电子0808科研训练报告模版Word文件下载.docx
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在硬件设计时，如能将硬件电路设计与软件设计结合起来考虑效果会更好。
因为当有些问题在硬件电路中无法完成时，当软件编写程序很麻烦时，通过稍改动硬件电路（或尽可能不改动）可能会使软件变得简单。
另外在要求系统实时性强、响应速度快的场合，往往必须用硬件代替软件来完成某些功能。
可直接由软件来完成（如软件滤波、校准功能等）。
所以硬件设计时，最好与软件的设计结合起来，统一考虑，合理地安排软、硬件的比例，使系统具有最佳性价比。
当硬件电路设计完成后，就可以进行硬件电路板绘制和焊接工作了。
接下来介绍软件设计。
正确编程方法就是根据需求分析，先绘制出软件的流程图，该环节十分重要。
流程图绘制往往不能一次成功，需多次修改。
绘制可由简到繁逐步细化，先绘制系统大体上需要执行的程序模块，然后将这些模块按照要求组合在一起（如主程序、子程序以及中断服务子程序等），在大方向没问题后，再将每个模块细化，最后形成流程图，程序编写速度就会很快，同时为后面的调试工作带来很多方便，如调试中某模块不正常，就可以通过流程图来查找问题的原因。
一定要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。
设计者也可在上述软硬件设计完成后，先使用单片机的EDA软件仿真开发工具Proteus，来进行仿真设计。
用软件仿真开发工具Proteus设计的系统与用户样机在硬件上无任何联系，是一种完全用软件手段来对单片机硬件电路和软件进行设计、开发与仿真调试的开发工具。
如果先在软件仿真工具的软环境下进行系统设计并调试通过，虽然还不能完全说明实际系统就完全通过，但至少在逻辑上是行得通的。
软件仿真通过后，再进行软硬件设计与实现，可大大减少设计上所走的弯路。
这也是目前世界上流行的一种开发方
法。
3.硬件与软件联合调试阶段
下一步就是软硬件的联合调试。
需通过硬件仿真开发工具来进行，具体的调试方法和过程，在本章后面介绍。
所有软件和硬件电路全部调试通过，并不意味系统设计成功，还需通过运行来调整系统的运行状态，例如系统中的A/D转换结果是否正确，如果不正确，是否要调零和调整基准电压等。
4.资料与文件整理编制阶段
系统调试通过，就进入资料与文件整理编制阶段。
资料与文件包括：
任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程图、子程序使用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项）。
文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。
因此，要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全。
（二）.单片机应用系统设计
介绍如何进行系统的设计。
主要从硬件设计和软件设计两方面考虑。
1硬件设计应考虑的问题
硬件设计时，应重点考虑以下问题。
（1）．尽可能采用功能强的芯片
（a）单片机选型。
单片机的集成度越来越高，许多外围部件都已集成在芯片内，有的单片机本身就是一个系统，这可省去许多外围部件的扩展工作，使设计工作简化。
例如，目前市场上较为流行的美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机，片内集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个UART、SPI）等。
用1片C8051F020单片机，就构成一个应用系统。
再如，如系统需要较大的I/O驱动能力和较强的抗干扰能力，可考虑选用AVR单片机。
（b）优先选片内有闪存的产品。
例如，使用ATMEL公司的AT89C5x系列产品，Philips公司的89C58（内有32KB的闪速存储器）等，可省去片外扩展程序存储器的工作，减少芯片数量，缩小系统体积。
（c）RAM容量的考虑。
多数单片机片内的RAM单元有限，当需增强数据处理功能时，往往觉得不足，这就要求系统配置外部RAM，如6264、62256芯片等。
如果处理的数据量大，需要更大的数据存储器空间，可采用数据存储器芯片DS12887，其容量为256KB，内有锂电池保护，保存数据可达10年以上。
（d）对I/O端口留有余地。
在样机研制出来现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。
如有新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；
有些物理量需要控制，就必须增加输出端。
如果在硬件设计之初就多设计留有一些I/O端口，这些问题就会迎刃而解。
（e）预留A/D和D/A通道。
与上述I/O端口同样原因，留出一些A/D和D/A通道将来可能会解决大问题。
（2）.以软代硬
原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。
硬件多不但增加成本，而且系统故障率也会提高。
以软带硬的实质，是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时间，因此带来的问题就是实时性下降。
在实时性要求不高的场合，以软代硬是很合算的。
（3）.工艺设计
包括机箱、面板、配线、接插件等。
须考虑到安装、调试、维修方便。
另外，硬件抗干扰措施（将在本章后面介绍）也须在硬件设计时一并考虑进去。
2.典型的单片机应用系统
典型单片机应用系统框图如所示。
主要由单片机基本部分、输入部分和输出部分组成。
（1）单片机基本部分
由单片机及其扩展的外设及芯片，如键盘、显示器、打印机、数据存储器、程序存储器、数字I/O等组成。
（2）输入部分
“测”的部分，被“测”的信号类型有：
数字量、模拟量和开关量。
模拟量输入检测的主要包括信号调理电路以及A/D转换器。
A/D转换器中又包括多路切换、采样保持、A/D转换电路，目前都集成在A/D转换器芯片中，或直接集成在单片机片内。
