【正文】 DC接口等功能的溫度測量控制電路。總線型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī) 稱為非總線型單片機(jī)。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。例如， 80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。 單片機(jī)的這種高性能，低價(jià)格是它最顯著的一個(gè)特點(diǎn)。有的單片機(jī)為了提高速度和執(zhí)行效率，可是采用了 RISC 流水線和 DSP 的設(shè)計(jì)技術(shù)，使單片機(jī)的性能明顯優(yōu)于同類型微處理器，有的單片機(jī)片內(nèi)的 ROM 可達(dá) 64KB（式中的 ‘B’ 表示為字節(jié)），片內(nèi) RAM 可達(dá) 2KB，單片機(jī)的尋址已突破 64KB 的限制，八位和十六位單片機(jī)尋址可達(dá) 1MB和 16MB。 單片機(jī)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(jī)的可靠性與抗干擾能力。 （ 3） 控制功能強(qiáng)。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、 I/O 口的 邏輯操作以及位處理功能。 （ 4） 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。許多單片機(jī)已可在 V 的電壓下運(yùn)行，有的已能在 V 或 V 下工作；功耗降至為 μA 級(jí)，一粒紐扣電池就可以長期使用。 單片機(jī)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(jī)的可靠性與抗干擾能力。 外部總線增加了 I C（ InterIntegrated Circuit）及 SPI（ Serial Peripheral Interface）等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)。 其主要在智能儀器和控制中的應(yīng)用。 (2)單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用 機(jī)電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。單片機(jī)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機(jī)器人等各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，都可以用單片機(jī)作為控制器。 (4) 單片機(jī)在分布式多機(jī)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(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為一個(gè)終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對(duì)現(xiàn)場信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量和控制。 (5) 單片機(jī)在人類生活中的應(yīng)用 自從單片機(jī)誕生以后，它就步 入了人類生活，如洗衣機(jī)、電冰箱、電子玩具、收錄機(jī)等家用電器配上單片機(jī)后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。 綜合所述，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。 單片機(jī)應(yīng)用 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) [10] 單 片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（開發(fā)）的最終目的是能把它應(yīng)用到實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)以及儀器儀表、家用電器、汽車制造、醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域。有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般開發(fā)、研制方法論述如下： 多功能智能化溫度測量儀設(shè)計(jì) 7 1） 組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本方法 用單片機(jī)組成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際問題的領(lǐng)域很寬，要求各不相同，組成的方案也千差萬別，很難有一個(gè)固定的模式適應(yīng)一切問題，但考慮問題的基本方法大體相似。無論是制作智能儀表還是研制工業(yè)控制系統(tǒng)都要對(duì)應(yīng)用對(duì)象的工作過程進(jìn)行深入調(diào)查和分析，了解課題的目的要求、信號(hào)的種類和數(shù)量、應(yīng)用的環(huán)境等等，要把課題最終的指標(biāo)明確下來。分析所接受任務(wù)的技術(shù)關(guān)鍵，論證能否用計(jì)算機(jī)來解決，有沒有別的途徑，用計(jì)算機(jī)合算與否，用什么計(jì)算機(jī)等等。 ③ 提出各分課題的設(shè)計(jì)方案。 ④ 完成總體設(shè)計(jì)，完成各分課題的任務(wù)，組成計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 2） 應(yīng)用系統(tǒng)研制進(jìn)程 所謂應(yīng)用系統(tǒng)，就是利用單片機(jī)為某應(yīng)用目的而設(shè)計(jì)的單片機(jī)專用系統(tǒng)（在調(diào)試過程中通常稱為目標(biāo)系統(tǒng)）。硬件指單片機(jī)、擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備、控制設(shè)備、執(zhí)行部件等組成的系統(tǒng)，軟件是各種控制程 序的總稱。在系統(tǒng)的研制過程中，軟硬件的功能總是在不斷地調(diào)整，以便相互適應(yīng)，相互配合，以達(dá)到最佳性能價(jià)格比。各個(gè)階段所完成的主要工作概述如下： 總體設(shè)計(jì)主要包括確定技術(shù)指標(biāo)，機(jī)型及器件選擇，軟、硬功能劃分等。 軟件的主要任務(wù)是定義系統(tǒng)功能，軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫出程序結(jié)構(gòu)框圖及各功能的程序框圖，逐個(gè)編寫程序。也可采用高級(jí)語言編程。軟件調(diào)試完成后再進(jìn)行軟、硬聯(lián)機(jī)調(diào)試直至最后生成可用的軟、硬件系統(tǒng)。詳細(xì)的開發(fā)過程可以參閱有關(guān)的資料。在回顧了單片機(jī)發(fā)展歷史，分析了其分類和特點(diǎn)之后，重點(diǎn)介紹了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為下一步課題設(shè)計(jì)做了充分的準(zhǔn)備。再在軟件上模擬實(shí)現(xiàn)要求的功能，調(diào)試出結(jié)果 。 2 根據(jù)實(shí)際測量要求制定出一次儀表一傳感器的選擇、使用和安裝方案。 4 對(duì)該儀器的功能進(jìn)行了初步認(rèn)定，從原理和實(shí)際意義上分析了該儀器的測量誤差。 