的數(shù)據(jù)是0℃~400℃的溫度值和0~30KPa的壓力值，以及熱電偶產(chǎn)生的毫伏電壓值等參數(shù)。靜態(tài)顯示電路的最大優(yōu)點就是只要不送數(shù)據(jù)，則顯示值不變化。由此可見，這種顯示將使單片機的開銷增大，在工業(yè)控制為主的控制系統(tǒng)中很少使用[7]。這種顯示的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格便宜，線路簡單。在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示。在系統(tǒng)顯示中，常用到的顯示方法有兩種：一種為動態(tài)顯示，一種為靜態(tài)顯示。而CRT、LCD等由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，價格也比較貴，所以目前在工業(yè)中廣泛使用LED數(shù)碼管[7]。 顯示方式 在工業(yè)顯示技術(shù)中，常用的顯示方式有二極管顯示、LED顯示、LCD顯示、CRT顯示。P0口與CAN控制器連接。P2口接鍵盤。X5045的RST與上電復(fù)位和手動復(fù)位相或后接89C52的RST；電容CR65構(gòu)成上電復(fù)位電路；R6開關(guān)SWR65構(gòu)成手動復(fù)位電路；當(dāng)任何一個復(fù)位生效時，通過或門就能使單片機復(fù)位。TLC0832的CH0和CH1分別和K型熱電偶和AD590的放大電路連接。下邊主要設(shè)計分析單片機的電路連接，具體的分析在后面相關(guān)小節(jié)。該信號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。向X5045加電時會激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使RESETX5045是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導(dǎo)致看門狗復(fù)位系統(tǒng)也癱瘓。 KPa，這已經(jīng)能夠滿足設(shè)計的要求，TLC0832采用單5V供電，輸入范圍為0～5V，能分時采集兩路單端輸入信號或一路差分輸入信號，并且TLC0832還具有抗干擾性較好等優(yōu)點，選用TCL0832作為本設(shè)計的A/D采樣芯片。 A/D芯片的選擇本設(shè)計采集的溫度范圍為0℃~400℃，壓力范圍為0 ~30KPa，若使用分辨率為8位的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC0832，最大不可調(diào)誤差為177。AT89C52是ATMEL公司生產(chǎn)的增強型8051單片機，它是8位CPU，具有256個字節(jié)片內(nèi)RAM和8K片內(nèi)ROM，一個全雙工串行口，3個定時器/計數(shù)器，5個中斷源和2個中斷優(yōu)先級，32根I/O口[6]。溫度節(jié)點和壓力節(jié)點中的單片機數(shù)據(jù)采集模塊的硬件部分基本是一樣的，所以本章一起介紹。本設(shè)計設(shè)計的測壓范圍為0~30KPa，輸出的電壓范圍為20mV~56mV，所以放大倍數(shù)為 （）這樣在壓力節(jié)點采樣時，采樣來的二進(jìn)制值是在0~0xFF之間，在軟件編程中，通過0x00~0xFF和0~30KPa之間的線形關(guān)系來求解壓力值。從而放大電路總的放大倍數(shù) （）代入阻值，可得 （）為使差動放大電路的參數(shù)保持對稱，應(yīng)使兩個差分對基極對地的電阻一致，以免靜態(tài)基流流過這兩個電阻時，在運放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓，所以A4的正極接的電阻應(yīng)等于RW3和R8的并聯(lián)電阻。 MPX53DP壓力輸出電壓曲線圖 放大電路： MPX53DP放大電路圖放大電路用了4個放大器，前邊的AAA3及附屬的電阻組成了三運放差分放大電路，在前邊的AD590溫度傳感器的放大電路中就用的三運放差分放大電路，放大電路的分析可參照第二章AD590放大電路部分。在一定范圍內(nèi)不用進(jìn)行補償。MPX53DP的測壓范圍為0~50 KPa，對應(yīng)輸出的電壓為20mV~80mV， mV / KPa。這樣測得不平衡電橋的輸出電壓，就測出了膜片受到的壓力差的大小。4個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓。膜片的四周用圓環(huán)（硅杯）固定，膜片的兩邊有兩個壓力腔，一個是與被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，一般與大氣相通。因此，它是一種目前比較理想的壓力傳感器。本設(shè)計采用的是美國MOTOROLA公司的MPX53DP擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器，輸入信號為差壓信號，正端接待測壓力，負(fù)端與大氣相通。每隔一定時間把采樣值送CAN總線接口與CAN總線通信，最終送上位機。從而實現(xiàn)線性放大的目的。相當(dāng)于0℃時，AD590在1K負(fù)載上產(chǎn)生的電壓。通過R8的取壓，在放大器U1A的正輸入端產(chǎn)生對應(yīng)的電壓。