智能化温度仪表的设计doc.docx
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智能化温度仪表的设计doc
智能化温度仪表的设计
摘要
智能温度仪表的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。
智能仪表凭借其体积小、功能强、功耗低、可以大幅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，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。
本文从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路。
对硬件原理图和各部件（温度检测部件、A/D转换部件、面板操作部件、单片机CPU、液晶显示部件、电源供电部件）都作了详细的说明；用编写的软件描叙了仪表各种功能（温度检测、信号处理、数字显示、键盘识别）的实现。
关键词：
MCS-51单片机；温度；软件；硬件
TheDesignofIntelligentizedThermometer
Abstrsct
Theappearanceofintelligentizedthermometerhasexpandedtheapplicationoftraditionalinstrumentmaximumly.Intelligentizedthermometerhasappliedwidelyinelectricalhomeappliances,researchunitandindustrialenterprisereliedonit’slittlevolume,strongfunction,lowpower,technicalindexthatcontrolledtemperaturemayraiseandsoon.
ThispaperhaveintroducedthedesignoftheMCS-51temperaturecontrolsystembothinhardwareandsoftware.Isforhardwareprinciplepictureandeachparts（temperaturedetectionparts,theconversionpartsofA/D,theoperatingpartsoffaceplate,singleflatmachineCPUandliquidcrystalshowpartsandpowersourcetosupplypowerparts）havemadedetailedexplanation;Drawingwiththesoftwarethatcompileshavetalkedtherealizationofappearancevariousfunctions（temperaturedetection,signalhandlingandfigureshow,keyboardidentification）.
Keyword:
MCS-51singleflatmachine;Temperature;Softhardware;Hardwareprincipleissought;Programblockdiagram;Design
目录
第一章引言2
第二章智能化温度仪表的总体设计3
2.1仪表设计要求3
2.2设计思路3
第三章硬件电路的设计4
3.1温度检测部分4
3.2A/D转换部分7
3.3面板操作部分8
3.4单片机CPU部分8
3.5液晶显示部分9
3.6电源供电部分9
第四章软件设计10
4.1温度检测程序10
4.2信号处理11
4.3数字显示12
4.4键盘的判别12
参考文献13
插图清单
图1智能化仪表组成框图
图2单片机应用系统设计流程
图3 单片机系统总线缓冲电路框图
图4单片机数据总线接口电路
图5智能化温度测量仪表的电路原理图
图6热敏电阻三点式线形校正电路
图7热敏电阻三点式校正效果示意图
图8LM331与单片机的接口电路
图9NCP1400A芯片典型应用和引脚排列
图10温度检测程序框图
第一章绪论
1.1温度仪表的发展现状与趋势
80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE488总线连接。
不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展。
90年代，温度仪表的智能化突出表现在以下几个方面：
微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。
近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。
国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。
多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。
例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。
这种多功能的综合型产品不但在性能上（如准确度）比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。
人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。
智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。
这样，智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。
显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题
伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。
在系统编程技术（In-SystemProgramming，简称ISP技术）是对软件进行修改、组态或重组的一种最新技术。
它是LATTICE半导体公司首先提出的一种使我们在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，具有对其器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。
ISP技术消除了传统技术的某些限制和连接弊病，有利于在板设计、制造与编程。
ISP硬件灵活且易于软件修改，便于设计开发。
由于ISP器件可以像任何其他器件一样，在印刷电路板（PCB）上处理，因此编程ISP器件不需要专门编程器和较复杂的流程，只要通过PC机，嵌入式系统处理器甚至INTERNET远程网进行编程。
EMIT嵌入式微型因特网互联技术是emWare公司创立ETI（eXtendtheInternet）扩展Internet联盟时提出的，它是一种将单片机等嵌入式设备接入Internet的技术。
利用该技术，能够将8位和16位单片机系统接入Internet，实现基于Internet的远程数据采集、智能控制、上传／下载数据文件等功能。
目前美国ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和国内的P＆S公司等均提供基于Internet的DeviceNetworking的软件、固件（Firmware）和硬件产品。
测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。
在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。
因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。
这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。
在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。
可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。
传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。
作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。
1.2智能化温度仪表简介
随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A／D、D／A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成器电路芯片（即单片机）出现了。
以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。
与传统的温度仪表相比，智能温度仪表有一下特点：
①操作自动化。
仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。
②具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。
智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。
这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。
③具有数据处理功能，这是智能温度仪表的主要优点之一。
智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。
例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。
④具有友好的人机对话能力。
智能仪表使用键盘代替传统仪
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。
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和控制。
采用MCS-51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。
智能化仪表时常规仪表与单片机相结合的产物，智能化仪表能够解决普通仪表不易解决的问题，能够简化电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本。
智能化仪表的组成框图如图1-1所示：
图1-1智能化仪表组成框图
在图1-1中，传感器用于信号的检测，通过传感器把要检测的值转换成相应的物理量或电信号。
由于这个信号比较微弱，而且通常是非线性的，需要进行放大和线性化处理，具有这种功能的电路就是变送器，它能把检测到的微弱的、非线性的信号转换成标准的线性化的电压、电流信号。
A/D转换器把检测到模拟信号转换成对应的数字量，输入单片机CPU中，通过内部的数据处理程序把测量值在显示器中显示或通过单片机的串行输出口把信号传送到其他地方。
人们可以使用仪表的面板操作键，对仪表的测量功能进行选择。
在智能化仪表中，单片机是主要的部分，单片机有存储器、运算器、控制器、输入输出端口和程序存储器，能够实现四则运算、逻辑判断、自诊断、自校正、自适应、自学习等功能。
由于有了单片机，可以用软件的方法对测量信号进行线性化处理，从而简化了测量信号处理部分的电路，可以用软件的方法实现测量值的数字化显示，可以通过串行通信实现数据的远程传输，可以与PC机相连，对测量值进行统计、存储、打印等。
由于有了单片机，可以采用自校正软件技术来消除测量仪表内部的电子元器件产生的电压漂移。