系統(tǒng)功能 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的主要內(nèi)容（ 功能）如下： （ 1） 根據(jù)要求 設(shè)計(jì)時(shí)鐘并 顯示； （ 2） 自動(dòng)檢測 溫度 并顯示 ； （ 3） 用 LED顯示方式； （ 4） 溫度以℃為單位 ； 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 將集成溫度傳感器 AD590（ 0℃時(shí)為 ）因溫度變化，導(dǎo)致電流變化（ ℃），經(jīng) OPA轉(zhuǎn)換為電壓變化輸入 ADC0804，輸入電壓 Vin（ 0～ 5V之間）經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，其值由 8751處理，最后將其顯示在 D4， D3， D2， D1共四個(gè)七段顯示器。該溫度測量儀可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量，數(shù)據(jù)的顯示、儲(chǔ)存以及日歷時(shí)間 的顯示。各種溫度測量多功能智能化溫度測量儀設(shè)計(jì) 10 方法各有自己的特點(diǎn)和各自的測量范圍，常用的測溫方法、類型及特點(diǎn)如表 所示。需注意寄生熱電勢及動(dòng)圈式儀表電阻對(duì)測量結(jié)果的影響 其 他 20～ 1100 ～ 熱電阻 鉑 260～ 600 ～ 精度及靈敏度均較好，需注意環(huán)境溫度的影響 鎳 150～ 300 ～ 銅 0～ 180 ～ 熱敏電阻 50～ 350 ～ 體積小，響應(yīng)快，靈敏度高，線性差，需注意環(huán)境溫度影響 非接觸式 輻射溫度計(jì) 800～ 3500 1 非接觸測量，不干擾被測量度場，輻射率影響小，應(yīng)用簡便 光高溫度計(jì) 700～ 3000 1 熱探測器 200～ 2021 1 非接觸測溫，不干擾被測溫度場，響應(yīng)快，測溫范圍大，適于測量溫度分布，易受外界干擾，標(biāo)定困難 熱敏電阻探測器 50～ 3200 1 光子探測器 0～ 3500 1 其 他 示溫涂料 碘化銀，二碘化貢，氯化鐵，液晶等 35～ 2021 1 測溫范圍大，經(jīng)濟(jì)方便，特別適于大面積連 續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)零件上的測量，精度低，人為誤差大 多功能智能化溫度測量儀設(shè)計(jì) 11 表 常用的測溫方法、類型及特點(diǎn) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程 [14] 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程如圖所示。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接受設(shè)計(jì)任務(wù) 明確任務(wù)、歸并要求 選 機(jī)，劃 分 軟 硬 件 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 聯(lián) 機(jī) 仿 真 調(diào) 試 排 除 故 障，修 改 程 序 固 化 程 序 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 獨(dú) 立 運(yùn) 行 研 制 完 成 多功能智能化溫度測量儀設(shè)計(jì) 12 和通過發(fā)射極電流 I的下述關(guān) BEV 系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測： ln eBE sJkTUaqJ? 式中， k— 波爾茲常數(shù)； q— 電子電荷絕對(duì)值。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。 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。 （ 2） AD590 的測溫范圍為 55℃～ +150℃。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。 （ 4）輸出電阻為 710M?。 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(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合。 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。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。 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。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)。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。單片機(jī)控制的一般模式如圖 。若再要求記憶用戶的一些設(shè)置，還需要使用存儲(chǔ)器。 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。 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。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 量現(xiàn)場 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 多功能智能化溫度測量儀設(shè)計(jì) 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(hào)放大。 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。 一般 A/D轉(zhuǎn)換常用以下四種方式： 1 計(jì)算式 A/D。 2 雙積分式 A/D。 3 逐次逼近式 A/D。 4 并行轉(zhuǎn)換 A/D。 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。 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。其特點(diǎn)是價(jià)格較低、速度慢、軟件復(fù)雜。 A/D轉(zhuǎn)換器硬件與單片機(jī)連接的方式如圖 。 至于進(jìn)入 單片機(jī)后的信號(hào)如何處理，則要根據(jù)測試控制要求來決定。 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)。近年也有配置 CRT顯示器的。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。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。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。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。 在本設(shè)計(jì)中采用 8279可編程鍵盤、顯示器接口芯片。 8279包括鍵盤輸入和輸出兩部分。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)。 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，為提高系統(tǒng)的可靠性。 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。 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