基于单片机温度检测方案设计书1Word文档下载推荐.docx
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因此能够较好的适应对温度要求较高的工业应用场合，同时也可应用在楼宇等温度检测及显示。
1.3本文主要工作
本文主要阐述了一款基于AT89S52单片机控制，以E型热电偶为温度传感器的温度仪表的设计。
在整个系统的设计过程中为了达到0.5级误差的设计要求，对热电偶采取电桥补偿法进行冷端补偿，分段折线法进行线性拟合。
由AT89S52、HD7279及仪用仪表放大电路等构成整个系统的硬件组成。
同时考虑网络控制在现代工业控制中的作用，系统同时设计了RS-485通讯。
第2章系统的总体设计
按任务书的设计要求，可将整个系统分为四大部分：
K型热电偶测温单元、单片机及其外围硬件电路设计、数据处理及软件设计及系统电源设计。
图2.1为整个系统的结构框图。
图2.1系统结构框图
框图中温度传感器的作用是对工业现场中的温度参数进行采集，信号处理作用是对温度传感器的输出信号进行放大、滤波及数模转换，AT89S52单片机的作用是对系统的相关数据进行处理，显示和键盘的显示数据及输入控制。
时钟芯片的作用是为整个系统体提供时间参数。
整个系统的工作过程中采用温度传感器K型热电偶对工业现场中的温度参数进行采集，温度传感器的输出信号经过放大、滤波、A/D转换信号处理这一环节，被送入AT89S52进行数据的相关处理。
上位机通过RS-485通讯这一环节对下位机进行相应的控制，如显示、读取相关时间参数。
第3章K型热电偶测温单元
K型热电偶的概述
K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。
K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。
3.1热电偶工作原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图3.1所示。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
2
图3.1热电偶原理图
实验证明，当电极材料选定后，热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关，即dEAB（t1,t2）=SAB×
dt（3.1）
比例系数SAB称为热电动势率，它是热电偶最重要的特征量。
3.2K型热电偶的冷端补偿
一热电偶测温时冷却补偿的必要性
理论上测量是以冷端在零度为标准测量的。
所以，使用时必须遵守该条件。
如果参考端温度不是0℃，尽管被测温度不变，热电势（t,tn）将随参考端温度的变化而变化。
然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，由于冷端不为零度，造成热电势差减小，使测量不准，出现错误。
所做的补偿措施就是冷端温度补偿.热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。
若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。
在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。
热点偶的分度表等都是以热电偶参考温度等于0℃为条件的。
因此，一般工程测量
中参考端处于室温或波动的温区，此时要测得真实温度就必须进行修正或采取补偿等措施。
二常用的补偿方法
在实际应用的过程中冷端补偿的方法有很多种,下面就常用的三种方案进行讨论。
1．热点偶补偿法
在热电偶回路中反向串联一支同型号的热电偶，称为补偿热电偶，并将补偿热电偶的测量端置于恒定的温度T0处向热电势来补偿工作热电偶的参考端热电势，如图3.2所示。
这里T1等于Tn，T0等于0℃,则可得到完全补偿。
当T0不等于0℃时，再利用上述方法进行修正。
此法适合用于多点测量，可应用一个补偿热电偶同多个工作热电偶采取切换的方法相对接。
图3.2热电偶补偿法
2，0℃恒温法
把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可保持冰水保持在0℃，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。
实验室中通常采用这种方法。
今年来，已生产一种半导体制冷器件，可恒温在0℃
。
3．电桥补偿法
在热电偶的正端接入一个直流不平衡电桥，也称冷端补偿器，它的输出端与热电偶串接，电桥的三个桥臂（Ra,Rb,Rc）由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，使其值不随温度变化；
另一桥臂（Rc）由温度系数较大的铜丝绕制，其阻值在20℃时为Rc等于1W,此时电桥平衡，a,b两端没有电压输出。
当电桥所处的环境温度变化时，电阻Rc的阻值随之改变。
于是电桥将有不平衡电压输出。
Rc电阻经过适当的选择，可使电桥的输出电压特性与配用的热电偶的热电特性相似，同时电位差的方向在超过20℃时与热电偶的热电势方向相同；
若低于20℃时与热电偶的热电势方向相反，从而自动地得到补偿。
