浙江科技学院铂电阻高精度测温仪设计/毕业设计论文 浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 1 页 共 51 页 浙 江 科 技 学 院 本科学生毕业设计（论文） 题 目 铂 电 阻 高 精 度 测 温 仪 学 院 信息与电子工程学院 专业班级 02 电子 B 班 姓 名 张 必 康 学 号 20243047 指导教师 钱 云 涛 职 称 教 授 年 月 日 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 2 页 共 51 页 目录 摘要 / 4 BASTRACT / 5 第 1 章 绪 论 / 6 1/1 选题背景 / 6 1/2 系统整体目标 / 7 第二章 方案论证及总体设计 / 8 2 1 系统设计思想 / 8 2/2 89C52 简介 / 9 2 3 Pt100 简介 / 9 2 4 A/D7714 简介 / 10 第三章 整机电源设计 / 12 3/1稳压电源设计 / 12 第四章 硬件电路设计 / 14 4/1 温度采集 / 14 4/1/1 测温元件的选择 / 14 4/2 A/D7714 模数转换 / 16 4/2/1 模数转换选择 / 16 4/2/2 A/D7714 与 89C52接口 / 17 4/2/3 电源去耦 / 17 4/3 显示电路 / 18 4/4外部接口电平转换 / 18 4/5 提高单片机系统抗干扰能力的主要手段 / 19 第五章 软件设计 / 21 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 3 页 共 51 页 5/1程序设计语言与软件开发环境 / 21 5/1/1 程序设计语言的选用 / 21 5/1/2 系统软件开发环境 / 21 5/2软件程序设计 / 22 5/2/1 主程序 / 22 5/2/2 温度采集子程序 / 23 5/2/3 显示子程序 / 26 第六章 结束语 / 28 致 谢 / 28 参考文献： / 29 附录 1 / 30 1/1 系统原理图 / 30 1/2 查表子程序 / 30 附录 2 / 37 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 4 页 共 51 页 铂电阻高精度测温系统 浙江科技学院信息学院 02 电子 B 班 张必康 指导老师 钱云涛 摘要 介绍一种以单片机 AT89C52为 核心 应用铂电阻进行高准确度测温的 系统 。 24 位的 - 型 A/ D 转换器 AD7714 的应用保证了 0/ 001 的测量分辨力 /温度的采集采用了极其简洁的铂电阻平衡桥电路 /测量软件中的对分搜索查表法使铂电阻测温不再存在 T/ R 转换的非线性误差 /用软件方法进行了测量值的零点和满幅的调准 /使测量误差在全量程小于 0/ 02 。 关键词 ： 铂电阻 / 温度测量 / 准确度 / 查表线性化 。 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 5 页 共 51 页 BASTRACT A system of high accuracy temperature measurement with platinum resistor NiSenLin Director： YunTaoQian ( Dept/of School of Information And Electronic Engineering Zhejiang University of Science and Technology ) A method of proceeding high accuracy temperature measurement with platinum resistor is introduced/ A resolution of 0/ 001 is guaranteed through the application of 24 bits - A/ D converter AD7714/ A very simple balanced bridge of platinum resistor is used in the temperature sampling/ Because the bisection searching method in the measuring software is used / there is no nonlinear error of T/ R converting on the temperature measuring with platinum resistor/ A full scale error of no more than 0/ 02 is reached through calibrating the offset and gained with software/ Key words/ platinum resistor / temperature measurement / accuracy/ check form method linearity/ 。 