可以采用自诊断技术实现仪表的故障自检或通过面板操作键，进入故障自诊断状态，进行仪表的自诊断、通过显示器显示故障的类型。
可以采用数字滤波技术和单片机的逻辑判断功能，提高测量仪表的抗干扰能力。
第二章单片机应用系统设计
2.1应用系统总体方案设计
在单片机应用系统的设计中，要考虑硬件和软件的相互配合，要考虑系统的看干扰能力和可靠性,还要考虑系统的供电的接口等许多问题。
在设计单片机应用系统时，必须先确定该系统的技术要求，这是系统设计的依据和出发点，个设计过程都必须围绕这个技术要求来工作。
在设计过程中，应对所设计的系统的性能、可靠性、可操作性、经济效益、技术可行性进行分析，使所设计的系统有较好竟争力。
在进行系统的总体设计时，首先要考虑在满足系统的基本技术性能指标前提下，选择合适的单片机CPU。
现在单片机的型号很多，性能都比较好，应该从市场能否长期供货、是否有较完善的开发装置和相应的应用资料方向来考虑CPU的型号，要根据应用产品的数量及开发状况来选择单片机CPU。
在目前状况下，由于MCS—51系列单片机有较完善的开发装置，有各种规格的CPU，是一个理想的首选机型。
在设计开始时，设计人员根据应用的功能和设计的要求提出设计的总体任务，绘制硬件和软件的总框图。
将总任务分解成可以独立表大的子任务，这些子任务在向下分，直到每个子任务都足够简单，能够直接而容易地实现为止。
这些子任务可用模块方法来实现，也可以采用一些现有的通用化模块，进行简单的、方便的工作方式解决问题，最后将各种功能模块有机的结合起来成为一个大的复杂的模块,这样就完成了总的设计任务。
在满足基本指标的前提下，应尽可能采用简单的设计方案，因为简单的设计方案意味着系统使用的元器件也少，其可靠性也高，因此系统的成本也低，比较经济。
系统的可靠性至关重要，可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，可靠性主要用平均无障碍时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。
对于单片机应用系统来说，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何好，如果可靠性差、故障频繁、不能正常运行，就没有使用价值。
在单片机的设计过程中，从应用系统的总体设计、外形结构到软件设计、硬件设计和软件之间的关系，可靠性设计贯穿于每一个环节。
对硬件而言，在设计中所用的元器件质量的优劣和结构工艺是影响可靠性的重要因素，所以要正确选择元器件，在设计时，对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定的安全量，并对元器件进行老化和筛选。
对软件而言，应尽可能地采用模块化的设计方法，便于编程和调试，可以减少故障率和提高软件的可靠性。
同时，对软件要进行全面的测试，排除可能出现的故障，提高系统的可靠性。
在总体设计中还应考虑操作的方便性，尽量降低对操作人员的专业只是要求，以便产品的推广应用。
操作程序应简单明了，输入输出应用十进制数表示，操作则无需专门训练，便能掌握系统的使用方法。
系统还有较好的可维护性，便于拆卸和维修，为此系统的硬件结构要规范化、软件要模块化，在软件设计中应有故障诊断程序，一旦发生故障时能够有效的对故障进行定位，以便进行快速维修和恢复正常运行。
一般的设计过程如图
图2单片机应用系统设计流程
2.2系统硬件设计
在单片机应用系统的硬件设计中，首先要选择好单片机芯片。
CPU是最主要的元器件，选择CPU时要考虑CPU的性能，它的ROM和RAM的容量，它的I/O接口情况和开发装置的使用情况。
应该尽量在满足系统设计的条件下选用自己熟悉的CPU，CPU的时钟是系统工作的定时基准，设计时钟电路时必须参照所选择的单片机对时钟输入的具体要求，例如：
最低与最高允许频率、高低电平容差、脉冲宽度容差、最大最小升降时间等。
同一系列的CPU，对时钟频率的范围都有明确的规定。
同一系列的CPU，因制造材料、工艺不同形成不同的档次，所要求的时钟频率也有明显的差异。
CPU的时钟电路，通常采用石英晶体振荡器等元器件组成，对于由外部提供时钟输入的CPU，多选择数倍于所需频率的晶体振荡器，然后经过分频得到额定的频率。
为了简化时钟电路设计，对某些系列的CPU和单片机，应优先选用具有内部时钟电路的品种或优先选用专用时钟芯片。
由于系统中的其他接口芯片使用的时钟往往直接或间接地与CPU时钟有关（如串行通信的收、发时钟，CRT显示器的点脉冲），因此，设计时钟电路是，还需要考虑这些芯片的要求以及它们与CPU时序的配合问题。
复位是通过硬件或软件，实现CPU、逻辑芯片、电路的初始化处理。
系统启动时自动完成复位操作是必不可少的，也可以设计按钮提供手动复位功能。
各种不同系列的CPU及接口芯片所要求的复位电平及持续时间不尽相同，应参照具体要求进行设计，还要考虑在电源电压偏低或掉电时，能够把数据保存在备用电池供电的静态存储器中并冻结CPU的运行，以便电源恢复时能自动启动，这样的掉电保护电路要和CPU复位电路一起进行设计。
另有一些系统也会使用动态存储器，为避免手动复位时，因刷新停止而造成数据丢失，必须通过适当电路控制复位时间。
具有上述各种复位能力的逻辑电路结构较为复杂，元件参数要配合得当。
现在已有集成度很高的复位电路芯片，可以直接选用CPU复位电路芯片进行设计，简化设计电路，提高系统的可靠性。
单片机系统中的存储器有内存储器与外存储器之分，这些存储器包括ROM、RAM等半导体存储器。
RAM是随机存取的存储器，又称为读写存储器，因制造材料和工艺的不同，有静态与动态之分，它们在PC机系统中，可以存放测试的数据，运算的结果，程序的堆栈及其他中间变量。
SRAM使用简便，无须数据刷新，并可组成低功耗的掉电数据保护电路，适用于容量及功耗要求不高的单片机应用系统。
如果要求大容量的RAM，使用DRAM存储器可以提高集成度并减少功耗。
现在有闪速存储器，它有DRAM的集成度和高速性，又有电可擦除的程序存储器的非易失性，非常适合于单片机中做大容量存储。
