C8051F410单片机的设计.docx

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C8051F410单片机的设计

摘要

在工业生产中，往往需要高温生产环境，此时我们可以利用热电偶直接测量工厂生产温度，并把温度信号转换成电压信号,通过仪表转换成被测介质的温度，以数字的形式直观的展现给作业工人。

基于C8051F410的热偶信号发生器是以C8051F410为控制核心的高精度热电偶温度转换仪。

可以利用它对实际生产使用的热电偶进行检查，以确保工业生产的安全、高效。

此课题设计中主要以KeiluVision开发软件和Protel软件绘制电路图作为开发平台。

设计中主要从硬件和软件两方面进行入手。

硬件设计主要包括对供电系统，I/V转换系统，按键输入和液晶显示系统的设计；软件设计包括C8051F410系统初始化，按键输入设计，热电偶分度表查询设计，DAC输出转换设计和液晶显示程序设计。

通过硬件和软件相结合的方式实现热电偶校验仪的精确工作。

关键词：

C8051F410工业生产热电偶

第1章概述

1.1硬件实习的目的要求

课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是一次综合性专业设计训练。

通过课程设计可以使我们获得以下几方面能力:

1．进一步复习和巩固加深所学专业基础课及专业课理论知识，培养自身规划设计、理论计算、软件绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；2.培养实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；3．培养团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。

通过这次硬件实习的锻炼使我们熟悉KeiluVision开发软件及Protel电路绘图软件的使用，特别是C8051F410单片机体系结构及C语言程序设计能力方面，有一个很大的提高，为毕业设计（论文）奠定基础。

1.2热电偶简介

现代工业生产中，很多产品的生产需要高温加热的环境。

随着科技的进步，工业现场对温度的要求也是越来越高，特别是化工，冶炼，陶瓷等高温加热生产线。

在现实生产中人是无法接触这些高温环境，所以工业热电偶成为工业生产中必不可少的温度传感器。

下面对热电偶做简单的介绍：

热电偶工作原理是基于赛贝克（seeback）效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。

热电偶由两根不同导线（热电极）组成，它们的一端是互相焊接的，形成热电偶的测量端（也称工作端）。

将它插入待测温度的介质中；而热电偶的另一端（参比端或自由端）则与显示仪表相连。

如果热电偶的测量端与参比端存在温度差，则显示仪表将指出热电偶产生的热电动势。

热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。

其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。

S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃，短期1600℃。

在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶。

R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同。

B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。

它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。

N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶。

K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃。

在所有热电偶中使用最广泛。

E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。

宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃。

J分度号的特点是既可用于氧化性气氛（使用温度上限750℃），也可用于还原性气氛（使用温度上限950℃），并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工。

T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。

1.3热电偶校验仪的意义

通过对对热电偶的介绍可知工业热电偶是一种很实用的温度传感器。

如果在使用中不注意其特性变化或其自身的转换能力，会在生产中引起较大测量误差，给生产生活带来不必要的损失。

针对当前存在的问题，我们设计一种可以校验热电偶准确度的设备，即热电偶校验仪。

通过对热电偶的校验，掌握热电偶的工作情况，及时检查热电偶的转换精度，准确测量生产过程中不断变化或相对稳定的环境，并且热电偶校验仪对工业精密生产有着重大意义。

第2章硬件设计

2.1控制系统设计

图2-1系统结构框图

此课题中我们利用新华龙公司生产的C8051F410单片机作为控制核心，控制系统结构框图如图2-1所示。

C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。

下面列出一些主要特性：

高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达50MIPS），全速、非侵入式的在系统调试接口（片内），真12位200ksps的24通道ADC，带模拟多路器，两个12位电流输出DAC，高精度可编程的24.5MHz内部振荡器，达32KB的片内FLASH存储器，2304字节片内RAM，硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口，4个通用的16位定时器，具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），硬件实时时钟（smaRTClock），工作电压可低至1V，带64字节电池后备RAM和后备稳压器，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，多达24个端口I/O等。

