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单片机温控系统设计

单片机温控系统设计

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2009-04-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《单片机温控系统设计doc》,可适用于IT/计算机领域

单片机温控系统设计摘要本设计是以一个保温箱为控制对象以ATC为控制系统核心通过单片机系统设计实现对保温箱温度的显示和控制功能。本温度控制系统是一个闭环反馈调节系统由温度传感器AD对保温箱温度进行检测经过调理电路得到合适的电压信号。经AD转换芯片得到相应的温度值将所得的温度值与设定温度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号去调节加热器的通断从而实现对保温箱温度的显示和控制。本文主要介绍了保温箱温度控制系统的工作原理和设计方法论文主要由三部分构成。①系统整体方案设计。②硬件设计主要包括温度检测电路、AD转换电路、显示电路、键盘设计和控制电路。③系统软件设计软件的设计采用模块化设计主要包括AD转换模块、显示模块、键盘模块和控制模块等。关键词:单片机传感器温度检测DESIGNOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMBASICONSINGLE–CHIPCOMPUTERABSTRACTThisdesigntakesaheatpreservationboxasacontrolobjectandtheATCasacontrolsystemcoreASinglechipComputersystemisdesignedtocarryoutthetemperaturedisplayandcontrolThisheattemperaturecontrolsystemisaclosedloopfeedbackcontrolsystemThetemperatureoftheheatpreservationboxismeasuredbysensorADForAD,aadjustelectriccircuitisdesignedtogetasuitableelectricvoltagesignalfortheADtransformationAftertheADtransformation,thecorrespondingtemperaturedigitalquantitycanbeobtains,andiscomparedwiththesettingtemperature,thenadeviationcanbeobtainedThroughprocessingthedeviation,acontrolsignalwillbeproduced,whichadjuststheheatertheonoroff,thusthepreservationboxtemperaturecontrolanddisplayisrealizedThisdesignintroducesthetemperaturecontrolsystemprincipleofworkandthedesignmethodThepapermainlyincludesbythreeparts①Thesystemoutlineprojectdesign②Hardwaredesign,thehardwaredesignmainlyincludesthetemperatureadaptiveelectriccircuit,theADcircuit,thedisplaycircuit,thekeyboarddesignandthecontrolcircuit③Softwaredesignmethod,thesoftwaredesignusesthemodulardesign,mainlyincludestheADtransformationmodule,thedemonstrationmodule,thekeyboardmoduleandthecontrolmoduleKeywords:SinglechipComputerSensorTemperatureMeasurement目录绪论课题设计背景和目的国内外研究状况和发展趋势温度检测的主要方法课题设计的主要内容系统总体方案设计系统硬件设计方案芯片选择温度检测AD转换电路键盘输入LED显示控制电路系统软件设计方案系统硬件设计中央处理器ATC简介管脚说明特殊功能存储器芯片擦除复位电路的设计时钟电路设计温度传感器AD信号调理电路温度标定AD转换LED显示键盘接口控制电路系统软件设计程序初始化主程序AD转换子程序标度转换子程序显示子程序控制子程序键盘子程序结论参考文献致谢附录附录A系统硬件原理图附录BPCB板图单片机最小系统PCB板图调理电路、控制电路PCB板图附件附件、开题报告附件、原文:TEMPERATURECONTROL附件、译文:温度控制绪论课题设计背景和目的在现代化的工业生产中电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。温度作为一个基本物理量它是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。在现代化的工业生产过程中温度作为一种常用的主要被控参数在很多生产过程中我们需要对温度参数进行检测。例如:在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测。