内存的选取通常要考虑存储器容量、存取时间及功耗。
对于不同类型的存储器可能还要涉及到读写、刷新、数据掉电保护等方面的要求。
ROM是只读存储器，由工厂制造时掩膜编程，用户自己无法写入程序。
PROM可以有设计者自己编写并写入，但需要使用专门的编程器。
这两种存储器都只能一次性写入，无法修改，因此，主要用于已定型的大批量生产的想、产品使用。
EPROM是一种通过紫外线擦除、电可写的可以多次写入的ROM存储器。
擦除时必须整片进行，写入时，则可以针对单字节、多字节和整片进行，写入的程序和数据具有长久的不挥发性。
常用的芯片容量有2~256KB多种规格，并有引脚兼容的低功耗品种。
与ROM、PROM相比较，通用EPROM芯片价格便宜，是目前单片机应用中的常用芯片，用于存放程序和固定不变的参数。
它不仅适用于样机开发和小批量生产，中等批量以下的产品也可以应用。
电可擦除的程序存储器与EPROM相比，它的擦写不必放到专用设备上进行，而是可以在使用的位置上直接进行。
现阶段生产的电可擦除程序存储器芯片，一般可承受一万次以上的反复擦写，写入的信息可以保存10年以上，这种良好的擦写性能，使它在单片机应用、设计、开发中备受青睐。
在开发过程中，它可以在断电时保存被开发的目标程序，免了再次输入的麻烦。
当应用系统投入使用以后，可以用来存放不频繁变动的数据，用来存放操作人员设置的参数等。
由于可靠性的原因，电可擦除程序存储器尚不宜取代各种ROM、EPROM直接用作存放经久不变的程序与数据，FLASHRAM是一种新颖的存储器，是一种电可擦写的存储器。
可以作为ROM也可以作为RAM使用，AT89系列单片机中的ROM就应用了这种存储器，所以改写程序非常方便。
常用的MSC—51系列单片机8051、8057分别带有4KBROM和EPROM，并提供128B的RAM。
而常用的8155、8156内则含256B的RAM。
在设计小的单片机仪表时，还可以选用PSD（ProgrammableSystemDevice）一类接口芯片，这些芯片内有可编程I/O接口、SRAM、EPROM、可编程逻辑、定时器/计数器等功能单元，可取代众多外围芯片，降低功耗，减小体积。
系统的数据存储器，一般作为测控用，128～256BRAM基本够用，再配以少量的电可擦除程序存储器，用于存放一些常用的数据，基本上能满足要求。
若系统的数据量比较大，可以用FLASHRAM，用于存放大量的数据，当然用传统的6264芯片也可以。
输入输出接口是单片机CPU与外围设备之间交换信息的桥梁，在单片机应用系统中占有重要地位。
外界的各种数据和信息通过输入设备和接口送入CPU，而CPU将计算结果或控制信号通过输出设备传送给外部设备，以便显示、打印和实现各种操作。
为了解决单片机CPU与外围设备的通信，需要对外部设备的地址进行译码，将外存储器和所使用的I/O接口都当作存储单元进行读写操作，因此，所有的访问存储器指令均适合对I/O接口的操作。
MSC—51系列单片机编址采用哈弗结构，程序存储区和数据存储区分开编址，各产生64KB地址空间，而用数据存储空间的一部分作为I/O接口映射区，即I/O接口和数据存储器混合编址，片外程序存储器选通信号PSEN脉冲作为片选信号即可，不需用
信号，而访问外部数据存储器是，则必须用
信号控制其读/写端。
在设计I/O输入输出接口方面，应尽量利用CPU的I/O输入输出口，不采用扩展方式、若I/O口不够，可以用一些简单的TTL电路来增加输入输出了、口。
若有检测信号输入，在时间允许的情况下，尽可能采用V/F方法作为检测信号的输入，而不用A/D转换方式这样可以简化输入电路，提高测量精度。
在串行接口空闲的情况下，也可以考虑采用串行A/D输入的方法以节约I/O输入输出口资源。
在CPU具有扩展I/O元器件时，为了与I/O设备交换数据，需要对I/O接口设备进行译码，一般有线译码和全地址译码两种地址译码方法。
若系统的I/O接口电路不复杂，可以采用线译码。
在线译码方法中，把高位地址线单独地接到设备的片选端，当该地址线为低电平时，就是该片被选中，这种译码方式的优点是硬件电路简单，但只能用于外部设备较少的情况下。
当RAM和I/O接口容量较大时，片选信号大于线译码提供的地址，则需要采用全地址译码方式。
设计单片机的I/O接口电路时，在满足功能要求的前提下，应该尽量利用各种规模的CMOS集成电路进行设计。
这样即能减小体积，又能降低功耗与成本。
大多数CPU和单片机提供与TTL兼容的逻辑电平，也有不少品种为高速CMOS产品。
它们与TTL或CMOS中规模集成芯片可直接连接。
在功耗方面，74LS系列逻辑电路的平均功耗为每门2ｍＷ,CMOS仅为0.01ｍＷ左右。
CMOS的功耗之所以这样低，原因在于它处于静态时，电流几乎为零，只有当信号频率升高时，才有所上升。
此外，CMOS电路的扇出系数平均≥50,TTL则为8～10。
COMS电路的电源电压范围宽，特别是标准型CMOS，可以在3～15V之间任意取值。
为了使电平与TTL兼容，CMOS工作电压可以取5V，此时，一个CMOS逻辑门能驱动两个标准的TTL输入线，而TTL为逻辑1时，输出电压不足以驱动一个CMOS输入线。
解决的办法是在TTL输出端连接一个4.7～10.0KΩ左右的上拉电阻以增加其驱动力。
CMOS逻辑电路噪声容限高，抗干扰能力强。
TTL电路的容限一般为1.8V左右时，输出状态是不可靠的，而CMOS电路的噪声容限大于3V比TTL电路高出近一倍，如果干扰信号使输入线的低电平上升到2.5V左右，则TTL电路将产生逻辑失误，而CMOS电路却不受影响。
因此，CMOS电路非常适合于在I/O接口电路中使用。
但应该注意到，CMOS电路的门延时间和最高工作频率不如TTL电路。
TTL电路的门延时间约为10ns，标准的CMOS电路为60ns;TTL电路的最高工作频率可达35MHz以上，CMOS电路仅为8～10MHz。
因此，在设
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