C8051F410还具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F41x器件是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。

在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

每种器件都可在工业温度范围（-40℃到+85℃）内用2.0V~2.75V的电压工作（使用片内稳压器时电源电压可达5.25V）。

C8051F410为32脚LQFP封装。

图2-2为C8051F410的最小系统电路图。

图2-2C8051F410最小系统电路图

2.2供电系统设计

本课题需要对C8051F410片上系统，运算放大器及液晶供电。

在供电过程中C8051F410需要+5V直流稳压，运算放大器需要提供±2.5V直流稳压源（课题中使用 OPA2335放大器，I/V转换中将会提及），液晶则同样需要+5V直流稳压电供电。

在实际生活生产中最常用的是220V交流电，即我们要将220V交流电源进行转换，转换为直流稳压电压源（+5V，±2.5V）。

此过程中需要进行变压—整流—滤波—稳压等，图2-3为电压转化框图：

图2-3电压转化框图

现实生活中的220V交流电为强电，对人身生命有极大地危险，所以第一步进行变压处理。

降压过程中我们要考虑变压器输出电压的范围，单片机和液晶供电为+5V，选用lm7805稳压芯片，最佳输入电压范围是5~9V。

此时我们试选用220V~6V交流变压器。

运算放大器需要±2.5V稳压源，我们选用两片lm431稳压芯片，此芯片的输入电压范围比较广，最大可达十几伏。

同样可以用相应输入6V直流。

即变压器选择为220V~6V交流变压器。

220V交流电经变压后转换为6V交流电U2，U2经整流桥将交流电转换为正弦式直流电U3。

然后用大电容进行滤波处理，使其变为较稳定的直流电压U4，最后输入到稳压芯片lm7805，输出稳定电压+5V。

输出电压后为了防止外界环境干扰，我们在lm7805后在加入电容以得到更加稳定的电压。

此外我们还需要的到±2.5V电压为运算放大器供电。

将lm7805输出稳定电压直接接入lm431，便可输出稳定+2.5V。

由于lm431的稳压性能比较好，我们可将其直接接入经整流滤波后的电源，输出稳定电压-2.5V。

这样可以省去一片lm7905，降低了生产成本，同时减小了事故发生的几率。

图2-4为供电系统硬件接线原理图：

图2-4供电系统硬件接线原理图

2.3I/V转换、调整设计

C8051F410内部有两个12位的电流模式数/模转换器（IDAC）。

IDAC的最大输出电流可以有四种不同的设置：

0.25mA、0.5mA、1mA和2mA。

用IDAC控制寄存器（IDA0CN或IDA1CN）中的对应位来分别使能或禁止IDAC。

当两个IDAC都被使能时，它们的输出可以分别连到不同的引脚或合并到一个引脚。

当IDAC被使能时，内部的带隙偏置发生器为其提供基准电流。

可以用软件命令、定时器溢出或外部引脚边沿触发IDAC更新。

图2-5为DAC的功能框图:

