热偶校验仪的设计.docx

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热偶校验仪的设计

信息与控制工程学院硬件课程设计说明书

热偶校验仪的设计

学生学号：

XXXXXXX

学生姓名：

XXXXXXX

专业班级：

XXXXXXXX

指导教师：

X

职称：

讲师

起止日期：

2012.3.26～2012.4.15

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

课程设计任务书

一、设计题目：

基于C8051F410的热偶信号发生器

二、设计目的

1．掌握热偶信号发生器基本原理，并应用Protel画出其电路原理图；

2．LCD液晶显示驱动电路设计的方法；

3．熟练掌握对电路板的设计流程及焊接技巧；

4．掌握利用Keil进行软件仿真。

三、设计任务及要求

要求学生设计出能够产生温度信号的热偶信号发生器，分析热偶信号发生器原理，能够通过软件将热电偶分度值-电压特性转换出来，掌握热偶信号发生器的设计方法。

热偶信号发生器具体设计指标：

1．输入信号：

键盘按钮；

2．显示方法：

LCD液晶显示器；

3.供电电源：

220VAC；

4.测温误差：

≤1℃

四、设计时间及进度安排

设计时间共两周（2012.03.26～2012.04.15）,具体安排如下表：

周安排

设计内容

设计时间

第一周

1.学习C8051F410单片机体系结构及程序开发；

2.设计热偶信号发生器电路，并应用Protel画出其电路原理图。

2012.3.27

～

2012.3.31

第二周

1.完成C8051F410热偶信号发生器的焊装和硬件调试；

2.编写实验程序。

2012.4.1

～

2012.4.8

第三周

1.整机调试；

2.撰写设计说明书；

3.答辩。

2012.4.9

～

2012.4.12

五、指导教师评语及学生成绩

指导教师评语:

年月日

成绩

指导教师（签字）:

目录

课程设计任务书1

摘要4

第1章概述4

1.1课程设计的目的4

1.2热电偶简介5

1.3热电偶校验仪的意义6

第2章硬件设计6

2.1控制系统设计6

2.2供电系统设计8

2.3I/V转换、调整设计9

2.4按键接口电路11

2.5液晶接口电路11

第3章软件设计12

3.1C8051F410系统初始化13

3.2热电偶分度表查询设计13

3.314位DAC输出设计14

3.4按键接口设计14

3.5液晶显示程序设计16

第4章调试16

4.1硬件调试16

4.2软件调试17

第5章结论17

参考文献17

附录18

摘要

在工业领域，比如锅炉等高温环境往往需要一种安全可靠，快捷，廉价的温度测试装置，于是我们可以利用热电偶的特性，直接测量工厂生产温度，并把温度信号通过A/D转换成电压信号,再通过仪表显示出被测介质的温度，通过数字直观的展现给操作人员。

基于C8051f410的热偶信号发生器是以C8051f410单片机为主控核心的热电偶信号发生器。

它可以用于对实际生产使用的热电偶进行校验，以确保工业生产的高效、安全。

此课程设计中主要以KeiluVision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，按键输入，液晶显示系统，I/V转换系统的设计；软件设计包括C8051f410单片机系统初始化，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实现热电偶信号发生器对热电偶测温仪校验的工作。

第1章概述

1.1课程设计的目的

课程设计是让学生理论联系实际的一个重要实践环节，合理利用自己所学习的知识，去解决生活中的问题，是一次综合性专业设计训练。

通过课程设计可以让我们获得以下几方面的能力:

一，进一步复习和巩固所学习的基础课程及专业课程的理论知识，培养和锻炼自身规划设计、文献查阅、软件绘图、计算机应用、理论计算、报告撰写等基本技能；二，培养动手实践的能力及独立分析和解决实际问题的能力；三，培养团队的协作精神，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单片机结构体系及C语言程序设计能力方面，有一个很大的提高，为未来毕业设计奠定基础。

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

通过上面的介绍，我们可以知道，热电偶是一种常用语工业生产中的重要仪器，而作为温度检测的工具，直接影响到生产效率或者生产安全，不准确的热电偶可能会造成生产损失甚至安全事故，所以，要有一种检测热电偶准确性的工具，这就是热电偶校验仪。

它可以通过内置的分度表去校验热电偶的精度，这对工业生产以及精密仪器的生产有重要的意义，同时，通过对热电偶的校验也能更了解产品的性能，更好被的利用。

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单片机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的引脚图。