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 6 页 共 51 页 第 1 章 绪 论 1/1 选题背景 随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高的测量系统就很有必要。 智能温度传感器 (亦称数字温度传感器 )是在 20世纪 90年代中期问世的。它是微电 子技术、计算机技术和自动测试技术 (ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、 A/D转换器、信号处理器、存储器 (或寄存器 )和接口电路。有的产品还带多路选择器、****** (cpu)、随机存取存储器 (RAM)和只读存储器 (ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微*** (MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平 。 进入 21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准 化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展 。 温度的监视和控制可以说是在现在农业最常用的技术，目前农村几乎每家都有离房屋一定距离的室外育秧棚，但大部分使用的是普通温度计，且温度计智能放在育秧棚内，棚内有露水，不易看清温度，需多次来回察看，很不方便，稍微不注意，便会出现温度偏高，秧苗坏死的情况。随着现在信息技术的飞速发展和传统工业的逐步改造的实现，能够***工作的温度检测、显示及报警系统，迫切需求于现代农业技术。在化工领域中，经常需要检测和控制反应釜中的液体的温度， 使之能够稳定在一定的范围之内。只有这样才能得到可靠的试验数据或者得到合格的产品，这就要求系统对温度的检测，具有足够的精度和真实性，控制要有足够的精度，并且尽可能具有较低的成本，这样的产品才具有真实价值。本智能测温恰具有这样的优势，由于其可直接输出数字量，不需要 A/D 转换，与单片机接口容易，成为原来传统使用的热电偶、热电阻理想的替代品。 随着计算机科学和自动化水平的不断提高，各种应用领域都大量采用计算机控制系统计算机控制系统的应用使得科学研究，工农业生产，工艺实践的效率大大提高，同时也大幅度提高了产品和成果 的品质由于大量的控制系统的任务较专业化，并且执行的是直接数字控制任务，故基本上采用单片机进行控制单片机是目前控制系统采用最多的器件和芯片，它在军事，航空，航天，交通，工业，农业等领域都有大量的应用 综上所述，高精度测温采用单片机控制，将是一个十分先进，安全，实用的系统。这也正是选用此课题做毕业设计的原因 / nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 7 页 共 51 页 1/2 系统整体目标 单片机实时检测 被测对象的温度 ，温度 由温度传感器 PT100 热敏电阻组成的电路来采集，信号送到 A/D7714 转换器进行模数转换，转换后的数字信号送入 89C52 单片机进行处理 这就是模拟量输入通道。在 89C52 内部，由软件对采集到的数据进行分析处理。 经过单片机查表比较确定温度值送入显示器内显示。 主要性能参数： 环境温度： + 工作电压： % 测量范围： -99 +300 测量精度： 0/00 控制精度： 0/0 显示方式： 8位数码管显示 基本功能： 实时监测温度 温度显示分辨率千分之一 先进的自动复位电路（看门狗复位电路）。 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 8 页 共 51 页 第二章 方案论证及总体设计 2 1 系统设计思想 本次设计的目的是设计一个 由单片机控制的温度测量系统。 系统框图见2-1 系统的设计思想如下： 单片机实时检测被测对象的温度，温度由温度传感器 PT100 热敏电阻组成的电路来采集，信号送到 A/D转换器进行模数转换，转换后的数字信号送入89C52单片机进行处理 这就是模拟量输入通道。在 89C52内部，由软件对采集到的数据进行分析处理。 经过单片机查表比较确定温度值送入显示器内显示。 本系统采用两路 Pt100单臂电桥，采用差模方式输入 A/D转换电路， 这样可以消除热电阻的电热效应对温度的影响，减小测量误差。 AD7714是适用于低频测量应用 的完整模拟前端。