當(dāng)R18=R19，R20=R21時，兩級的總增益為兩個差模增益的乘積，即： （）代入電阻的阻值，可得 （）式中的RW3為接入電阻。這樣對于U1A和U2A的漂移要求就會降低。這個因素不僅與實際的共模輸入有關(guān)，而且也與U1A和U2A的失配電壓和漂移有關(guān)。U1A、U2A提高了差模信號與共模信號之比，即提高了信噪比。第II級主要由U3A等器件組成，采用差動電路用以提高共模抑制比。 AD590放大電路，AD590的放大電路采用三運放差分放大電路。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。精度高。AD590的電源電壓范圍為4V～30V， AD590外型管腳圖它的主要特性如下：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： mA/K 其中Ir流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T為熱力學(xué)溫度，單位為K。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。本設(shè)計采用軟件計算修正的方法來實現(xiàn)熱電偶的冷端溫度補償。4．軟件計算修正法：在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0℃，而是環(huán)境溫度T1，這時測量出的回路熱電勢比實際溫度對應(yīng)的熱電勢要偏小，因此必須加上環(huán)境溫度T1與冰點T0之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶的分度表的要求。3．冷端補償電橋法：這種方法是利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。2．熱電偶冷端溫度恒溫法：這種方法就是通過一定的方法把熱電偶的冷端溫度保持在恒定的溫度，一般為0℃。這就是熱電偶的冷端處理和補償[5]。 熱電偶的冷端溫度補償由熱電偶測溫公式可知，熱電偶的熱電勢大小不僅和熱端溫度有關(guān)，還和冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定的時，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端溫度。由圖可求出放大電路的放大倍數(shù) （）式中RW5為接入電阻，單位為kΩ。RW4電位器用于零位調(diào)節(jié)。 K型熱電偶溫度輸出熱電勢關(guān)系圖： K熱電偶放大電路如圖所示，INP+接熱電偶的正極，INP接熱電偶的負(fù)極，R22起上拉電阻的作用，電容起到濾波抗干擾的作用。K型熱電偶輸出的是毫伏電壓信號，而單片機采樣接收的是標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，所以必須把毫伏電壓信號放大成0~5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。 熱電偶的選擇及其放大電路本設(shè)計選用K型熱電偶作為測溫元件。能用于氧化性和惰性氣氛中。其使用溫度0～1300℃。S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶[5]。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。這樣，在A，B接觸處形成一定的電位差，這就是接觸電勢（也叫帕爾帖電勢），其大小可表示為 （）式中，為電極A和電極B在溫度為T時的接觸電勢；為玻耳茲曼常數(shù)；T為接觸面的絕對溫度；為單位電荷量；、分別為金屬電極A和B的自由電子密度。 熱電偶原理圖由于不同的金屬材料內(nèi)部的自由電子密度不相同，當(dāng)兩種金屬材料A和B接觸時，自由電子就要從密度大的金屬材料擴(kuò)散到密度小的金屬材料中去，從而產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。其主要優(yōu)點是測溫范圍廣，精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好，把溫度轉(zhuǎn)換為電勢信號便于處理和遠(yuǎn)距離傳輸[5]。 熱電偶及其放大電路 熱電偶測溫原理熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的傳感器。第二章 溫度傳感器節(jié)點本節(jié)點通過兩個傳感器采集溫度信號，并通過放大電路放大信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送到單片機中進(jìn)行處理后送顯示；每隔一定時間把采樣數(shù)字信號經(jīng)CAN總線通信，在上位機顯示；通過鍵盤可以更改上、下限報警值和熱電偶線性化的折點坐標(biāo)。在CAN總線中，系統(tǒng)通過CANRS232轉(zhuǎn)接接口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機。在2個下位機傳感器節(jié)點上，單片機89C52都接看門狗復(fù)位電路、鍵盤和數(shù)碼管等附屬電路。 基于CAN總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖壓力傳感器節(jié)點設(shè)計。AD590采集到的溫度既作為一路采集溫度在上位機上顯示，又作為K熱電偶的冷端補償溫度。溫度傳