连接传感器与A/D转换器之间的桥梁是信号调理电路，传感器输出的模拟信号要经信号调理电路对信号进行放大、滤波、隔离、量程调整等，变换成适合A/D转换的电压信号。
信号放大通常由单片式仪表放大器承担。
仪表放大器对信号进行放大比普通运算放大器具有更优异的性能。
如何根据不同的传感器正确地选择仪表放大器来进行信号调理电路的设计，请读者参阅有关资料和文献。
（3）输出部分
是应用系统“控”的部分，包括数字量、开关量控制信号的输出和模拟量控制信号（常用于伺服控制）的输出。
3.系统设计中的地址空间分配与总线驱动
一个AT89S51应用系统有时往往是多芯片系统，这时会遇到两个问题：
一是如何把64KB程序存储器和64KB数据存储器的空间分配给各个芯片；
二是如何实现AT89S51单片机对多片芯片的驱动。
本小节介绍单片机应用系统设计时经常遇到的地址空间分配和总线驱动问题，供设计参考。
（1）．地址空间分配
扩展多片芯片的应用系统，首先应考虑如何把64KB程序存储器和64KB数据存储器的空间分配给各个芯片。
第8章已介绍地址空间分配的两种方法：
线选法和译码法。
下面通过一个例子来说明如何解决这个问题。
图所示为一个全地址译码的系统实例。
图中所示的AT89S51单片机扩展的各器件芯片所对应的地址见表
因6264、2764都是8KB，故需要13条低位地址线（A12～A0）进行片内寻址，低8位地址线A7～A0经8D锁存器74LS373输出（图中没有画出），其他3条高位地址线A15～A13经3线-8线译码器74LS138译码后作为外围芯片的片选线。
图中尚剩余3条地址选择线～，还可扩展3片存储器芯片或外围I/O接口芯片。
（2）．总线驱动
扩展多片芯片时，注意AT89S51单片机4个并行双向口的P0~P3口的驱动能力。
下面首先讨论这个问题。
AT89S51的P0、P2口通常作为总线端口，当扩展芯片较多，可能造成负载过重，致使驱动能力不够，通常要附加总线驱动器或其他驱动电路。
因此在多芯片应用系统设计中首先要估计总线的负载情况，以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩展。
下图为AT89S51单片机总线驱动扩展原理图。
P2口需单向驱动，常见的单向总线驱动器为74LS244。
图为74LS244引脚图和逻辑图。
8个三态驱动器分成两组，分别由1和2控制。
图AT89S51单片机总线驱动扩展原理图
P0口作为数据总线，双向传输，其驱动器应为双向驱动、三态输出，由两个控制端来控制数传方向。
如图13-3所示，数据输出允许控制端DBEO有效时，数据总线输入为高阻状态，输出为开通状态；
数据输入允许控制端DBEI有效时，则状态与上相反。
常见双向驱动器为74LS245，图13-5为引脚图和逻辑图。
驱动方向由、DIR两个控制端控制，控制端控制驱动器有效或高阻态，在控制端有效（=0）时，DIR控制端控制驱动器的驱动方向，DIR=0时驱动方向为从B至A，DIR=1时则相反。
图所示为AT89S51系统总线驱动扩展电路图。
P0口的双向驱动采用74LS245，如图（a）所示；
P2口的单向驱动器采用74LS244，如图（b）所示。
单向驱动器74LS244引脚图和逻辑图
74LS245的引脚图和逻辑图
AT89S51单片机应用系统中的总线驱动扩展电路图
P0口双向驱动器74LS245的接地，保证芯片一直处于工作状态，而输入/输出的方向控制由单片机的数据存储器的“读”控制引脚（）和程序存储器的取指控制引脚（）通过与门控制DIR引脚实现。
无论是“读”数据存储器中数据（有效）还是从程序存储器中取指令（有效），都能保证对P0口的输入驱动；
除此以外的时间（及均无效），保证对P0口的输出驱动。
对于P2口，因为只用作单向的地址输出，故74LS244的驱动门控制端1、2接地。
4.AT89S51单片机的最小应用系统
AT89S51内部有4KB闪速存储器，本身就是一个数字量输入/输出的最小应用系统。
在构建AT89S51单片机最小应用系统时，AT89S51单片机需要外接时钟电路和复位电路即可，如图所示。
注意，本最小应用系统只能作为小型的数字量的测控单元。
AT89S51单片机构成的最小应用系统
中文资料二：
温度传感器
一．分类：
1.接触式温度传感器
接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。
温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。
一般测量精度较高。
在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。
但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。
它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。
在日常生活中人们也常常使用这些温度计。
随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。
低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。
利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。
2.非接触式温度传感器
它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。
这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。
温度传感器最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。
辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。
各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。
只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。
如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。