器件直接从传感器接受低电平信号并输出串行数字 ， 和 -差 ( -) 转换技术以实现高达 24位的无误码性能 ， 具有 3个差分模拟输入 (它也可以配置为 5个准差分模拟输入 )以及差分基准输入，可以对多达 5个通道的系统实现信号调理和转换 ， 能够满足千分之一的分辨和小于 0/02的精确度而且使用方便。为克服铂电阻的非线性和测温桥路输出的非线性 /最行之有效的方法是让单片机采用查表和线性插值法，用高级语言编写的温度表格存在 27C64 EEPROM中， 显示电路采用 8位数码管和 MAX7219。 图 2-1 系统框图 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 9 页 共 51 页 2/2 89C52 简介 89C52 是一种低功耗，高性能含有 8K 字节快闪可编程 /擦除只读存贮器的 8位微***，使用高密度非易失性的存贮技术制造，并且与 80C51 指令完全兼容，芯片上的 E2PROM 允许在线或采用非易失性存贮编程器对程序存贮器重复编程。 89C52 的主要性能包括： 1 与 MCS-51 微***产品兼容。 2 片内有 8K 字节可重复编程快闪擦写存贮器（ FLASHROM）。从而能缩短擦除或写入数据吞吐的时间，能满足需要高速数据吞吐的场合 。 3 编程所需要的所有时序及电压场 均无需外部电路提供。 4 存贮器可以重复写入 1000 次。 5 存贮器数据保存时间为 10 年。 6 宽工作电压范围，电压可以由 2/7V 6V 提供。 7 最大频率可为 33MH。 8 程序存贮器具有***锁存保护。 9 256 8 位内部 RAM。（可外部扩展到 64K） 10 32 条可编程 I/O 口线。 11 3 个 16 位定时器 /计数器。 12 中断结构具有 6 个中断源和 4 个优先级。 13 可编程全双工串行通道。 89C51接口除具有与 80C51相同的一些性能外，在 EPROM编程时， P0口接收代码字节，并在程序校验时输出代码字节，在编程时需要外部上拉负载。 综上所述， 89C51单片机有其它单片机不可比拟的优点。特别是它的内部的FlashROM，大大提高了编程的速度和效率。而本系统需要对现场进行快速的设置调整。 2 3 Pt100 简介 铂热电阻具有精度高、热响应时间快、性能稳定、使用寿命长等优点。由于采用不锈钢外保护管，管内充满高密度氧化物绝缘体，因而具有很强的抗污染能力和机械强度，适用于装配式热电阻无法安装的恶劣环境，也可作为装配式热电阻的感温元件。 铂热电阻可以测量各种生产过程中从 -200 +500 范围内的液体、气体、蒸汽等介质的温度。 Pt100 铂电 阻的阻值与温度 ( R - t) 关系式 /在 ( - 200 0) 的温度范围为 R ( t) = R (0 ) 1 + 3/ 908 02 10- 3 t - 5/ 801 95 10- 7 t2 - 4/ 273 50 10- 12 ( t - 100) t3 / 在 (0 850) 的温度范围为 R ( t) = R (0 ) 1 + 3/ 908 02 10- 3 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 10 页 共 51 页 电阻温度5001 0 01 5 02 0 0100/00 119/40 138/51 157/33 177/85t -5/ 801 95 10- 7 t2 式中 电阻 R 的单位是 /温度 t 的单位是。 Pt100铂电阻是一种在 0/0 200/0范围内线性较好的热电阻，外形尺寸 / 3 20mm， 2-2 Pt100 铂电阻的电阻与温度的对应曲线 / Pt100 铂电阻的阻值与温度 ( R - t) 关系式 /在 ( - 200 0) 的温度范围为 R ( t) = R (0 ) 1 + 3/ 908 02 10- 3 t - 5/ 801 95 10- 7 t2 - 4/ 273 50 10- 12 ( t - 100) t3 / 在 (0 850) 的温 度范围为 R ( t) = R (0 ) 1 + 3/ 908 02 10- 3 t -5/ 801 95 10- 7 t2 式中 电阻 R 的单位是 /温度 t 的单位是。 2 4 A/D7714 简介 一 概述 AD7714 是适用于低频测量应用的完整模拟前端。器件直接从传感器接受低电平信号并输出串行数字。它使用和 -差 ( -) 转换技术以实现高达 24 位的无误码性能。输入信号加至专有的基于模拟调制器、具有可编程增益的前端。调制器的输出由片内数字滤波器处理 1。通过片内控制寄存器可对此数 字滤波器的第一个凹口编程，允许调整滤波器的截止频率和稳定时间。 AD7714 具有 3个差分模拟输入 (它也可以配置为 5 个准差分模拟输入 )以及差分基准输入，可以对多达 5个通道的系统实现信号调理和转换。 二 特点 24 位分辨率 单电源工作（ +3V或 +5V） nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 11 页 共 51 页 AD7714 有 3个差分模拟输入（也可以是 5个伪差分模拟输入）和一个差分基准输入。 