采用单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点而且可以大幅度提高被控温度的技术指标从而能够大大提高产品的质量和数量。因此单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本次设计采用MCS系列单片机与各种外围电路构成单片机温度自动检测和控制系统实现对温度的实时检测和控制。通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方法。熟悉Protel软件的使用方法。通过课题的研究进一步巩固所学的知识同时学习课程以外的相关知识培养综合应用知识的能力。锻炼动手能力与实际工作能力将所学的理论与实践结合起来。国内外研究状况和发展趋势随着国内外工业的日益发展温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主要由两部分组成一部分是传感器它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装置它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段及测量精度要求测温装置也不尽相同从传感器方面看己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。对于测点较多并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置一般采用单片机电路。目前的温度检测技术原理很多大致包括以下几种:()物体热胀冷缩原理()热电效应()热阻效应()利热辐射原理。传统的温度传感器(如,热电偶、铂电阻、双金属开关等)虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当大的温度范围内(~℃)都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。目前,半导体温度传感器工作的温度范围还限于~℃。未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。近年来在温度检测技术领域中多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化主要包括以下几种。()晶体管温度检测元件()集成电路温度检测元件()核磁共振温度检测器()热噪声温度检测器()石英晶体温度检测器()光纤温度检测器()激光温度检测器。目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。温度检测的主要方法温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器传感器输出的电压或电流与温度在一定范围呈线性关系。通过放大采样得到被测量。另一种温度测量方法是使用热电偶其测量精度较高但测试过程复杂测量时间长而且采用电桥测量的系统抗干扰能力较差误差较大。随着集成电路技术的迅速发展新型的数字化温度传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优于模拟的温度传感器。数字温度传感器也越来越的到广泛的应用。温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触与否可以分为接触式与非接触式两大类。接触式检测的方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对物体的温度进行检测主要有亮度法、全辐射法和比色法等。接触式测温是使测温敏感元件与被测介质接触当被测介质与感温元件达到热平衡时感温元件与被测介质的温度相等。这类传感器结构简单、性能可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用十分广泛因此本方案采用接触式测温法选用相关类型的传感器。由单片机组成的温度测控系统,通过在单片机外部添加各种接口电路可构成单片机最小系统用以实现对温度控制对象的温度的显示和控制。同时也能根据实际情况实现多路巡回检测、数据处理、报警及记录,对各个参数以一定的周期进行检查和测量,检测的结果经计算机处理后再进行显示、打印和报警,以提醒操作人员注意或直接用于生产控制。课题设计的主要内容本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统它用温度传感器将检测到的温度信号经放大A/D转换后送入单片机中进行数据处理并显示当前温度值用当前温度值与设定温度值进行比较。根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断实现对加热器的控制。通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。本课题设计的内容主要包括硬件设计和软件设计两部分。系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行等电路的设计。软件程序编写主要用来实现对温度的检测、标度转换、LED显示、继电器控制等数据处理功能。系统总体方案设计本次设计采用MCS单片机作为控制芯片采用半导体集成温度传感器AD采集温度信号。通过温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号经过放大处理送入AD转换器进行AD转换将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对保温箱温度的实时检测和控制功能。