而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。
在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。
在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。
对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。
附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。
利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。
最为典型的附加反射镜是半球反射镜。
球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。
至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。
通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。
在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。
非接触测温优点：
测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。
对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。
随着红外技术的发展，辐射测温温度传感器逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。
3.热电偶
（1）原理
当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端（也称参考端）或冷端，则温度传感器回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。
这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。
与塞贝克有关的效应有两个：
其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时此处便吸收或放出热量（取决于电流的方向），称为珀尔帖效应；
其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量（取决于电流相对于温度梯度的方向），称为汤姆逊效应。
两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。
热电偶的热电势EAB（T，T0）是由接触电势和温差电势合成的。
接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。
温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。
无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。
当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势差△V，其极性和大小与回路中的热电势一致。
并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。
实验表明，当△V很小时，△V与△T成正比关系。
定义△V对△T的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。
塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。
（2）种类
目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。
4.热电阻
材料特性
导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。
纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：
①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。
②电阻率高，热容量小，反应速度快。
③材料的复现性和工艺性好，价格低。
热敏电阻温度特性
④在测温范围内化学物理特性稳定。
目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。
铂电阻
铂电阻与温度之间的关系接近于线性（如右图），在0～630.74℃范围内可用下式表示Rt=R0（1+At+Bt2）在-190～0℃范围内为Rt=R0（1+At+Bt2十Ct3）。
式中：
RO、Rt为温度0°
及t°
时铂电阻的电阻值，t为任意温度，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.9684×
10-3/℃，B=-5.847×
10-7/℃2，C=-4.22×
10-l2/℃3。
由公式可看出，当R0值不同时，在同样温度下，其Rt值也不同。
5.铜电阻
在测温精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。
在-50～150℃的温度范围内，铜电阻与温度成线性关系，其电阻与温度关系的表达式为Rt=R0（1+At）（2-3）式中，A=4.25×
10-3～4.28×
10-3℃为铜电阻的温度系数。
6.红外温度传感器
在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。
SMTIR9901/02是荷兰SmartecCompany生产的一款现在市场上应用比较广的红外传感器，它是基于热电堆的硅基红外传感器。
大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量，高温接点上面的黑色吸收层将入社的放射线转化为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线是成比例的，通常热电堆是使用BiSb和NiCr作为热电偶。