片内可编程寄存器可灵活的控制工作状态 自校准、系统和背景校准选择，也允许用户读写片内校准寄存器。 非线性度小于 0/ 0015 %/ 片内含可编程低通滤波器 （ sin(x)/ x 3滤波器响应 ） 采用 COMS技术，低功耗 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 12 页 共 51 页 第三章 整机电源设计 本系统需要 +3/3V 及 +5V的直流电压。 在本系统中由于是高精度测温， 芯片的热电效应对系统的温度影响不能忽略，所以在集成板中的芯片都用 +3/3V 供电，显示电路用 +5V 供电， 在铂电阻桥路中， 电流过大引起电热效应 ， 从而测温不准确，根据计算当桥路电压 用 1/25V 时，经过铂电阻的电流不超过 1mA，电热效应引起的误差为最小。 模 / 数转换器的基准电压 与桥路的电源电压共用 /这样 VC 的波动不会影响测量稳定性和测量精度 。 3/1 稳压电源设计 1/ +5V 电源设计 工作原理：图中为 T1 电源变压器，它的作用是将交流电网电压 V1变为整流电路要求的交流电压 tV sin22 ，四只整流二极管 D1 D4 接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 先计算文件参数： 二极管 D1、 D3 和 D2、 D4 两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电 流为 ID=21IC=0/45LRU2 。 二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图 1 中看出。在 2v 正半周时 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止。此时 D2、 D2 所承受的最大反向电压均为的 2v 最大值。即 RMV = 2 2V 同理， 在 2v 的负半周， D1 、 D3也承受到同样大小的 反向电压 +5V 电源电路如图所示。 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 13 页 共 51 页 3-1直流电压源 示意图 2/ +3/3V电源设计 工作原理 ： 电压转换采用 MAXIM 公 司 的 MAX640 降 压型 DC-DC转换 芯片 和 储 能电 感 L， 整 流 肖特 基 二极管 IN4148以及输入输出 滤波 电 容 C1和 C2组 成一个简单高效的开关式 DC-DC转换器可 将 4V-11V的输 入电压转换为稳定的 3/3V输出效率在10mA-100mA的 负载 范围内高于 85%。如图 3-2所示： 3-2 3/3V 电压源示意图 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 14 页 共 51 页 第四章 硬件电路设计 铂电阻具有准确度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等一系列优点 /一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件。为了满足温度测控的高准确度要求 /对仪器的铂电阻测温系统采用了较新的器件和进行了精心的软硬件设计。为了提高测量分辨力和测量准确度 /采用了 24 位的 - 型 A/ D 转换 AD7714 /结合 A/ D 转换器的输入特点 /铂电阻温度采集桥路中桥臂电阻的计算方法 /软件查表法是消除测量电路非线性的有效手段 /采用软件调准的方法 /既不增加硬件开销又抑制了绝大部分误差对测量的影响。过采用先进芯片技术和发挥智能软件的作用 /使仪器温度测量分辨力达到了 0/ 001 / 在全量程 - 90450 内误差小于 0/ 02 。 4/1 温度采集 4/1/1 测温元件的选择 由于本系统对测温元件的精度要求很高，测温的范围较大，而且不是测点的温度，热敏电阻 Pt100 铂在氧化性介质或高温中有较好的物理和化学性质的 稳定性，因此，利用铂制作的铂电阻温度传感器有较好的精度。它不仅作为工业上的测温元件，而且还作为复现热力学温标的基准。热敏电阻温度计的最大特点是测温精度高，在测量 500以下温度时，它的输出信号比热电偶大得多，性能稳定，灵敏度高。所以在 -200500的温区内，对于较精密的温度测量，常选用铂电阻温度传感器。所以根据要求本系统选用热敏电阻 PT100作为测温元件。 1） 铂电阻选择 铂电阻温度传感器的精度与铂丝的纯度有关，通常用电阻比 R100/R0 来衡量铂丝的纯度，其中 R100和 R0分别为铂电阻传感器在 100和 0 的电阻值。 IEC 标准规定 R100/R0=1/3850。 