本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。系统结构框图如图所示:系统硬件设计方案单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置即按照系统功能要求配置外围设备如键盘、显示器、打印机、AD转换器、设计合适的接口电路等。系统设计应本着以下原则:()尽可能选择典型电路并符合单片机常规用法。本设计采用了典型的显示电路、AD转化电路为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。()硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件实现以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能一般响应时间比硬件实现长且占用CPU时间。由于本设计的响应时间要求不高所以有一些功能可以用软件编程实现如键盘的去抖动问题。()系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分从功能模块上来分有主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。系统硬件包括:温度传感器、信号调理电路、A/D转换器件、MCS单片机、键盘输入、LED温度显示器、温度控制电路。芯片选择单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机简称单片机。单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可分为、、、位单片机应用最为广泛的是八位单片机。根据本次设计的实际情况和要求在本次设计中采用ATC作为系统的控制芯片。ATC是一种低功耗、高性能CMOS位微控制器具有K的系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造与工业C产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程亦适于常规编程器。温度检测本课题设计的温度控制范围为摄氏度温度传感器采用采用AD半导体集成温度传感器。AD具有较高的精度和重复性不需辅助电源线性好使用方便便于微机系统测控。被测温度信号为一路由AD测得的代表温度的电压信号经温度调理电路放大后使其在V范围内使其适合于AD转换器的输入电压范围。AD转换电路AD转换电路的种类很多例如计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。选择AD转换器件主要从转换速度、精度和价格上考虑。逐次逼近型AD转换器在精度、速度和价格上都比较适中是最常用的AD转换器。双积分AD转换器具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点但转换速度慢。近年来在微机应用领域中也得到了广泛的应用。本次设计采用八路模拟输入通道的逐次逼近型的八位AD转换器ADC。采用ADC作为与单片机的接口电路它的结构比较简单转换速度较高。采用ADC作为AD转换器具有与单片机连接简单的优点它是八位的转换器可以与八位的单片机直接连接这样就简化了系统的连接电路也有利于系统软件的编写。键盘输入键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现并产生键编号和键值的称为编码式键盘靠软件识别的为非编码式键盘。在单片机组成的测控系统中用得最多的是非编码键盘。在这里采用的就是非编码式键盘。键盘的连接方式采用独立连接式这种连接方式能够简化程序的编写。LED显示在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器(LED)和液晶显示器(LCD)。采用LED作为系统的数据显示器具有价格低、性能稳定和响应速度快等特点。LED显示方式有静态显示、动态显示和串口显示。为了节省系统本身的硬件资源在这里LED的显示方式采用串行静态显示方式。利用串口可以工作在移位寄存器方式驱动LED静态显示。这样就可以充分的利用并行口并将并行口用到最需要的地方去同时主程序不需要扫描显示器使它有更多的时间处理其他事情。这种显示方法用于显示位数少、显示亮度大的地方能够达到很好的显示效果。控制电路控制电路作为单片机系统的后向通道他是将单片机处理后的数字控制信号用输出口输出并将该数字信号用于对控制对象的控制。由于单片机的输出信号电平很低无法直接驱动外围设备进行工作因此在单片机的后向通道中需要外围设备的驱动、信号电平的转换以及隔离放大等技术。本次设计采用继电器作为控制电路的主要器件通过继电器可以实现直流信号控制交流负载的功能从而实现单片机系统的控制功能。系统软件设计方案系统的软件设计采用模块化设计采用模块化设计可以简化系统软件的编写使软件编写思路更加简单明了。系统软件主要由三大模块组成:主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程序模块用于实现各个子程序间的跳转。功能实现模块主要由AD转换子程序、键盘处理子程序、显示子程序、继电器控制程序等部分组成。运算控制模块涉及标度转换子程序等。系统硬件设计中央处理器MCS系列单片机是位增强型其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口(UART)规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。属于这类单片机的芯片有许多种如、、C等等。