【正文】 量過小，所以要經(jīng)過兩級放大。 同相比例運算放大電路，輸入信 號從相同輸入端輸入，而反相輸入端通過電阻接地，并引入負(fù)反饋。放大倍數(shù) A=R2/R1=100K/10K=10 其中負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓的相位相反，改變R1和 R2的比值，即可改變其放大倍數(shù)。 2022 級本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 10 頁 共 24 頁 系統(tǒng)組成 地VTC2R6200KR4RW1 500U3CALM324432111143211C1U3DALM324R510K100KR2L3R310KR1L1 圖 熱電偶測溫回路組成 系統(tǒng)分析計算 此電路是反相比例運算電路和同相運算放大電路，熱電偶傳輸來的弱電流信號經(jīng)過次電路的兩極放大，最終得到一個直流電壓值，輸入到 A/D轉(zhuǎn) 化器中。這就是熱電偶測量溫度的基本原理。 導(dǎo)體 A 和 B 組成的熱電偶閉合電路在兩個接點處有兩個接觸電勢 eAB(T)與 eAB(T0)，又因為 T＞ T0，在導(dǎo)體 A和 B中還各有一個溫差電勢。由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫端（ T）電子將向低溫端（ T0）擴散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲電子而帶負(fù)電。這個電場阻礙了電子的擴散，達到動平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢，其大小為： ? ? ? ?BAAB NNekTe /ln/? 式 41 式中 k—— 玻耳茲曼常數(shù)， k= 1023J/K； e—— 電子電荷量， e＝ 1019 C； T—— 接觸處的溫度， K； NA， NB—— 分別為導(dǎo)體 A和 B的自由電子密度。電子擴散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及 接點溫度有關(guān)。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。接點 1 通常是焊接在一起的，測量時將它置于測溫場所感受被測溫度，故稱為測量端 (或工作端熱端）。 熱電偶測溫基本原理 將兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點電 1 和 2 的溫度不同時，如果 T＞ T0 （ 如圖 熱電效應(yīng)），在回路中 就會產(chǎn)生熱電動勢，并在回路中有一定大小的電流，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 c)構(gòu)造簡單，使用方便。 b)測量范圍廣。其優(yōu)點是： a)測量精度高。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 振蕩器特性 :XTAL1 和 XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。注意加密方式 1時， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。另外，該引腳被略微拉高。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 表 P3口特殊功能口 管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制 信號。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。在給出地址 “1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口 ： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 2022 級本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 7 頁 共 24 頁 個 TTL門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高， 且作為輸入。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 在 FIASH編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進行校驗時， P0輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 單片機的選用 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。當(dāng) 8255 的 WR 為低電平時， 8255 接收 2022 級本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 5 頁 共 24 頁 CPU輸出的數(shù)據(jù)，數(shù)字量通過 8255在數(shù)碼管上顯示 。鎖 存 器通過數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)給單片機。當(dāng) EOC 變?yōu)楦唠娖绞潜砻鞔藭r轉(zhuǎn)換已完成。單片機的 ALE腳向 ADC0809 的 CLK發(fā)出電信號。 工作原理 本課題是以 MCU51（ 89C51）系列單片機為核心外加各種功能模塊來實現(xiàn)的，其原理是：當(dāng)熱電偶感觸到一定溫度時（即它的測量范圍內(nèi)）就會將溫度值轉(zhuǎn)換成電壓值。 系統(tǒng)的組成 為了更直觀的了解本設(shè)計，我將整個系統(tǒng)分為了三個設(shè)計模塊： LED 顯示模塊、 A/D轉(zhuǎn)換模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，以下就是各個模塊的功能簡介： a） LED模塊為系統(tǒng)提供采時，通過使用典型的 LED數(shù)碼管，結(jié)合動態(tài)掃描程序?qū)崿F(xiàn)溫度的顯示功能 ； b）數(shù)據(jù)采集模塊利用小信號放大器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 ； c） A/D轉(zhuǎn)換模塊 和其他外圍器件，實現(xiàn)與單片機的正確連接以及編制轉(zhuǎn)換程序。 設(shè)計原則 2022 級本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 4 頁 共 24 頁 硬件設(shè)計原則 a）我們結(jié)合典型的 A/D轉(zhuǎn)換電路，選擇 ADC0809 芯片做主打芯片，實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換 能 ； b）此設(shè)計利用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片配以顯示電路用其所需要的外圍電路實現(xiàn)溫度顯示，具有編程靈活、便于顯示水溫功能的擴充（也可用于爐溫顯示）、精確度高等特點 ； c）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與軟件設(shè)計方案一并考慮； d）整個系統(tǒng)相關(guān)器件力求性能匹配，與環(huán)境相適應(yīng) 。經(jīng)過放大濾波電路處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，結(jié)合典型的 A/D轉(zhuǎn)換電路，選擇 ADC0809芯片做主打芯片，實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能再與單片機相連，其中用 AT89C51 芯片代替 8031 系列芯片。 