铂电阻在 0时的电阻值可分为二种： 100和 10，其中优选值为 100。0时电阻值为 10的铂电阻传感器一般用于 600以上温度的测量。本次设计选Pt100。 2） 铂电阻温度与电阻的关系 在 -2000范围内，铂电阻的电阻值 Rt与温度 t的关系为： nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 15 页 共 51 页 Rt=R01 + At + Bt2 +C(t -100 )t3 （ 式 4-1） 在 0800范围内， Rt与 t的关系为： Rt=R0(1 + At + Bt2) （式 4-2） 式中 Rt 温度为 t时铂电阻的电阻值； R0 0 时铂电阻的电阻值； A、 B、 C 分别为常数，其数值为： A=3/90802 10-3/ B= -5/802 10-7/ 2 C= -4/27350 10-12/ 4 满足上述关系的铂电阻，其温度系数为： =3/850 10-3/ 3） 误差分析 铂电阻按允许 偏差可分为 A和 B二个等级，它们的允许误差为 （ 0/15+0/002|t|）和（ 0/30 0/005|t|）。铂电阻的缺点主要是易碎，且一般不易测量点温。 4)温度值计算 由铂电阻温度与电阻的关系可知， 如果根据式 4-1和式 4-2进行温度计算 /需要求解二阶和三阶方程的解 /计算程序复杂 /精度也难以保证。为克服铂电阻的非线性和图 1 所示测温桥路输出的非线性 /我们认为最行之有效的方法是让单片机采用查表和线性插值法 / 5) 平衡电桥电阻选择 当取 R1 = R2 = R 时 /桥路中两 个平衡点 AN1和 AN2 上的电位分别为 V AN1=R T/（ R + R T） V C / (1) V AN2=R0/(R + R0) V C / (2) 所以 /模数转换器的输入电压为 V IN = V AN1- V AN2=R ( R T - R0)/(R2 + R R T + R R0 + R0 R T) V C / (3) 取 AD7714 为双端输入 /在片测量放大器的放大增益系数为 32 时 / 则 AD7714 的满量程输入值 V INMAX 为 1/25 V/ 32 = 39 mV。所以 /当 V C = 1/25 V /RT = 138/ 5 (Pt100 铂电阻在 100 时的电阻值 ) /R0 = 100 (Pt100 铂电阻在 0 时的电阻值 ) 和 V IN = 39mV 时 /可从式 (3) 的二次方程中解得桥路电阻器 R的两个值 /2300和 6/ 229。考虑到电流大了会产生热效应 /R 的值取前者。为保证测量准确度和稳定度 /R和 R0 采用了精密线绕电阻器 / 为保证模拟转换器件AD7714 的测量线性度 /应将测量线路中的模拟地和数字地严格分开 /只在一点相连 /铂电阻平衡桥电路的接地端和基准参考源的接地端接 到了器件的模拟地 /晶振nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 16 页 共 51 页 电路的接地端接到了器件的数字地。 模拟电路设计如图 4-1 4-1 温度采集电桥 4/2 A/D7714 模数转换 4/2/1 模数转换选择 本系统要求的控制精度很高（ 小于 0/02），一般的 A/D转换器不能满足测量要求，为保险起见选用 24位的 A/D 转换器，本系统选用 AD7714 。 模数转换器 AD7714 是 - 型串行输出模数转换器 2 /它使用和差转换技术以实现高达 24 位的无误码性能。 AD7714 的非线性度小于 0/ 0015 %/它具有nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 17 页 共 51 页 的前端可编程放大器的增益值在 1 128 内可控 /片内含可编程低通滤波器 /允许调准滤波器的截止频率和稳定时间 /使用单电源工作 /尤其是简单的三线数据接口 /不仅简化了对器件的操作 /而且减少了对系统资源的占用。 4/2/2 A/D7714 与 89C52 接口 AD7714 和 AT89C52 的接口可以通过两种方式 实现，一种是用 AT89C52 的RXD(P3/0)与 AD7714的 DATAIN和 DATAOUT进行数据传送， 并利用 AT89C52的 TXD自带的时钟信号提供给 AD7714的 SCLK；一种是用 AT89C52的某一端 口位 (如 P1/0)与 AD7714的 DATAIN 和 DATAOUT进行数据传送，对另一端口位 (如 P1/1)编程产生时钟信号以提供给 AD7714 的 SCLK。 本系统用 第 二 种连接方式，是用 AT89C52 的某一端 口位 P1/2与 AD7714的 DATAIN和 DATAOUT进行数据传送，对另一端口位P1/5 编程产生时钟信号以提供给 AD7714 的 SCLK。