由于单片机具有较高的性能比国内MCS系列单片机应用最广易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强可以工作于各种恶劣的条件下工作稳定等特点。本设计本着实用性和适用性的要求选择ATC单片机作为中央处理器。ATC简介ATC是一种带K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的具有低电压高性能CMOS的位微处理器俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造与工业标准的MCS指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL的ATC是一种高效微控制器为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图为ATC的内部结构框图。图ATC的内部结构框图ATC单片机与MCS系列单片机兼容,ATC内部有K字节可编程闪烁存储器,*位内部RAM,两个位定时器计数器,个中断源,可编程IO线及串行通道。闪烁存储器是一种可编程又可擦除只读存储器(EEPROM)给用户设计单片机系统和单片机系统带来很大的方便深受广大用户的欢迎。ATC有片内振荡器和时钟电路,具有低功耗的闲置和掉电模式,在空闲方式下CPU停止工作但允许内部RAM、定时器计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下能保存RAM的内容但振荡器停止工作并禁止所有其他部件工作。还具有三级程序存储器锁定,全静态工作频率HzHz,数据保留时间可长达年。管脚说明如图为ATC引脚图,各引脚功能说明如下:●VCC:电源●GND:地●P口:P口是一个位漏极开路的双向IO口。作为输出口每位能驱动个TTL逻辑电平。对P端口写“”时引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时P口也被作为低位地址数据复用。在这种模式下P具有内部上拉电阻。在flash编程时P口也用来接收指令字节在程序校验时输出指令字节。程序校验时需要外部上拉电阻。图ATC引脚图●P口:P口是一个具有内部上拉电阻的位双向IO口P输出缓冲器能驱动个TTL逻辑电平。对P端口写“”时内部上拉电阻把端口拉高此时可以作为输入口使用。作为输入使用时被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流(IIL)。此外P和P分别作定时器计数器的外部计数输入(PT)和时器计数器的触发输入(PTEX)●P口:P口是一个具有内部上拉电阻的位双向IO口P输出缓冲器能驱动个TTL逻辑电平。对P端口写“”时内部上拉电阻把端口拉高此时可以作为输入口使用。作为输入使用时被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR)时P口送出高八位地址。在这种应用中P口使用很强的内部上拉发送。在使用位地址(如MOVXRI)访问外部数据存储器时P口输出P锁存器的内容。在flash编程和校验时P口也接收高位地址字节和一些控制信号。●P口:P口是一个具有内部上拉电阻的位双向IO口对P端口写“”时内部上拉电阻把端口拉高此时可以作为输入口使用。作为输入使用时被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流(IIL)。P口亦作为ATC特殊功能(第二功能)使用如表所示。表ATC引脚号第二功能PRXD(串行输入)PTXD(串行输出)PINT(外部中断)PINT(外部中断)PT(定时器外部输入)PT(定时器外部输入)PWR(外部数据存储器写选通)PRD(外部数据存储器读选通)●RST:复位输入晶振工作时RST脚持续个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后RST脚输出个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下复位高电平有效。●ALEPROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时锁存低位地址的输出脉冲。在flash编程时此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲可用来作为外部定时器或时钟使用。然而特别强调在每次访问外部数据存储器时ALE脉冲将会跳过。如果需要通过将地址为EH的SFR的第位置“”ALE操作将无效。这一位置“”ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位(地址为EH的SFR的第位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。●PSEN:外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当ATC从外部程序存储器执行外部代码时PSEN在每个机器周期被激活两次而在访问外部数据存储器时PSEN将不被激活。●EAVPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从H到FFFFH的外部程序存储器读取指令EA必须接GND。为了执行内部程序指令EA应该接VCC。在flash编程期间EA也接收伏VPP电压。●XTAL:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。●XTAL:振荡器反相放大器的输出端。