基于单片机温度检测方案设计书1.docx

1、基于单片机温度检测方案设计书基于单片机温度检测方案设计书 1 1.1 测温系统设计目的和意义 温度作为一个物理参量，在我们日常生活中非常重要，并且在 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。良好的温度检测系统不仅是安全生产的前提，同时较高精度的温度检测还能间接的实现降低能耗。例如，在一些精密机械加工行业和制药行业等，良好的温度检测就可以提高产品的合格率，降低生产消耗。1.2 发展现状 伴随着科技的发展

2、温度传感器已经有许多的类型如：传感器 AD590、传感器DS1820、热敏电阻、热电偶等。但是由于本设计所要实现的是对工业温度（500-1500）检测进行检测，同时参考其所能实现的精度，该设计采用热电偶，其具有以下诸多优点。结构简单，其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端接在一起而成的；具有较高的精确度；测量温度范围宽，厂用的热电偶，低温可测到-50，高温可达到 1600左右，配有特殊材料的热电偶，最低可测到-180，最高可达到 2800的温度；具有良好的敏感度；使用方便等。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关

3、系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标 准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从 1988年 1 月 1日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。该设计根据设计任务要求出发，选取 K 型热电偶为本设计的测温原件。热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下。组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可

4、靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔12。本设计以热电偶为测温元件经过单片机进行相应的数据处理，能够比较精确的实现温度的检测。同时也可以进行扩展，实现远距离的串行通信。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

5、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

6、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

7、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 d EAB(t1,t2)=SAB d t（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。3.2 K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

8、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

9、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

10、。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1,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

11、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

12、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。3.3 K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

13、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=2K,R16=16K。由上述关系算出：R20=R23=12K，R26=R16=10K，R17=R29=10K。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，

14、取 R18=R25=20M。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=48K，则 R27=48K。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=1M,则根据fL=1/(2pi C1 R8)可算出 C1=3.18F,取 C1=3.3F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=48K,可算出 C2=0.03316F,取 C2

15、=0.033F标称值，则可满足要求。3.4 K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13。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

16、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）。

17、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）VOmin0，用迁移 VIN的方法将 7107的显示温度调到 tmin 值上。当测量

18、温度 t介于 tmin和 tmax 之间时，7107的参考电压 Vr可用下式表示 （3.10）式中：（3.11）由公式（3.10）可知，当 tta和 ttmax 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，A

19、T89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)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 ISP Flash 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 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system prog

20、rammable)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 ISP Flash 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，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 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

21、狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。4.2 12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

22、。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 AT89 C51、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,Serial Peripheral Interface)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。1TLC2543 的引

23、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/O CLOCK,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 4.2 TLC2543 引脚图 REF-，13 脚，负基准电压端，一般

24、接地。(3)控制字输入引脚 DATA T INPUT，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 AIN0AIN10，19 脚、1112脚，11路模拟输入端，输入电压范围，0.3VVcc+(5)转换数据输出引脚 DATA OUT，16脚，A/D 转换结果输出的 3 态串行输出端。2TLC2543 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 DATA IN PUT 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 DATA OUT 端移出。3控制字的格式 控制字为从 DATA

25、 INPUT 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(D7D4)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

26、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:0110 0000，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、DATA INPUT 被禁止，DATA OUT 呈高阻状态，EOC

27、为高。使 CS 变低，I/O CLOCK、DATA IN PUT 使能，DATA OUT 脱离高阻状态。12个时钟信号从 I/O CLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATA INPUT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 DATA OUT 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

28、需 10s,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。5TLC2543 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 10s，转换已经完成,不必判断 EOF，也可以通过实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

29、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。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 S

30、OIC 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=1.5k,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 4.5 HD7279的典型应用电路图 接与正电源连接,若对可靠性要

31、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R

32、AM，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 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 3

33、2.768KHZ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 4.1 HD7279A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，当检测到有按键按下时，此引脚变为低电平 1016 SGSA 段 g段 a驱动输出 17 DP 小数点驱动输出 1825 DIG0DIG7 字位 0字位 7驱动输出 27 RC RC 振荡器连接端 28 RESET 复位端 入；VCC1、VCC2，主电源与备用电源引脚。1DS1302 时钟芯片的控制字及其寄存器 DS1302 的控制字如表