图2-5DAC的功能框图

通过软件编程实现DA1最大输出2mA电流，应用简单的电阻电路实现I/V转换，电流值转换成电压值。

由R8*I，由于元件的分流作用DA1转换电压与约为80mV。

为提高输入阻抗，我们选用运算放大器转换电路，转换后的电路中接入电压跟随器。

经过电路损耗等因素此时电压值约为0mV~80mV。

为实现要求目标的-10mV~70mV，接入比例运算放大电路进行偏移。

（Vi-V2）/R18=（Vo-V2）/R20

我们根据输入输出关系，给定Vi，Vo的数值，求出V2。

即：

（0-V2）/R18=（70-V2）/R20

（V2-80）/R18=（-10-V2）/R20

经计算V2=35mV，由运算放大器的虚短性质可得V3参考电压为35mV。

将电压值代入方程后计算得R18=R20，即当R18=100K时，R20=100K。

图2-6I/V转换调理电路图

即通过调节电位器调节阻值变化实现将VREF转换为运放的基准电压35mA，然后通过设置R9，R10便得到要求的电压范围。

课题中电压跟随和比例运算电路都选用OPA2335芯片作为运算电路的组成部分。

OPA2335是双路运算放大器，可以在单电源或双电源供电条件下工作，增强了动态的范围，可以达到轨对轨输出的性能。

OPA2335每通道供电电流的消耗低，微功耗操作的特性，使该器件在电池供电的应用中有非常好的机会。

OPA2335放大器，具有较高的输入阻抗和非常低的噪声，适合于高阻抗源的小信号调节，例如压电转感器。

由于它的微功耗，使该器件非常适合于手持式监控和远距离感应的设备，另外增加了轨对轨输出的功能，致使该系列在模／数转换的接口上有很大的机会。

此课题中设计该系列器件的工作电压±2.5V。

2.4按键接口电路

在此课题要求中使用四个按键，实现对冷端，热端温度加减，热电偶型号的选择及确定输出。

所以将四个按键分配为：

K1为增加键；K2为减小键；K3为换挡键；K4为确定键。

其中换挡键的作用是切换加减按键的作用对象，当在热端档位时，可以使用加减键对热端温度进行设定；按下K3换挡键时，转换为冷端温度设定，可以使用加减键对冷端温度进行设定；再按下K3换挡键时，则对热电偶型号进行选择。

当按下K4确定键时则控制系统根据新的温度数据计算出电压并输出。

图2-7为按键接口电路图：

图2-7按键接口电路图

2.5液晶接口电路

在使用电器设备时，人们需要更直观的得到自己需要的信息，尤其是工程仪表的设计，在这里我们选用液晶12864ZK，它可以显示四行文字，可以同时显示热端，冷端，型号及热电偶输出电压。

此外此液晶市场常见，易采购，价格便宜，适于学习，生活，生产等。

图2-8为液晶与单片机系统的接口图。

图2-8液晶与单片机系统的接口图

第3章软件设计

在一个系统中，软件是此系统的控制核心。

软件设计的合理与否是一件产品质量的关键。

合理的软件设计是非常重要的，图3-1为系统软件设计基本流程框图。

图3-1软件设计基本流程框图

3.1C8051F410系统初始化

在此课题中主要是利用其DAC数模转换，将数字量以模拟电流的形式输出。

此外还利用其VERF基准电压1.5V，IO口输入、输出及脉冲输出等。

通过对IO口初始化实现对各个功能的设置，以下为IO口初始化程序及注释：

OSCICN=0x87;//系统时钟初始化

CLKSEL=0x00;//24.5MHz不分频

PCA0MD=0x00;//关闭看门狗

P2MDIN=0xFF;//P2.3~P2.6为KEY1~KEY4

P0MDOUT=0xFC;//P0.0P0.1D/A模拟输出

P1MDOUT=0x40;//P1.2为VREF输出

XBR1=0x40;//交叉开关使能

REF0CN=0x03;//内部电压基准1.5V,内部电压基准缓

//冲器被使能，内部电压基被驱动到VREF引脚。

IDA0CN=0xf4;//DA0使能，写IDA0H触发，右对齐

//0.25MA输出电流

IDA1CN=0xf7;//DA1使能，写IDA1H触发，右对齐

//2MA输出电流

3.2热电偶分度表查询设计

当键盘输入温度信号以后，单片机将扫描得到的数字量经查表获取热电偶对应电压差值。

由于分度表数值不是连续变化，所以应该根据分度表数据利用一定的数学方法求得相应电压值。

根据热电偶工作特性，我们选用二次插值法，其基本思路是：

在寻求函数极小点的搜索区间内，取三个点的函数值来构造一个二次插值多项式,用它的极小点（第四个点）近似地作为原目标函数的极小点。

若近似程度不满足精度要求时，可以反复使用此法，从四个点中选取三个点，使函数值呈现“高-低-高”变化的前提下逐渐的缩短搜索区间，二次插值多项式的极小点就逼近原目标函数的极小点。