特殊功能存储器在单片机内高BRAM中由有个特殊功能寄存器(AFR)它们离散的分布在HFFH的RAM空间中访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。表为ATC单片机特殊功能寄存器及其相应地址。表专用寄存器名称功能及对应的RAM地址名称简单描述地址ACC累加器(专门用于存储算术和逻辑运算的结果)EHBB寄存器(专门用于乘除法运算)FHPSW程序状态寄存器DHSP推栈指针寄存器HDPTR位数据指针寄存器。CPU访问外部RAM时地址指针由两个位寄存器DPH(H)、DPL(H)组成且可单独访问。P端口状态寄存器(初始值为FFH)HP端口状态寄存器(初始值为FFH)HP端口状态寄存器(初始值为FFH)AHP端口状态寄存器(初始值为FFH)BHIP中断优先级控制寄存器BHIE中断允许控制寄存器AHTMOD定时器计数器方式控制寄存器HTCON定时器计数器控制寄存器HTH定时器计数器高字节CHTL定时器计数器低字节AHTH定时器计数器高字节DHTLI定时器计数器低字节BHSCON串行控制寄存器HSBUF串行数据缓冲器HPCON电源控制寄存器H芯片擦除整个EPROM阵列电擦除可通过正确的控制信号组合并保持ALE管脚处于低电平ms来完成。在芯片擦除操作中代码阵列全被写“”且在任何非空存储字节被重复编程以前该操作必须被执行。此外ATC设有稳态逻辑可以在低到零频率的条件下静态逻辑支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下CPU停止工作。但RAM定时器计数器串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下保存RAM的内容并且冻结振荡器禁止所用其他芯片功能直到下一个硬件复位为止。复位电路的设计复位使单片机处于起始状态并从该起始状态开始运行。ATC的RST引脚为复位端该引脚连续保持个机器周期(个时钟振动周期)以上高电平则可使单片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的SP期间采样斯密特触发器的输出端该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰并在复位期间不产生ALE信号内部RAM处于不断电状态。其中的数据信息不会丢失也即复位后只影响SFR中的内容内部RAM中的数据不受影响。外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程中其本身的干扰或外界干扰会导致出错此时我们可按复位键重新开始运行。为了便于本设计运行调试复位电路采用按键复位方式。按键复位电路如图所示。图复位电路时钟电路设计时钟电路是单片机的心脏它控制着单片机的工作节奏。MCS单片机允许的时钟频率是因型号而异的其典型值为MHZ。ATC内部有一个反相振荡放大器XTAL 和XTAL分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为片内振荡器石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。本设计采用的晶振频率为MHZ。其时钟电路如图所示。系列单片机还可使用外部时钟。在使用外部时钟时外部时钟必须从XTAL输入而XTAL悬空。图时钟电路温度传感器AD温度传感器的应用范围很广它不仅用于日常生活中而且也大量应用于自动化和过程检测控制系统。温度传感器的种类很多根据现场使用条件选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠并且同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。AD温度传感器不但实现了温度转化为线性电量测量而且精度高、互换性好。AD测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD精度高、价格低、不需辅助电源、线性好常用于测温和热电偶的冷端补偿。本设计采用AD作为温度传感器它只需要一个电源即可实现温度到电流的线性变换然后再终端使用一只取样电阻即可实现电流到电压的转换。它使用方便并且具有较高的精度。图为AD的封装形式和基本应用电路。图AD封装形式和应用电路AD集成温度传感器是将温敏电阻晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上能直接给出正比于绝对温度的理想线形输出一般用于℃~℃之间的测量温度。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时其基极发射极电压与温度成线形关系由于生产厂家生产时采用激光微调来校正集成电路内的薄膜电阻使其在摄氏零度(对应绝对温度为K)输出电流微uA灵敏度微uAK。当其感受的温度升高或者降低时则其电流就以uAK的速率增大或减小从而将被测电流转换为电压则可以用电压来表示其温度大小。为克服温敏晶体管vb电压产生时的离散性采用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种。因此它不容易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰具有很好的线性特性。AD主要特性如下:●流过器件的电流((A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数即:()式中:Ir为流过器件(AD)的电流单位为(AT为热力学温度单位为K。●AD的测温范围为℃~℃。●AD的电源电压范围为V~V。电源电压可在V~V范围变化电流变化(A相当于温度变化K。AD可以承受V正向电压和V反向电压因而器件反接也不会被损坏。●输出电阻为M(。