并通过 P1/4 监视 通信寄存器的 DRDY位以确定数据寄存器何时有新数据，当然也可以用 AT89C52 的一个端口位与 AD7714的 DRDY 引脚相连， 以轮询的方式来确定，另外还可以以中断方式来实现。 如图 4-2所示： 4-2 A/D7714 与 89C52 接口 4/2/3 电源去耦 当使用 TLC2543 这种 12位器件时，必须注意电路板设计，每个集成电路的电源nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 18 页 共 51 页 必须用一个 0/1u 的陶瓷电容连接地端，用作去耦。推荐每个电源端和陶瓷电容并联一个 10uF的电容，特别是在噪声环境。 4/3 显示电路 本系统显示电路采用 MAX7219 芯片驱动 8 位数码管， MAX7219 芯片就是用于动态扫描显示驱动的芯片。该芯片的特点是利用一块 芯片就能完成 8 位字数据和 8位线数据的驱动 /使得电路紧凑。多芯片级联时，采用串行输入输出，可节省CPU的口线和接口芯片。与数码管联接时无需限流电阻， 8位显示的电流可通过一个外部电阻进行调节。显示亮度也可通过程序进行控制。片内具有 BCD 码译码选择，可以对输入的数据先进行译码再驱动输出，也可以将输入的数据直接驱动。如图 4-3 所示 4-3 MAX 显示电路 4/4 外部接口电平转换 本系统采用 MAX202 电平转换芯片， MAX202 使用 +5V 电压供电，片内有电压 倍增器和电压变换器，输出 RS232 需要的 10V 电平，内部有两个发送器和两个***。每个发送器输出和***输入勿需封闭便可抗 15kV静电放电的冲击，在数据率达 120kb/S时符合 RS232的传输指标。 MAX202只需四个外接电容就可正常工作。四个电容应选择体积较小、受温度影响较小的独石瓷片电容（ 0/1F ）。 图 4-4 为 MAX202 与单片机的接口电路 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 19 页 共 51 页 4-4 MAX202与 89C51接口电路 4/5 提高单片机系统抗干扰能力的主要手段 1/ 接地 这里的接地指接大地， 也称作保护地。为单片机系统提供良好的地线，对提高系统的抗干扰能力极为有益。特别是对有防雷击要求的系统，良好的接地至关重要。上面提到的一系列抗干扰元件，意在将雷击、浪涌式干扰以及快脉冲群干扰去除，而去除的方法都是将干扰引入大地，如果系统不接地，或虽有地线但接地电阻过大，则这些元件都不能发挥作用。为单片机供电的电源的地俗称逻辑地，它们和大地的地的关系可以相通、浮空、或接一电阻，要视应用场合而定。不能把地线随便接在暖气管子上。绝对不能把接地线与动力线的火线、零线中的零线混淆。 2/ 隔离与*** 典型的信号隔离是光 电隔离。使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，一方面使干扰信号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本身的噪声也不会以传导的方式传播出去。***则是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源，用金属盒罩起来，可减少噪声源对单片机系统的干扰。对特别怕干nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 20 页 共 51 页 扰的模拟电路，如高灵敏度的弱信号放大电路可***起来。而重要的是金属***本身必须接真正的地。 3/ 滤波 滤波指各类信号按频率特性分类并控制它们的方向。常用的有各种低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。低通滤波器用在接入的交流电源线上，旨在让 50周的交流电 顺利通过，将其它高频噪声导入大地。低通滤波器的配置指标是***损耗，选择的低通滤波器***损耗过低起不到抑制噪声的作用，而过高的***损耗会导致“漏电”，影响系统的人身安全性。高通、带通滤波器则应根据系统中对信号的处理要求选择使用。 印制电路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要。要本着尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播与耦合，尽量减小噪声的吸收这三大原则设计印制电路板和布线。当你设计单片机用印制电路板时，不仿对照下面的条条检查一下。 印制电路板要合理区分，单片机系统通常可分三区，即模拟电路区 (怕干扰 )，数字电路 区 (即怕干扰、又产生干扰 )，功率驱动区（干扰源）。 印刷板按单点接电源、单点接地原则送电。三个区域的电源线、地线由该点分三路引出。噪声元件与非噪声元件要离得远一些。 使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。 