这种补偿的原理可用如下电势关系描述。
EAB（T,Tn）=EAB（T,T0）-EAB（Tn,T0）（3.3）
若使电桥的不平衡输出电压随温度的变化值等于EAB（T0，Tn），则显示仪表的示值为：
EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）=EAB（T,T0）（3.4）
这就是被测温度的真实值。
如图3.3所示
图3.3电桥补偿法
使用电桥补偿法的注意事项
在使用这种补偿器时，由于所设计的电桥是在20℃输出为零，故必须把显示仪表的起始点调整到20℃所对应的位置。
此外，必须注意，各种冷端温度补偿器只能与相应型号的热点偶及在所规定的温度范围内配套使用，因为热电偶的输出特性是非线性的，只在某一温度区内能实现近似的线性。
冷端温度补偿器与热电偶连接时，极性切勿接反，否则会增大温差。
3.3K型热电偶的放大电路
1，放大电路的作用
热电偶的放大电路主要是将热电偶测量温度所得的电压信号进行放大，以达到下一步A/D所需要的电压范围，因此需要放大电路有较高的放大系数、稳定性等。
一些简单的应用电路如图。
图3.5同向比例放大电路
这是一种常见的放大电路，根据本设计中使用环境的需要，本设计采用仪用仪表放大电路如图3.6所示。
根据上述方案，放大电路的原理图如图3.6所示。
U8A，U8B，U10A及相应电阻构成前置仪用仪表放大器。
本级分配的差模电压增益为：
其中U8A，U8B构成的差放分配13，U10A构成的差放分配2，为保证仪用仪表放大器有较好的抗共模干扰能力，
图3.6仪用仪表放大器
应选用对称的电阻参数，既R20=R23，R17/R16=R29/R26。
根据“两虚”的概念和增益的分配有。
（3.5）
（3.6）
由于对电路的功耗和分布参数没有特殊，所以可选取参考的要求电阻R22=2KW,R16=16KW。
由上述关系算出：
R20=R23=12KW，R26=R16=10KW，R17=R29=10KW。
此时前置仪用仪表放大器差模电压增益满足设计的要求。
为避免输入端开路时放大器出现饱和状态，在两个输入端到地之间分别串界两个电阻R18，R25。
为满足差模输入阻抗大于107的要求，取R18=R25=20MW。
第二级及电阻、电容组成带通滤波器，由于总增益要求，前置级已分配，所以本级通带内的差模电压增益应为：
（3.7）
取R28=48KW，则R27=48KW。
此时，总的差模电压增益为。
AVD=AVD1×
AVD2×
AVD3=23（3.8）
C1、R8构成高通滤波器，设计要求为fL=0.05HZ。
取R8=1MW,则根据fL=1/（2pi×
C1×
R8）可算出C1=3.18µ
F,取C1=3.3µ
F标称值的电容器，则可满足要求。
同理C2,R10构成低通器，要求上限频率为100HZ.则根据fH=1/（2pi×
C2×
R10）和R10=48KW,可算出C2=0.03316µ
F,取C2=0.033µ
F标称值，则可满足要求。
3.4K型热电偶的非线性校正
由于热电偶的温度特性有较严重的非线性特性，如不加校正是无法达到0.5级的显示精度，所以非线性校正环节是直接影响仪表显示准确度的关键环节。
方案一：
以函数发生电路对热电偶的非线性校正[1][3]。
首先，观察E型热电偶的温度－毫伏特特性，如图3.8所示。
为补偿其非线性，要求在放大器中串入线性化环节，其特性如图3.9所示。
加入线性化组件后，两曲线叠加，热电偶温度t和输出电压之间就有线性关系以下分函数发生器实现图3.8曲线将曲线分成2段：
OA段曲线和AB段直线，先设计出产生曲线OA的函数发生器，再设计出产生直线AB的函数发生器，OA与AB相加，即为整条曲线。
图3.10为三段线段相加形成一条线性化电路总特性曲线过程。
K型热电偶的温度－毫伏特特性
线性化环节特性图
方案二：
用改变参考电压来校正热电偶非线性[9]。
热电偶非线性校正的原理如图3.7所示。
热电偶产生的热电势经参比端补偿和调起点处理后，经过放大倍数（可调）的放大器成为输送至7107的VIN+端的信号V0。
约为2.5V的基准电压E经两个阻值相等的电阻R0分压后加至7107的VREFHI端。
7107的COM端、VREFLO端相连并接地。
7107的VIN-端可接COM端（仪表起点温度为0℃），或接一迁移电压（仪表起点温度不为0℃）。
这里，热电偶的非线性校正，只是增加一个阻值适当的电阻R1，使加到7107的VREFHI端上的电压Vr随测量信号而变。
这样就可以使仪表在测量范围两端（即起点温度tmin和终点温度tmax）及中间任选温度ta点上无显示误差。
ta一般可选为0.5（tmaxtmin），但对K型等热电偶可用试凑ta的方法，使整个测量范围内正负误差绝对值相等且为最小。
设tmin，tmax，ta和热电偶分度号为已知，由分度表可查出对应的电势（参考为0℃）为emin，emax和ea，放大器的输出电压为
（3.9）
VOmin＝0，用迁移VIN的方法将7107的显示温度调到tmin值上。
当测量温度t介于
tmin和tmax之间时，7107的参考电压Vr可用下式表示
图3.7非线性校正原理图
（3.10）
式中：
（3.11）
由公式（3.10）可知，当t＝ta和t＝tmax时的Vra和Vrmax分别可用下面式表示。
（3.12）