此外，SMT9902sil内部嵌入以Ni1000温度传感器和一小视角的硅滤片，使得测量温度更加的准确。
因为红外辐射特性与温度相关，可以使用不同的滤镜来测量不同的温度范围。
成熟的半导体工艺是产品小型化，低成本化。
为了满足某些应用，红外传感器开口视角可以设计成小至7°
。
7.模拟温度传感器
传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性
不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；
热惯性大，响应时间慢。
集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。
常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。
这里主要介绍该类器件的几个典型。
8.AD590温度传感器
AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为1μA/℃。
当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为喻出电压。
注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。
AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。
作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。
适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。
9.逻辑输出型温度传感器
在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。
LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。
10.数字式温度传感器
SMT16030在80年代末期由荷兰代尔夫特理工大学的实验室首先开发研制成功，并由新成立的荷兰Smartec公司对其进行市场化。
它采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用PTAT结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。
PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式：
DC=0.32+0.0047*t，t为摄氏度。
输出数字信号故与微处理器MCU兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。
该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于0.005K。
测量温度范围-45到130℃，故广泛被用于高精度场合。
11.其它
DS1612是美国达拉斯半导体公司生产的CMOS数字式温度传感器。
内含两个不挥发性存储器，可以在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制，由于这些存储器具有不挥发性，因此一次定入后，即使不用CPU也仍然可以独立使用。
DS1612传感器温度测量原理和精度：
在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器（OSC1）和一个温度系数较小的振荡器（OSC2）。
在温度较低时，由于OSC2的开门时间较短，因此温度测量计数器计数值（n）较小；
而当温度较高时，由于OSC2的开门时间较长，其计数值（m）增大。
如果在上述计数值基础上再加上一个同实际温度相差的校正数据，就可以构成一个高精度的数字温度传感器。
该公司将这个校正值定入芯片中的不挥发存储器中，这样传感器输出的数字量就可以作为实际测量的温度数据，而不需要再进行校准。
它可测量的温度范围为-55℃~+125℃，在0℃~+70℃范围内，测量精度为±
0.5℃，输出的9位编码直接与温度相对应。
DS1621同外部电路的控制信号和数据的通信是通过双向总线来实现的，由CPU生成串行时钟脉冲（SCL），SDA是双向数据线。
通过地址引脚A0、A1、A2将8个不同的地址分配给各器件。
通过设定寄存器来设置工作方式，并对工作状态进行监控。
被测的温度数据被存储在温度传感器寄存器中，高温（TH）和低温（TL）阈值寄存器存储了恒温器输出（Tout）的阈值。
现在，各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。
比如，MAXIM公司近期推出的MAX1619是一种增强型精密远端数字温度传感器，能够监测远端P-N结和其自身封装的温度。
它具有双报警输出：
ALERT和OVERT。
ALERT用于指示各传感器的高/低温状态，OVERT信号等价于一个自动调温器，在远端温度传感器超上限时触发，MAX1619与MAX1617A完全软件兼容，非常适合于系统关断或风扇控制，甚至在系统“死锁”后仍能正常工作。
美国达拉斯半导体公司的DS1615是有记录功能的温度传感器。
器件中包含实时时钟、数字式温度传感器、非易失性存储器、控制逻辑电路以及串行接口电路。
数字温度传感器的测量范围为-40℃~+85℃，精度为±
2℃，读取9位时的分辨率是0.03125℃。
时钟提供的时间从秒至年月，并对到2100年以前的闰年作了修正。
电源电压为2.2V~5.5V，8脚SOIC封装。
DS17775是数字式温度计及恒温控制器集成电路。
其中包含数字温度传感器、A/D转换器、数字寄存器、恒温控制比较器以及两线串行接口电路。
供电电压在3V至5V时的测量温度精度为±
2℃，读取9位时的分辨率是0.5℃，读取13位时的分辨率是0.03125℃。
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