图2.2C8051f410引脚图

2.2供电系统设计

本课题需要对C8051f410单片机和运算放大器LCD供电。

C8051f410需要+5V直流电源，OPA2335运算放大器需要提供±2.5V直流电源，液晶则同样需要+5V直流稳压电供电。

我们日常生活中使用的是220V交流电源，所以要把220V交流电源转换成所需要的直流稳压电压源（+5V，±2.5V）。

这个过程中需要进行降压—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

现实生活中使用的是220V交流电，超出人体的安全电压，第一步进行变压处理。

变压过程中要考虑变压器输出电压范围，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。

使用220V——6V交流变压器。

而运算放大器需要±2.5V直流稳压电源，使用两片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

在此课程设计要使用四个按键，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：

SW1为增加键；SW2为减小键；SW3为换挡键；SW4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SW3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SW3换挡键时，则对热电偶型号进行选择。

当按下SW4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电路图，图2-9液晶与单片机系统的接口图

图2-8液晶与单片机系统的电路图图2-9液晶与单片机系统的接口图

第3章软件设计

在单片机系统中，软件是系统的工作核心。

软件设计是否合理关系到一件产品质量。

合理的软件设计可以提高效率，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进行数模转换，将数字信号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

当按键输入温度信号后，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。

通过一个float类型的二维数组去储存已经查好的分度表程序如下

floatcodeN_RDO[121][2]={{0,0.000},{10,0.507},{20,1.019},{30,1.536},{40,2.058},{50,2.585},{60,3.115},{70,3.649},{80,4.186},{90,4.725},

{100,5.268},{110,5.812},{120,6.359},{130,6.907},{140,7.457},{150,8.008},{160,8.560},{170,9.113},{180,9.667},{190,10.222},

{200,10.777},{210,11.332},{220,11.887},{230,12.442},{240,12.998},{250,13.553},{260,14.108},{270,14.663},{280,15.217},{290,15.771},

{300,16.325},{310,16.897},{320,17.432},{330,17.984},{340,18.537},{350,19.089},{360,19.640},{370,20.192},{380,20.743},{390,21.295},

{400,21.846},{410,22.397},{420,22.949},{430,23.501},{440,24.054},{450,24.607},{460,25.161},{470,25.716},{480,26.272},{490,26.829},

{500,27.888},{510,27.949},{520,28.511},{530,29.075},{540,29.642},{550,30.210},{560,30.782},{570,31.356},{580,31.933},{590,32.513},

{600,33.096},{610,33.683},{620,34.273},{630,34.867},{640,35.464},{650,36.066},{660,36.671},{670,37.280},{680,37.893},{690,38.510},

{700,39.130},{710,39.754},{720,40.382},{730,41.013},{740,41.647},{750,42.288},{760,42.922},{770,43.563},{780,44.207},{790,44.852},

{800,45.498},{810,46.144},{820,46.790},{830,47.434},{840,48.076},{850,48.716},{860,49.354},{870,49.989},{880,50.612},{890,51.249},

{900,51.875},{910,52.496},{920,53.115},{930,53.729},{940,54.341},{950,54.948},{960,55.553},{970,56.155},{980,56.753},{990,57.349},

{1000,57.942},{1010,58.533},{1020,59.121},{1030,59.708},{1040,60.293},{1050,60.876},{1060,61.459},{1070,62.039},{1080,62.619},{1090,63.199},

{1100,63.777},{1110,64.305},{1120,64.933},{1130,65.510},{1140,66.087},{1150,66.664},{1160,67.240},{1170,67.815},{1180,68.390},{1190,68.964},

{1200,69.536}};

3.314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章调试

本次课程设计结合了硬件设计和软件编程，在实际操作过程中会出现很多问题，在调试过程中逐渐排除问题，找到解决方法。

4.1硬件调试

在硬件设计过程中首先要用Protel软件设计电路图，在软件使用过程中可能会出现使用的原件错误情况，在焊接电路的时候，电容要区分正负极。

在电路焊接好电源部分的时候要用万用表测试电压，防止烧坏后面的器件，本次硬件设计在焊接过程中出现过电阻短路导致电压过高的问题，通过万用表检查最终找到问题。

还出现按键连接电路接反导致按键失灵的情况。

4.2软件调试

本次在使用KeiluVision软件开发程序的时，最开始选择包含的头文件错误，导致写入失败，液晶屏驱动错误使液晶屏无法工作的情况

第5章结论

本次课程设计为《基于C8051F410的热偶信号发生器的设计》，在电路分析方面，硬件焊接，软件编程等方面，都学到了很多知识。

在这几天的学习中，我了解了KeiluVision开发软件和Protel电路设计设计软件的大致使用方法。

C语言程序在C8051F410单片机体系结构的设计方法。

不仅在编程能力上有一个很大的提高，还在单片机硬件方面有了一定的了解，对电路的焊接也逐渐熟练。

锻炼了检查错误的能力，最终在老师的指导下完成了课程设计，在实习的过程中，不仅让我们对专业知识得到了巩