智能仪器实验板设计.docx
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智能仪器实验板设计
智能仪器实验板设计
摘要:
针对测控专业智能仪器课程实验设备的现状,设计一套便携式智能仪器学生实验板.该实验板具有温度测量及显示、日历时钟的时间设置及显示等功能。
实验板以AT89S52单片机为核心,带有时钟芯片DS1302,温湿度芯片SHT11及DHT11,AD7705转换器,DS18B20温湿度传感器,12864显示器等一些外围设备,实现所需要的功能。
该实验板具有体积小、功耗低等特点,使用方便。
实践表明,该实验板的实验项目紧密联系理论教学,学生利用该实验板可以拓展知识面,增强工程实践经验,提高动手能力和分析能力。
关键词:
单片机;温度测量;液晶显示;日历时钟;键盘输入
1、引言
智能仪器课程是测控技术与仪器专业的一门主干课程,但对于本课程的实验,在以往的实验过程中,主要以软件仿真为主,对于教材上所设计的硬件实验,如数码管显示,液晶显示,A/D,D/A转换,串口通信,温度测量等,由于市场上没有智能仪器实验设备,硬件实验没有系统的安排,如果学校购买实验设备,这无疑又会增加成本,而且还要给厂家说明具体的设计内容。
因此,自行设计实验板就可以弥补这些缺陷,可以根据学生教材的具体内容设计符合要求的实验板,研制出的实验板克服了传统设备体积庞大、线路封闭、价格昂贵等诸多弊病,全面提高了工科学生的实际动手能力,对强化学生工程实践素质,有效培养学生创新意识和综合能力起到了积极作用[2-11]。
1.1智能仪器现状及发展概述
90年代,仪器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。
国际上智能测量仪表更是品种繁多,例如,美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器,能进行差压值状态的复合测量,可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿,其精度可达到±0.1%FS;美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表,利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声,测量电平可低达-77dB;美国FLUKE公司生产的超级多功能校准器5520A,内部采用了3个微处理器,其短期稳定性达到1ppm,线性度可达到0.5ppm;美国FOXBORO公司生产的数字化自整定调节器,采用了专家系统技术,能够像有经验的控制工程师那样,根据现场参数迅速地整定调节器。
这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。
由于这种调节器能够自动整定调节参数,可使整个系统在生产过程中始终保持最佳品质。
相比较于传统仪器,智能仪器的特点主要有:
(1)微型化
微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中,从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。
它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理,控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。
微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展,其技术不断成熟,价格不断降低,因此其应用领域也将不断扩大。
它不但具有传统仪器的功能,而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。
例如,目前要同时测量一个病人的几个不同的参量,并进行某些参量的控制,通常病人的体内要插进几个管子,这增加了病人感染的机会,微型智能仪器能同时测量多参数,而且体积小,可植入人体,使得这些问题得到解决。
(2)多功能化
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。
(3)人工智能化
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。
1.2智能仪器实验板的功能特性
近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,以作完善。
因此,可以利用单片机来控制一些外围电路实现更多的功能,比如数字时钟,温度测控,屏幕显示等。
数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路、单片机技术的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。
因此,研究多功能数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
实验板中采用多个温度传感器来进行温度测量,从而达到精度对比作用,这些温度传感器包括芯片SHT11及DHT11,DS18B20以及热电阻PT100。
单片机的主要输出方式除了发光二极管,数码管以外,还有一种重要的方式:
液晶显示。
液晶模块已经成为单片机系统的一个重要输出器件,液晶显示正广泛应用于便携式仪器仪表、智能充电、消费类电子产品领域。
对于现在流行的嵌入式电子产品,显示输出模块是必不可少的,而且液晶显示最大的优点就是能够实现友好的人机界面,在诸多的显示方式中,液晶显示已经成为首选。
本文介绍一种以AT89S52为核心的智能仪器实验板的硬件电路和软件设计,采用实时时钟芯片DS1302,提供秒、分、时、日、星期、月和年,一个月小与31天时可以自动调整,且具有闰年补偿功能。
并且采用多种温度传感器,实现温度测量功能,从而达到精度对比作用,以及12864液晶显示模块实现显示功能。
1.3智能仪器实验板的作用
实验板是将单片机的功能都扩展出来。
单单一个单片机芯片是无法工作的,至少需要一个晶振电路和一个复位电路,这样组成一个最小系统,单片机才能工作。
而一个开发板就是集成了几乎所有的功能模块,包括串行接口、计数器、外部存储器、键盘、显示器等等。
智能仪器实验板根据设计的不同功能也有所不同,主要是将外围电路搭建出来,以供初学者方便使用。
我认为之所以有实验板,是因为初学者对于硬件电路的设计还存在许多问题,所以先用实验板比较成熟的硬件系统来入门比较快。
对于学习C语言及汇编语言也有很大帮助,一般实验板会附带说明,可以通过研读别人的设计说明来提高自己的编程能力。
2、系统的总体设计
本设计以AT89S52单片机为核心,控制其它外围电路,以液晶显示作为其显示方式,通过4个按键实现时间调节功能,以5V直流电作为单片机的工作电压,采用数字温度传感器和模拟温度传感器进行温度测量,从而达到精度对比的作用,数字温度传感器直接与单片机连接,而模拟温度传感器需要通过A/D转换器与单片机连接,利用实时日历时钟芯片提供当前的年、月、日、星期、小时、分钟、秒钟,时钟电路提供单片机的工作时钟,复位电路实现对单片机的复位功能。