（3.13）
众所周知，7107的显示值td与V0，Vr和tmin之间成如下的关系。
（3.14）
3.5本章小结
本章通过对K型热电偶采用电桥法对其进行冷端补偿，采用仪用仪表对其进行放大、滤波和线性化处理，从而使其达到了本设计的要求。
第4章温度仪表的硬件设计
4.1单片机AT89S51简介
本设计采用的CPU为AT89S51单片机如图4.1所示，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
图4.1
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51有40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
4.212位A/D转换器
由放大器输出的信号是不能被单片机直接进行处理的，需要A/D转换器对其进行转换。
本设计采用的是12位A/D转换器TLC2543。
具有11个输入端的12位模数转换器TLC2543是美国德州仪器公司于近几年推出的一种性能价格比较优的12位A/D转换芯片，具有多种封装形式，并具有民用级工业级、军用级产品。
在产品型号、规格、封装形式、适用范围等方面，已形成一个系列。
一九九八年以来开始在我国推广使用。
就12位A/D转换器来说，TCL2543具有转快、稳定性好、与价格低等优点，相信在我国单片机应用领域将会很快推广。
鉴于51系列单片机是我国单片机应用领域的主流型号，一批与之兼容的单片机（如AT89C51、GMS97C51等）于近几年相继推广使用，51系列术语含义可以扩大,我们可以把与51系列兼容的单片机称为广义51系列或51系列兼容机，可以预计，51系列单片机的开发应用，在我国的单片机应用领域仍将是主地位，因此，探讨TLC2543与51系列单片机接口具有实际意义。
但是，TLC2543与带有行外设接口（SPI,SerialPeripheralInterface）的微处理器易于接口，而51系列单片机不具有SPI,因此必须用软件合成SPI的操作。
1．TLC2543的引脚及功能
TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器,有多封装种形式，其中DB、DW或N封装的管脚图见图4.2。
TLC2543有20根引脚，其它封装形式引脚数及引脚功能相同。
引脚的功能简要分类说明如下。
（1）控制引脚
CS,15脚，片选端，由高到低有效，由外部输入。
EOC,19脚，转换结束端，向外部输出。
I/OCLOCK,18脚，控制输入输出的时钟，由外部输入。
（2）电源引脚
Vcc，20脚，正电源端，一般接+5V。
GND，10脚，地。
REF+，14脚，正基准电压端，一般接+5V。
图4.2TLC2543引脚图
REF-，13脚，负基准电压端，一般接地。
（3）控制字输入引脚
DATATINPUT，17脚，控制字输入端,选择通道及输出数据格式的控制字由此输入。
0.3V。
（4）模拟输入引脚
AIN0～AIN10，1～9脚、11～12脚，11路模拟输入端，输入电压范围，0.3V～Vcc+
（5）转换数据输出引脚
DATAOUT，16脚，A/D转换结果输出的3态串行输出端。
2．TLC2543的内部寄存器
从编程角度看，TLC2543内部寄存器有输入数据寄存器与输出数据寄存器。
输入数据寄存器存放从DATAINPUT端移入的控制字。
输出数据寄存器存放转换好的数据，以供从DATAOUT端移出。
3．控制字的格式
控制字为从DATAINPUT端串行输入TLC2543芯片内部的8位数据，它告诉TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。
其中高4位（D7～D4）决定通道号，对于0通道至10通道，该4位分别为0000、0001、⋯、1010，该4位为其它数字时的功能，用于检测校正，本文不作具体介绍。
低4位决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，TLC2543的输出数据长度8位、12位、16位，但由于TLC2543为12位A/D转换芯片，经过分析可以看出，8位、16位输出对TLC2543的应用意义不大，宜定在12位输出，D3、D2两位为00即可。
D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，若为高位先送出，该位为0，反之为1。
D0决定输出数据是单极性（二进制）还是双极性（2的补码），若为单极性，该位为0，反之为1。
举例说明，设采集第6通道、输出数据为12位、高位先送出、输出数据的格式为二进制，则控制字为:
01100000，用十六进制表示即为60H。
4．转换过程
上电后,片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。
开始时，片选CS为高，I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止，DATAOUT呈高阻状态，EOC为高。
使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。