石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线要尽量短，且不要引得到处都是。 使用 45 度的折线布线，不要使用 90 度的折线 /以减小高频信号的发射。 时钟线垂直于 I/O 线比平行于 I/O 线干扰小，时钟线要远离 I/O 线。 每个集成电路要加一个去耦电容，要选高频信号好的独石电容式瓷片电容作去耦电 容。去耦电容焊在印制电路板上时，引脚要尽量短。 需要时，电源线、地线上可加铜线绕制铁氧用体而成的高频扼流器件阻断高频噪声的传导。 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 21 页 共 51 页 第五章 软件设计 5/1 程序设计语言与软件开发环境 5/1/1 程序设计语言的选用 本设计中采用的处理器是 AT89C52 单片机，由此可采用面向 MCS-51 的程序设计语言，包括 ASM51 汇编语言和 C51 高级语言，这两种语言各有特点。汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问 I/O 端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而数 ***算程序则适合用 C51高级语言编写，因为用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。 考虑到汇编语言的以下特点，在智能测控装置的基本功能软件开发中，全部程序均采用 ASM51 汇编语言编写： 1/ 汇编语言是最基本的程序设计语言。迄今为止，汇编语言仍然是计算机系统底层软件（例如汇编程序、 PC 机的 BIOS 等）设计的基本语言； 2/ 能充分利用机器的硬件功能与结构特点。汇编语言与机器语言密切相关，因此能透彻地反映计算机硬件的功能与特点。程序员可充分利用机器硬件系统的许多特性（如寄存器、标志位以及 一些特殊指令等）。这样能充分发挥程序设计的技巧； 3/ 用汇编语言编写的程序比起用高级语言编写程序具有更高的系统性能。汇编语言程序具有执行速度快和节省存储空间的特点，它可以精确地描述算法，把计算过程和控制过程刻画得更具体； 4/ 实时性能好。用汇编语言编制的程序可以对各种接口芯片及 I/O 端口直接进行控制，实时性能好。对于一些应用领域（例如工业监控系统等）汇编语言是不可缺少的，一般高级语言不适合这种应用，因为一般高级语言不能充分地利用计算机硬件所提供的诸如中断等方面的功能。 5/1/2 系统软件开发环境 本系统采用 wave2000 编译器，该编译器简单实用， Wave2000 编译器可在Windows 操作系统下直接使用，编译汇编源程序，并生成 16 进制文件和列表文件 /调试器采用 Windows 系统，允许用户使用 AT89C52 的 UART 串行接口在芯片上调试代码执行。在典型调试对话中，调试器提供对片内所有外围设备的访问、单步和设置断点的代码执行控制方式。模拟器采用 Windows 系统，能完全模拟AT89C52 的所有功能。模拟器使用简单，结合了许多标准调试特征，包括多断点、单步以及代码执行***等能力。 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 22 页 共 51 页 5/2 软件程序设计 5/2/1 主 程序 主程序主要实现系统的初始化，显示数据初始化。 系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等），MAX7219 的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。 显示数据包括数据转换（主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成数码管显示所需的数据类型）和显示屏的刷新（包括刷新采集数据屏和根据按下的键更改显示屏）。 结构框图如下 5-1： nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 23 页 共 51 页 图 5-1 主程 序框图 5/2/2 温度采集子程序 1/线性花方法的实现 查表子程序是本系统最关键，最复杂的程序，由于是铂电阻电桥测温度，根据铂热电阻 的特性，测温时存在一定的非线性，为了达到 0/001的分辨率和 0/02的精确度，必须进行线性化设计 ， Pt100 铂电阻的阻值与温度 ( R - t) 关系式 / 在 ( - 200 0) 的温度范围为 R ( t) = R (0 ) 1 + 3/ 908 02 10- 3 t - 5/ 801 95 10- 7 t2 - 4/ 273 开 始 系 统 初 始 化 温度采集是否完成 Y N 调用 查表子程序 调用 显示子程序 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 24 页 共 51 页 50 10- 12 ( t - 100) t3 / 在 (0 850) 的温度范围为 R ( t) = R (0 ) 1 + 3/ 908 02 10- 3 t -5/ 801 95 10- 7 t2 / (5) 式中 电阻 R 的单位是 /温度 t 的单位是。