总体框图如下图1所示。
图1总体框图
3、系统硬件电路设计
本设计以AT89S52单片机为核心,以液晶显示器12864作为其显示方式,以芯片SHT11、DHT11、DS18B20以及热电阻PT100作为温度传感器实现对周围的温度的测量,利用日历时钟芯片DS1302提供当前的年、月、日、星期、小时、分钟、秒钟。
硬件电路原理图见附录1。
3.1单片机的电路设计
单片机全称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer),指的是一种单硅片上集成微型计算机主要功能部件的集成芯片。
AT89S52其内部集成了中央处理器(CPU)、随机数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路和串行通信接口等主要功能部件。
AT89S52单片机引脚分布如图2所示。
图2AT89S52单片机引脚分布
1、电源引脚VCC和GND
VCC(40脚):
电源端,为+5V。
GND(20脚):
接地端。
2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3、控制信号引脚RST、ALE、PSEN、EA
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
ALE/:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
4、I/O输入输出端口P0、P1、P2、P3
P0:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表1所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
表1P1口第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
P2:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表2所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
表2P3口第二功能
引脚号
第二功能
P3.0
RXD(串行输入)
P3.1
TXD(串行输出)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断0)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器写选通)
AT89S52内部功能模块如下图3:
它可以划分为CPU、存储器(RAM和ROM)、并行口、串行口、定时器/计数器和中断系统等几个部分。
图3AT89S52内部功能模块
3.2复位、时钟、电源电路设计
单片机复位电路可以对单片机初始化,重新开始工作。
也可以在单片机程序跑飞时使系统重新正常工作。
同时也是在程序调试时必须要用到,来测试所写的程序和设计的硬件电路是否正确的重要手段。
电源电路的功能是为整个单片机系统提供稳定的5V电压。
输入电压选择9V的直流电源,经过三端稳压管LM7805,最后输出电压保持恒定,为5V。
实际测的数值略低于5V,可以使单片机正常工作。
时钟电路可以为单片机提供整个系统工作的时钟脉冲。
AT89S52内部有一个用于构成内部振荡器高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体谐振器一起构成自激振荡器,外接电容C1和C2可以增加振荡器工作的稳定性,本次设计使用的晶振为11.0592MHZ。
复位、时钟、电源电路原理图如下图4:
图4复位、时钟、电源电路原理图
3.3DS1302实时时钟芯片电路设计
在单片机应用系统中,常常需要记录实时的时间信息并且长期保存。
比如,数据采集时,对某些重要的信息不仅需要记录其内容,还需要记录下该事件发生的准确时间。
我们经常可以在银行的大厅中看到显示汇率的显示屏,上面除了显示利率等信息外,还显示着当时的准确时间信息,其中包括年、月、日、星期、时间等,这就需要用到时钟芯片来精确地提供时间信息和保存当时时间数据。
本次设计用的为DS1302涓流充电时钟芯片,内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,可以通过串行接口与单片机进行通信。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需要用到3个口线:
(1)RES(复位),
(2)I/O数据线,(3)SCLK(串行时钟)。
DS1302工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时,功率小于1mW。
在电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器等产品领域都有广泛应用。
DS1302引脚图如图5所示,各引脚功能如表3所示:
图5DS1302引脚图和引脚
表3DS1302引脚功能表
引脚号
引脚名称
功能
1
VCC2
主电源
2、3
X1、X2
振荡源,外接32768Hz晶振
4
GND
地线
5
复位/片选线
6
I/O
串行数据输入/输出端(双向)
7
SCLK
串行时钟输入端
8
VCC1
后备电源
基本工作原理:
该串行时钟芯片主要由寄存器、控制寄存器、振荡器、实时时钟以及RAM组成。
为了对任何数据传送进行初始化,需要将/RST置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。
数据在SCLK的上升沿串行输入,前8位指定访问地址,命令字装入移位寄存器后,在之后的时钟周期,读操作时输出数据,写操作时输入数据。
DS1302的内部结构如图6所示:
图6DS1302的内部结构
(1)DS1302与CPU的连接仅需要3条线,即SCLK(7)、I/O(6)和
(5)。
DS1302与单片机的连接图如图7。
VCC1在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。
VCC2在双电源系统中提供主电源,在这种方式下VCC1连接到备份电源,以便在没有主电源的情况下能够保存时间信息以及数据。
DS1302有VCC1和VCC2两者中的较大者供电。
当VCC2大于VCC1+0.2V时,VCC2给DS1302供电。
当VCC2小于VCC1时,DS1302由VCC1供电。
由于本设计内容不作保存,所以供电时两个都接入VCC,时钟芯片可以正常工作。
(2)控制命令字节和寄存器
控制命令字节结构:
表4控制命令字节结构
7
6
5
4
3
2
1
0
1
RAM/
A4
A3
A2
A1
A0
RD/