12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543（高位先送入）,同时上一周期转换的A/D数据,即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。
TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，因此，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。
在第12个时钟下降沿，EOC变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约需10μs,转换完成EOC变高,转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。
此后，可以进行新的工作
周期。
5．TLC2543与单片机的接口
本设计中TLC2543与单片机的接口如图4.3所示，图中TLC2543与单片机之间只用4根线，转换结束EOF未接入单片机，这是基于二个工作周期之间的单片机指令一般大于10μs，转换已经完成,不必判断EOF，也可以通过试验或计算指令执行时间确定转换是否结束，这样可以省去一根接线。
4.3显示电路
本设计采用HD7279A（见图4.4）对键盘输入和LED显示进行控制，HD7279A是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完成LED显示键盘接口的全部功。
一，HD7279A的简介。
HD7279A内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式。
此外还具有多种控制指令如消隐闪烁、左移、右移、段寻址等。
HD7279A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。
图4.4HD7279的引脚图
二串行接口，无需外围元件可直接驱动LED；
各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性；
（循环）左移/（循环）右移指令；
具有段寻址指令，方便控制独立的LED；
64键键盘控制
器，内含去抖动电路；
有DIP和SOIC两种封装形式供选择；
HD7279A应连接共阴极式数码管。
无须使用的键盘和数码管可以不连接,省去数码管或对数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。
HD7279A的典型应用电路（如图4.5所示）及硬件使用。
HD7279A以串行方式CPU通信,这里使用了单片机的P1口的4根口线:
P1.2、P1.3、P1.4和P1.5。
HD7279A需要外接RC振荡电路供系统工作,其典型值为R=1.5kΩ,C=15pF,当单片机的主频为6MHz时,可以稳定工作。
HD7279A的引脚RESET在一般情况下,可以直
图4.5HD7279的典型应用电路图
接与正电源连接,若对可靠性要求较高,可以外接复位电路,或直接由CPU控制。
HD7279A上电后,所有的显示为空,所有的显示位的属性为“显示”及“不闪烁”。
当有键按下时,引脚KEY变为低电平,此时如果收到“读键盘”指令,HD7279A将输出所按下键的代码。
键盘代码的定义见表4.1,表4.1中代码以十进制表示。
如果有2个键同时按下,HD7279A只能给出其中一个键的代码,因此,HD7279A不适合用在需要2个或2个以上键同时按下的场合。
另外,HD7279A的空脚（NC）必须悬空,即不得有任何外部连接。
4.4时钟电路
Dallas（如图4.6所示）公司生产的串行时钟芯片DS1302具有实时时钟和静态RAM，采用串行通信，可以方便地与单片机接口。
DS1302是美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附带31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行
图4.6DS1302引脚图
同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节时钟信号或RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31日时可自动调整，包括闰年，有效至2100年。
可采用12h和24h方式计时，采用双电源（主电源和备用电源）供电，可设置备用电源充电方式，同时提供了对后备电源进行涓涓电流充电的方式。
芯片为8引脚DIP封装[15]。
DS1302时钟芯片的引脚及其功能X1、X2，连接到32.768KHZ晶振，为芯片提供时钟脉冲；
GND，电源地；
RST，复位引脚，用于对芯片的操作；
SCLK，串行时钟输
表4.1HD7279A引脚及功能
引脚
名称
说明
1，2
VDD
正电源
3，5，26
NC
无连接，须悬空
4
VSS
接地
6
CS
片选输入端，为低电平时，向芯片发送指令及读键盘数据
7
CLK
同步时钟输入端，向芯片发送指令及读取键盘数上升沿表示数据有效
8
DATA
串行数据输入/输出
9
KEY
按键有效输出端，平时为高电平，当
升级会员 