通过这样的方法使得采集的数字信息经查询分度表转换为不同型号热电偶的电压差值。

下面是利用二次差值法查询分度表的程序设计：

//===二次插值调===

floatchzh（floatx,floatx1,floatx2,floatx3,floatx4,floatx5,floatx6）

{return（（（x-x2）*（x-x3）/（（x1-x2）*（x1-x3）））*x4+（（x-x1）*（x-x3）/（（x2-x1）*（x2-x3）））*x5+（（x-x1）*（x-x2）/（（x3-x1）*（x3-x2）））*x6）;}

//===各型号查表求温度所对应的电压===

floatV_TEMP（floatT,ucharx）

{

inti=0;

float*p=fenduhao[m];

while（（T>*（p+2*i+1））&&（i<（x-2）））

{i++;}

if（i>0）

{i--;}

return（chzh（T,*（p+2*i+1）,*（p+2*（i+1）+1）,*（p+2*（i+2）+1）,*（p+2*i）,*（p+2*（i+1））,*（p+2*（i+2）））;

}

3.315位DAC输出设计

C8051F410中只有两道12位DAC转换器，但是为了充分开发利用单片机内的资源，我们可以将两道12位DAC转换器合并为一道14位精度的DAC转换。

3.4按键接口设计

在硬件设计中仅仅有四个按键，却要实现多种功能，所以软件设计中必须要有合理的逻辑设计。

热电偶的测量温度范围很广，从零下二百多摄氏度到零上一千六百多摄氏度不等，所以在温度加减问题上要有合理的设计。

在此设计中设计两个方案：

第一种，在按住累加键或递减键不松开，开始为每个位个位的加或减；一段时间后每十位十位的加或减，持续按键时间再长就百位百位的加或减，直到调节到我们想要的温度。

第二种方案则是加键设为每按键一次温度增加十摄氏度，减键则每按键一次温度下降一摄氏度。

在两种方案中第一种调节速度快，但是不易控制到精确地温度，所以我们选用第二种方案。

图3-2为按键程序设计基本框图。

图3-2按键程序设计基本框图

3.5液晶显示程序设计

在液晶程序设计中主要依据其数据手册，按照其时序图在程序中写入以下子程序来驱动液晶。

voidLCM12864_Delay（unsignedlongx）//延时子程序

voidLCM12864_SendByte（unsignedcharx）//写字节

voidLCM12864_WriteCmd（unsignedcharx）//写控制命令

voidLCM12864_WriteData（unsignedcharx）

//写显示数据或单字节字符

voidLCM12864_WriteWord（ucharPos,uchar*str/*,BYTEnLen*/）

//写汉字到LCD指定的位置

voidLCM12864_Setup（void）//LCM初始化设置

voidCLR_PING（）//清屏

voidSTART（）//液晶初始化屏幕

voidxianshi（）//调用液晶子函数

//实现液晶驱动、显示

第4章结论

本次硬件设计为基于C8051F410的热偶信号发生器的设计，无论是在硬件方面，还是在软件方面，都使我受益匪浅。

在这几天的学习中，熟悉了KeiluVision开发软件及Protel电路设计设计软件的使用。

特别是C8051F410单片机体系结构及C语言程序设计方法。

在编程能力上有一个很大的提高，为自己增强了信心。

只要肯努力，肯下功夫，只要相信自己一定会做成。

通过这三周的学习我对热偶信号发生器系统电路有了深刻的认识，同时也是对之前所学的专业基础课的一次全面性复习和综合性检验。

在动手实践中发现了自己的不足，对待问题上不够严谨细心，导致程序设计漏洞及硬件设备上的损坏，但在小组同学，老师的帮助不断发现问题并解决问题，对所遇到的问题有了更深的了解。

这次实习过程，不仅使我对课本上知识得到充分巩固和吸收，更重要的是锻炼了我的动手实践能力和团队合作能力。

参考文献

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中国电力出版社， 2005.4                 

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清华大学出版社.2006.9

附录