控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入DS1302中,位6如果为0,则表示存取日历时钟数据,为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)为0表示要进行写操作,为1表示要进行读操作,控制字节总是从最低位开始输出。
图7DS1302与单片机的连接图
寄存器结构:
DS1302有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见下表5:
表5日历、时间寄存器及其控制字
寄存
器名
命令字
取值
范围
各位内容
写操作
读操作
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
00-59
CH
10SEC
SEC
分寄存器
82H
83H
00-59
0
10MIN
MIN
时寄存器
84H
85H
01-12或00-23
12/24
0
10/AP
HR
HR
日寄存器
86H
87H
01-28、29、30、31
0
0
10DATE
DATE
月寄存器
88H
89H
01-12
0
0
0
10M
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01-07
0
0
0
0
0
WEEK
年寄存器
8CH
8DH
00-99
10YEAR
YEAR
表中有些特殊位需要特别指出:
CH:
时钟暂停位,当此位设置为1时,振荡器停止,DS1302处于低功率的备份方式;当此位变为0时,时钟开始启动。
12/24:
12或24小时方式选择位,为1时选择12小时方式。
在12小时方式下,位5是AM/PM选择位,此位为1时表示PM。
在24小时方式下,位5是第2个小时位(20~23)。
(3)数据输入和输出
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,数据输入从低位即位0开始。
同样,在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据,读出数据时从低位0位到高位7。
单字节传输时序和突发模式传输时序如图8:
单字节传送
多字节传送
图8单字节传输时序和突发模式传输时序
3.4温度传感器电路设计
单片机的接口是数字电信号,要想用单片机获取温度这类非电信号的信息,必须使用温度传感器。
温度传感器的作用是将温度信息转换为电流或者电压输出,然后进行A/D转换,以满足单片机接口的需要。
本次设计使用到的传感器有温度传感器DS18B20,温湿度传感器SHT11、DHT11以及热电偶。
3.4.1温度传感器DS18B20电路设计
数字温度传感器DS18B20可直接将被测温度转换成串行数字信号,以供单片机处理,它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。
通过编程,DS18B20可以实现9-12位的温度读数。
信息经过单线接口送入或者送出,因此从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线。
测量范围为-55~+125℃,在-10~+85℃范围内误差为±0.5℃。
将12位的温度值转换为数字量所需时间不超过750ms,转换速度快。
DS18B20外形及管脚排列如图9所示:
图9DS18B20引脚图
DS18B20的核心功能部件是它的数字温度传感器,它的分辨率可配置为9、10、11、12位,默认设置为12位分辨率,它们对应的温度值分辨率分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。
温度信息的低位、高位字节内容中还包括了符号位S和二进制小数部分,具体形式如下:
这是12位分辨率的情况,如果配置为低的分辨率,则其中无意义位为0。
低位字节(MSB~LSB):
bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0
高位字节(MSB~LSB):
bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8
S
S
S
S
S
由于DS18B20为单线数字温度传感器,所以与单片机的连接比较简单,如图10:
图10DS18B20与AT89S52单片机连接图
3.4.2热电阻测温实现方式
pt100是铂热电阻,正温度系数,它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
电阻温度系数为3.9×10-3/℃,0℃时电阻值为100Ω,电阻变化率为0.3851Ω/℃。
它的工业原理:
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
都是用高纯度铂做电阻导体,具有非常好的线性、高温稳定性和复现性,在-200--+650度高精度测温范围应用广泛。
Pt100电阻的RT曲线图
R2、R3、R4和PT100组成传感器测量电桥,为了保证电桥输出电压信号的稳定性,电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。
从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。
电桥的一个桥臂采用可调电阻R3,通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小,通常用于调整零点。
放大电路采用LM358集成运算放大器,为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差,放大电路采用两级放大,如图所示,前一级约为10倍,后一级约为20倍。
温度在0~100度变化,当温度上升时,Pt100阻值变大,输入放大电路的差分信号变大,放大电路的输出电压对应升高。
注意:
虽然电桥部分已经经过TL431稳压但是整个模块的电压VCC一定要稳定,否则随着VCC的波动,运放LM358的工作电压波动,输出电压随之波动,最后导致A/D转换的结果波动,测量结果上下跳变。
AD7705是十六位分辨率的A/D转换器,2通道全差分模拟输入,使用+5V单电源,主要应用于低频测量。
它利用了Σ-△转换技术实现了16位无G失代码性能,三线数字接口,可以通过串行输入接口由软件配置芯片的增益值、输入信号极性和数据更新速率,非常灵活方便。
具有自校准和系统校准功能,能够消除器件本身和系统的增益以及偏移误差。
是用于开发智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。
(1)主要特点
2个全差分输入通道的ADC,十六位无丢失代码,0.003%非线性;可编程增益:
1~128;三线串行接口;具有模拟输入端缓冲器;工作电压:
2.7~3.3V或4.75~5.25V;低功耗,3V电压时,最大功耗为1mW;等待电流的最大值为8μA;
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