●精度高。AD共有I、J、K、L、M五档其中M档精度最高在℃~℃范围内非线性误差为±℃。AD温度传感器作为一个恒流源在本设计的温度检测电路中在AD的输出端接一取样电阻可将输出电流信号变化转换为电压信号变化。由于AD温度传感器温度每变化℃其输出电流变化(A。所以在接上K的取样电阻的情况下温度每变化℃输出电压就将变化V。信号调理电路经过温度传感器采集输出的电压信号一般来说是非常微弱的因此在送往单片机处理之前应对该信号进行放大。本系统所采用的AD转换器为ADC由于ADC的输入信号应在~V之间因此经过放大电路放大的信号进入AD转换器的电压信号应控制在~V之间根据此原则可设计合适的放大倍数。信号调理电路主要由运算放大器P等组成。为了使温度检测电路的输出电压能够适合于AD转换器的参考电压利用超低温漂移高精度运算放大器P将温度电压信号进行放大到~V的范围之内,便于AD进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。本设计中信号调理电路部分由集成运放OP分别构成一个电压跟随器电压比较器和一个同相输入放大器用于对AD输出的小电压信号进行放大处理。信号调理电路如图所示图温度检测电路在该放大电路中电压跟随器起阻抗匹配的作用。反馈电阻为零时放大倍数为电压跟随器的输入电压等于输出电压电压比较器用于对输出电压小信号电压进行调零在上述电路图中的电压比较器部分由于R=RR=R可得电压比较器的输出电压根据电压跟随器的输出电压调节电位计R就改变电压比较器的输入电压。使得当温度为温度测量下限时电压比较器的输出电压为零。起放大作用的是同相输入放大器OP。其放大倍数:因此放大器的输出电压温度标定本设计的温度标定是在室温环境条件下标定的。由于温度传感器输出与温度变化有良好的线性。根据温度调理电路输出电压和温度变化也具有一定的线性关系。根据实验测得的电压和温度数据在此我们可以采用一元线性回归的方法求得温度和电压的线性方程。一元线性回归是处理两变量之间的关系即两个变量X和Y之间若存在一定的关系则可通过试验分析所得数据找到两者之间的关系的经验公式。假如两变量之间的关系是线性的则称为一元线性回归。由于变量测量中存在随机误差一元线性方程回归可用最小二乘法处理求得一元线性回归方程。最小二乘原理指出最可信赖值应在使残余误差平方和最小的条件下求得。根据实验测量结果可得在一定温度x下的电压输出值y得到如下表所示。表x℃yV根据表所得的数据我们可以知道电压输出范围在V之间适合AD转换参考电压的电压范围。为了了解输出电压y与温度x之间的大致关系把数据表示在坐标图上如图所示,这种图叫散点图。从散点图可以看出输出电压y与温度x大致成线性关系。因此我们假设x与y之间的内在关系是一条直线有些点偏离了直线这是试验过程中其他随机因素的影响而引起的。这样就可以假设这组测量数据有如下结构形式:,t=…N()式中的…分别表示其他随机因素对电压测得值…的影响一般假设它们是一组相互独立、并服从同一正态分布的随机变量式()就是一元线性回归的数学模型。此例中N=。我们用最小二乘法来估计式()中的参数、。设b和b分别是参数和的最小二乘估计便可得到一元线性回归的回归方程()式中的b和b是回归方程的回归系数。对每一个实际测得值与这个回归值之差就是残余误差:t=…N()应用最小二乘法求解回归系数就是在使残余误差平方和为最小的条件下求得回归系数b和b的值。用矩阵形式令      则式()的矩阵形式为()假定测得值的精度相等根据最小二乘原理回归系数的矩阵解为()代入数据后:     求解线性方程系数:因此b=b=线性方程为:()AD转换ADC是一种位逐次逼近式AD转换器其内部有一个位“三态输出锁存器”可以锁存AD转换后的数字量故它本身既可看作一种输入设备也可以认为是并行IO接口芯片。故ADC可以和微机直接接口本设计就是用AT和ADC直接相连的。ADC采用双列直插式封装图为ADC引脚图共有条引脚主要引脚功能为:●IN~IN:为八路模拟电压输入线用于输入被转换的模拟电压。●ALE:为地址锁存允许输入线高电平有效。●ADDA、ADDB和ADDC:为地址输入线用于选择IN~IN上那一路模拟电压送给比较器进行AD转换。ADDA、ADDB和ADDC对IN~IN的选择如表所列:●START:为“启动脉冲”输入线,上升沿清零SAR下降沿启动ADC工作。●EOC:为转换结束输出线该线上高电平表示AD转换已结束。●OE:为“输出允许”线高电平时能使~引脚上输出转换后的数字量。图ADC引脚图表位模拟开关功能表被选模拟电压ADDCADDBADDAININININININININATC与ADC的连接方法如图所示ATC通过地址线P和写控制信号线用一个或非门联合控制启动转换信号端(START)和地址锁存信号端(ALE)。地址线P和读控制信号线用一个或非门联合控制输出允许控制端(EOC)。低三位地址线加到ADC的ADDA、ADDB、ADDC端所以选中ADC的IN通道的地址为FFH。转换结束信号EOC通过一个反相器接到INT。图ATC与ADC连接图ATC和ADC连接通常可以采用查询和中断两种方式。本系统采用中断方式传送数据EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU线响应中断后应在中断服务程序中使OE线变为高电平以提取AD转换后的数字量。其中和START的逻辑关系分别为:=P•=PSTART=P•=P对ADC地址的确定:根据系统硬件连接图可知所选定模拟电压路数为IN其对应的地址为ABC=即P、P、P=又P=时才能启动ADC工作和使ATC从ADC接收AD转换电压的数字量。故确定ADC其中一个地址为:B=FFH,其中“”表示固定量。ADC的IN和变送器输出端线连故IN上输入的V~+V范围的模拟电压经AD转换后可由ATC通过程序从P口输入到它的内部RAM单元。