如果根据式 (4) /式 (5) 和式 (3) 进行温度计算 /需要求解二阶和三阶方程的解 /计算程序复杂 /准确度也难于保证。为克服铂电阻的非线性和图 4-1 所示测温桥路输出的非线性 /最行之有效的方法是让单片机采用查表和线性插值法 /以从 A/ D 输入的 V IN 值再现实时温度值。首先以温度在 - 90 100 范围内每增加 1 对应的 A/ D 输入电压对应的数字量 N ( t) 在单片机程序存储区建立 190个表格 /每格三个字节。表格值 N ( t) 的计算可用高级语言编程 /先从式 (4) 和式 (5) 以步距 1 计算出铂电阻 R ( t) 的分度值表 /然后代入式 (3) 中得 190 个 V IN ( t) 值 /再由下式转换成偏移的数字量为 N ( t) =V IN ( t)/V INMAX 223 + 223 / (6) 式中 V INMAX 为器件的满量程输 入值 /为 AD7714 的基准电压值除于放大器增益 / (1/25/ 32) V。循环计算后的 397个 N ( t) 值转换成 16进制后复制粘贴到单片机汇编程序中 /制表即告完成。单片机启动 A/ D 转换后得到的结果与表格内的 N ( n) 进行比较 /直到 N ( n) N ( t) N ( n +1) 时停止比较 /此时 N ( t) 所在的表格地址减去表格首址即为被测温度值的整数部分。在 N ( t) 值的比较查找中 /程序采用了对分搜索法 /既每次比较都取表长的 1/ 2处的值进行比较 /大于则下次比较取后半张表的 1/ 2 处进行 /小于则取前半张表的 1/ 2 处进行比较 /如此循环进行 /直到 N ( n) N ( t) N ( n +1) 时停止 /极大地提高了查找的速度。接着再应用线性插值法计算 N ( t)的小数部分 /由 N ( t) - N ( n) 和 N ( n + 1) - N ( n)的千分比值即可得出三位小数。经仿真计算 / 在 - 90 300 范围内 / 应用线性插值法所引起的误差不大于 0/ 000 3 /远小于仪器的显示分辨力。 T 值与 Vin 的关系式如下 D（ 0） =439/932854， D（ 1） =472/418020， D（ 2） =37/684494， D（ 3） =7/472018 D（ 4） =2/2920828， D（ 5） =0/005184， D（ 6） =-0/963864， D（ 7） =-0/188732 D（ 8） =0/191203， D（ 9） =0/049025 T= D（ i） Wt-2/64/1/64i Wt=Rt/Rtp/Rtp=25 Rt=R2+R*R0+R*R0*2500*223/Vin*39/R*2500*223/Vin*39-R-R0 对分查找程序框图如下 程序的入口为 /表格首址送实时表址寄存器 / 将名义表长送表长寄存器。名义表长= 2 k L / 2 k 为表格数的最小二进制数模 /如表格数为 1 300 / 则 211 = 2 048 / L 为每个表格的字节数 /式中 L = 3 。 nts浙江科技学院信息与电子工程学院 2006 届毕业设计（论文） 班级 ： 02 电子 B 班 学号 ： 20243047 姓名 ： 张 必 康 第 25 页 共 51 页 图 5-2 对分查找程序框图 2 A/D7714 编程和数据读取 在运行 AD7714 时 /首先要对 AD7714 进行设置编程。每项编程操作都要分为两步进行 /先向通信寄存器写入控制字 /再把相关数据写入对应的寄存器。图 5-3 是AD7714 的设置编程和数据读取流程图 。 AD7714 的片内数字滤波器是一个 SinC3滤波器 /12 位滤波寄存器中 FS11 FS0 由滤波高位寄存器的低 4 位 FS11 FS8 和滤波低位寄存器 FS7 FS0 所构成 / FS11 FS0 用于滤波器第一陷波点的选择 /同时也决定 A/ D 数据的输出速率。第一陷波点频率等于 ( f CLK/ 128) / N / 其中 f CLK为 AD7714 的外接晶振频率 / N 为 FS11 FS0 所表示的十进制大小。由图 2 中 (A) 和 (B) 所示 /将 FS11 FS0 设置为 # 600H /这时第一陷波点频率 1215 Hz /既为工频周期的整数倍 /又满足了 AD7714 在输出频率小于 60 Hz 时才能保证 24 位无误码的要求。 (A)
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