設(shè)計目的 本設(shè)計最終所要達到的目的有以下幾個方面 ： a)掌握單片機各部分的使用，可以依據(jù)要求進行小規(guī)模的編程； b)熟悉 A/D轉(zhuǎn)換的過程，及其在實踐中的應(yīng)用； c)熟悉各種溫度傳感器的使用，能根據(jù)不同的電路選擇合適類型的傳感器。此外，由于應(yīng)用場合和測溫環(huán)境的不同，在選擇熱電偶的分度號上是有所不同的，其原因是制作熱電偶的材料不同，決定了它的特性，從而直接導(dǎo)致了所測溫度環(huán)境的選擇。 另外，在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛 ，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點。 A/D 轉(zhuǎn)換器的速度越快，即對模擬信號的采樣時間單位分得越細(xì)，圖形記錄就越真實。 在溫度的采集上，我們用到了模擬信號轉(zhuǎn)換器，通常使用一個被稱為模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn) 2022 級本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 3 頁 共 24 頁 換器（ A/D）的電子器件，被廣泛使用在電子信號處理中。 采用 MCS51 單片機來對溫度進行 檢測 ，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 其中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。從前必需 由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(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。 綜合所述，單片機已成為計算機發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。 e)單片機在人類生活中的應(yīng)用 自從單片機誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用 電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進行實時的測量和控制。 d)單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應(yīng)用 在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機器人等各種實時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機作為控制器。單片機作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。 b)單片機在機電一體化中的應(yīng)用 2022 級本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 2 頁 共 24 頁 機電一體化是 機 械工業(yè)發(fā)展的方向。 單片機的應(yīng)用 由于單片機具有顯著的優(yōu)點，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。 e）外部總線增加了 I C（ InterIntegrated Circuit）及 SPI（ Serial Peripheral Interface）等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。 c）控制功能強。單片機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，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。 單片機的特點 單片機主要 有 如下 特點： a）有優(yōu)異的性能價格比。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。 2022 級本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 1 頁 共 24 頁 1 緒論 當(dāng)今世界，隨著科技的發(fā)展，社會的進步，用軟件來控制硬件的產(chǎn)品也如雨后春筍般的出現(xiàn)，其中，單片機的應(yīng)用最為顯著，在開始進入主題之前，我們先來了解一下單片機的有關(guān)信息。 單片機簡介 單片機的概念 單片機也被稱為微控制器（ Microcontroler），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。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 單片機的特點 。 b）集成度高、體積小、有很高的可靠性。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(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。 d）低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 f）單片機的系統(tǒng)擴展和系統(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)。它的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： a) 單片機在智能儀表中的應(yīng)用 單片機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。機電一體化產(chǎn)品是指集成機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品，例如微機控制的車床、鉆床等。 c)單片機在實時控制中的應(yīng)用 單片機廣泛地用于各種實時控制系統(tǒng)中。單片機的實時數(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。多機系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機組成，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。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。另一方面，單片機應(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)計思想和設(shè)計方法。 溫度 檢測 的發(fā)展過程 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常 用的主要被控參數(shù)。 例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。它將線圈上的衰減振蕩模擬波形變化量高速轉(zhuǎn)換成單位時間的電壓量數(shù)字信號以供 MCU信息處理系統(tǒng)進行數(shù)字化處理，起到了將模擬信號數(shù)字化極為關(guān)鍵的橋梁作用。而對于波形振蕩周期非常之短的線圈來說，它的電壓隨時間變化的速度非常之快，因而將震蕩波形的模擬信號數(shù)字化變換時，要求使用變換速度非常高的 A/D轉(zhuǎn)換器，否則就不能正確采集、真實顯示這個高速變化的波形。由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。 2 設(shè)計 概述 本章主要是介紹一下此設(shè)計的設(shè)計目的及設(shè)計思路等簡要內(nèi)容。 設(shè)計思路 本