ADC所需时钟信号可以由ATC的ALE信号提供。ATC的ALE信号通常是每个机器周期出现两次故它的频率是单片机时钟频率的。本系统ATC主频是MHZALE信号频率为MHZ使ATC的ALE上信号经过分频后接到ADC的CLOCK输入端就可获得KHZ的AD转换脉冲当然ALE上脉冲会在MOVX指令的每个机器周期少出现一次但通常情况下影响不大。ADC时序图如图所示。图ADC时序图从时序图可以看出在启动ADC后EOC约在us后才变为低电平EOC线经过反相器和ATC线相连这即是ATC采用中断方式来和ADC传送AD转换后的数字量的。为了给OE线分配一个地址把ATCRD和P经或门和OE相连。平时使OE处于低电平封锁状态在响应中断后ATC执行中断服务程序中如下两条指令就可以使OE变为高电平从而打开三态输出锁存器让CPU提取AD转换后的数字量。ATC执行如下程序可以启动ADC工作。MOVDPTR,#FFHMOVXA,DPTROE变为高电平数字量送ALED显示单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器简称LED液晶显示器简称LCD。前者价廉配置灵活与单片机接口方便后者可进行图形显示但接口复杂成本较高。结合本设计的特点在这里系统的显示采用发光二极管作为显示器件。单片机中使用段LED构成字形“”另外还与一个小数点发光二极管用以显示数字、符号及小数点。这种显示器有共阴极和共阳极两种如图所示。发光二极管的阳极连在一起称为共阳极显示器阴极连在一起的称为共阴极显示器。一位显示器由八个发光二极管组成其中个发光二极管构成字形“”的各个笔划(段)ag,另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压是该段笔划即点亮不加电压则该段二极管不亮。为了保护各段LED不被损坏需要外加限流电阻。图数码管如果要显示某个字形则应使此字形的相应段点亮也即送一个不同的电平组合代表的数据来控制LED的显示字形此数据称为字符的段码。数据字位数与LED段码的关系如表所示。表数码管各段与输出口各位的对应关系输出口各位DDDDDDDD数码管各段dpgfedcba如使用共阳极数码管数据为表示对应字段亮数据为表示对应字段暗如使用共阴极数码管数据为表示对应字段暗数据为表示对应字段亮。如要显示“”共阳极数码管的字型编码应为:B(即CH)共阴极数码管的字型编码应为:B(FH)。依次类推可求得数码管字型编码如表所示。表数码管字型编码表字型共阳极共阴极dpgfedcba字型码dpgfedcba字型码CHFHFHHAHBHBHFH续表HHHDHHDHFHHHFHHFHAHHBHCHCCHHDAHEHEHHFEHH灭FFHH本设计显示采用LED串行静态显示。MCS系列单片机的串行口RXDTXD为一个全双工串行通信口当工作在方式下可作同步移位寄存器用其数据由RXD(P)端串行输入或输出而同步移位时钟由TXD(P)串行输出在同步时钟的作用下实现由串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合利用串行口加外围芯片LS就可以构成一个或多个并行输入输出口用于显示器LED驱动。波特率(每秒传输的位数)固定在fosc,即当晶振为MHZ时波特率为MBPS。在CPU将数据写入SBUF寄存器后立即启动发送。待位数据输完后硬件将状态寄存器的TI位置TI必须由软件清零。单片机与片串入并出移位寄存器LS相连。其中RXD作为的数据输入TXD作为片的同步时钟。程序运行时单片机将个数码管的段码(个字节)连续发送出来通过串行口送给。位字型码送完后TXD保持高电平。此时每片的并行输出口将送出保存在内部移位寄存器中的位的段码给数码管令数码管稳定地显示所需的字符。LS是位串入并出移位寄存器。它的引脚如图所示。A、B为串行输入端QA~QH为串行输出端CLK为串行时钟输入端为串行输出清零端VCC为V电源输入端GND为接地端。具体输入输出关系如表所示。X代表任意状态QA、QB~QH代表在稳态输入条件建立之前QA、QB~QH的输出状态QAn、QBn~QHn代表在最近的时钟上升沿↑转换之前QA、QB~QH的输出状态HL、QAn~QBn代表在最近的时钟上升沿↑转换之后QA、QB~QH的输出状态。表LS输入输出关系如所示输入输出清除时钟ABQAQB~QHLXXXHLXXH↑HHH↑LXH↑XLLL~LQAQB~QHHQAn~QGnLQAn~QGnLQAn~QGn图LS引脚如图串行显示电路属于静态显示比动态显示亮度更大一些。由于LS在低电平输出时允许通过的电流达mA故不必添加驱动电路亮度也比较理想。与动态扫描相比较无需CPU不停的扫描频繁地为显示服务节省了CPU时间软件设计也比较简单。由于本设计采用的是共阳极数码管所以相应的亮段必须送相应的暗段必须送。原理图如图所示:图LED串行静态显示键盘接口键盘在单片机应用系统中实现输入数据、传送命令的功能是人工干预的主要手段。键盘分两大类:编码键盘和非编码键盘。编码键盘:由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键键盘自动提供被按键的读数同时产生一个选通脉冲通知微处理器一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用但硬件比较复杂对于主机任务繁重之情况采用可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘:只简单地提供键盘的行列与矩阵其他操作如键的识别决定按键的读数等都靠软件完成故硬件较为简单但占用CPU较多时间。非编码键盘有:独

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