温度测量控制系统Word文档下载推荐.docx

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2.1系统功能分析

系统主要实现两个基本功能，一是对温度数据的采集，另一个是对釆集到的温度值的显示。

在实现第一个功能时，通过温度传感器k型电偶和热电阻PT100釆集温度模拟信号,经过单刀八掷开关CD4051选通，再经过OP07放大后由A/D转换器转换为数字信号送单片机处理。

实现第二个功能主要是通过单片机将转换出的数字信号经过LED数码管显示出来。

2.2系统组成框图

根据上文所述的各个功能模块，系统硬件主要包括以下儿个部分：

控制核心部分、信号放大部分、选通信号部分、按键控制及LED显示部分。

系统实现方案如图2.3所示。

图2.3系统总体原理框图

3芯片介绍3.1AT89S52单片机介绍

3.1.1主要性能

•与MCS-51单片机产品兼容

•8K字节在系统可编程Flash存储器

•1000次擦写周期

•全静态操作：

0Hz〜33Hz

•三级加密程序存储器

•32个可编程I/O口线

•三个16位定时器/计数器

•八个中断源

•全双工UART串行通道

•低功耗空闲和掉电模式

•掉电后中断可唤醒

•看门狗定时器

•双数据指针•掉电标识符

3.1.2功能特性描述

单片机是随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机CPU、RAM、ROM,定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机。

它拥有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显著优点。

主要应用于智能仪器仪表、工业监测控制、机电一体化等方面，并且取得了显著的成果。

单片机应用系统可以分为：

（1）最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。

这种系统成本低廉，结构简单，常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。

片内有ROM/EPROM的单片机起最小应用系统除了外部配置晶振，复位电路，电源的单个单片机。

片内无ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统除了外部配置晶振，复位电路，电源外，还应外接EPROM或EEPROM作为程序存储器用。

（2）最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的

功耗最小。

（3）典型应用系统是指单片机要完成匸业测控功能所必须的硬件结构系统。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至OHz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM.定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。

3.1.3引脚功能描述

AT89S52引脚图见图3.1。

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

RST

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7XTAL2XTAL1

GND

123456789o

1111111111

09876543210987654321

43333333333222222222

VccP0.0P0」P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7VPPALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2」P2.0

图3.1单片机封装及引脚结构

VCC:

电源

GND:

地

PO口：

PO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&

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口：

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）o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）,在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

具体如下表3.1所示。

表3.1P1口引脚的第二功能

引脚号

第二功能

T2（左时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输入

T2EX（左时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

MOSI（在系统编程中）

MISO（在系统编程中）

SCK（在系统编程中）

P2口：

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，被外部拉低的引脚山于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）o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（例如执行MOVX@DPTR）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（如MOVX@RI）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口：

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）o

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表3.2所示。

在flash编程和校验时,

P3口也接收一些控制信号。

表3.2P3口的第二功能

RXD（串行输入口）

TXD（串行输入口）

INT0（外中断0）

INT1（外中断1）

T0（定时/计数器0）

T1（定时/计数器1）

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

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。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

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。

在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而,特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

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GNDo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。

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。

3.2A/D转换器MAX144介绍

3.2.1主要特点

MAX144是美国MAXIM公司生产的新型双通道12位串行模数转换器，它具有自动关断和快速唤醒功能，且内部集成有时钟电路，采样/保持电路；

同时具有转换速率高、功耗低等优点，特别适合于曲电池供电且对体积和精度有较高要求的智能仪器仪表产品。

MAX144的主要特点如下：

•单电源供电，电压范围为+2.7〜+5.25V；

•带有两路模拟信号输入通道CHO和CHI,其模拟CHO和CH1信号电压范围为0—Vref；

•采样频率最高可达lOSksps；

•功耗低，当VDD为3.6V,且在釆样频率达到最大值108ksps时，功耗仅3.2mW：

•具有与SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的串行接口

3.2.2引脚功能

MAX144釆用DIP8封装形式，其引脚功能如下：

VDD：

正电源端，+2.7—+5.25V；

CH0/CH1：

模拟信号输入通道：

GND：

模拟地/数字地；

REF：

外部参考电压输入，用作模数转换基准电压；

CS/SHND:

该脚为低电平时，为片选输入；

为高电平时，为掉电模式输入：

DOUT：

审行数据输出端；

SCLI：

串行时钟输入端。

MAX144引脚结构图如图3.2

VDD

1

•

8

SCLK

CH0

2

MAX144

7

DOUT

CH1

3

6

CS/SHDN

4

5

REF

图3.2MAX144引脚

3.2.3功能介绍

a）模拟信号输入

MAX144的两个模拟输入通道CHO与CH1可连接到两个不同的信号源上。

上电复位后，MAX144将自动对CHO通道的模拟信号进行A/D转换，转换完毕乂自动切换到CH1通道，并对CH1通道模拟信号进行A/D转换，之后交替地在CH0和CH1通道间进行切换和转换。

输出数据中包含的一个通道标志位CHID,用以确定该数据为哪一通道转换得到。

如果只有一路模拟信号，可以将CHO与CH1连接在一起作为一个输入通道,但输出的数据中仍包含有通道标志位CHIDoMAX144内部有模拟输入保护电路，因而容许输入信号在GND-300mV到VDD+300mV范圉内变化，如果要求的转换精度较高，则输入信号不得大于VDD+50mV,且不能小于GND-50mVo

b）时钟模式和工作时序

将CS/SHDN设置为低电平可启动A/D转换过程，在CS/SHDN的下降沿，内部釆样/保持电路将进入采样模式，此时如果SCLK为高电平，则选择内部时钟模式；

若为低电平则选择外部时钟模式。

图2给出了内部和外部时钟模式的时序图。

当串行时钟频率小于100kHz或大于2.17MHz时,应选择内部时钟模式。

肖工作于外部时钟模式时，曲于外部时钟不仅要移出数据，而且要驱动模数转换，因此，A/D转换必须在140"

内完成，否则采样/保持电路中电容上电压的降低可能导致转换结果精度的降低。

转换结束后，内部振荡电路被关闭，DOUT变为高电平，此时即可读取转换数据。

3.3放大器0P07介绍

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

山于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25HV）,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±

2nA）和开环增益拓（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

OP07管脚图如图3.3所示。

OffsetNull1

■

OffsetNull2

InvertingInput

OP07

Vcc+

Non-invertingfInput

Output

vcc-

N・C・

图3.30P07管脚图

OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡（调零端）

2为反向输入端

3为正向输入端

4接地

5空脚

6为输出

7接电源正

宽的输入电压范圉（最小±

13V）与高达HOdB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路组态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。

3.4选通开关CD4051

CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、

C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截I匕漏电流。

幅值为4.5〜20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,贝lj0-5V的数字信号可控制-13.5〜4.5V的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范圉内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输入端=“1”时，所有的通道截I匕。

三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

CD4051引脚功能见图3.4。

IN/OUT4

IN/OUT6

OUT/IN

IN/OUT7

IN/OUT5

Inhibit

VEE

VSS

IN/OUT2

IN/OUT1

IN/OUTO

IN/OUT3

CntlInputA

CntlInputB

CntlInputC

图3・4CD4051芯片图

CD4051引脚说明见表3.3

表3.3CD4051功能引脚

CD4051引脚功能说明

符号

功能

1245121314

15

IN/OUT

输入/输出端

91011

ABC

地址端

公共输入/输岀端

INH

禁止端

模拟信号接地端

Vss

数字信号接地端

16

电源+

3.5温度传感器

3.5.1K型热电偶

a）简介

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°

C到1300°

C范圉的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

K型热电偶通常山感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。

银锯-偶（K型热电偶是U前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。

K型热电偶丝直径一般为1.2〜4.0mmo

正极（KP）的名义化学成分为：

Ni：

Cr=92：

12,负极（KN）的名义化学成分为:

Ni：

Si=99：

3,其使用温度为-200-1300°

CoK型热电偶具有线性度好，热电动势较大,灵敬度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。

K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛.

b）热电偶的测温原理

热电偶温度讣山热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。

如果将热电偶的热端加热，使得冷、热两端的温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象就称为热电现象（即热电效应）。

在热电偶回路中产生的电势山温差电势和相接触电势两部分组成接触电势：

它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。

当两种不同的导体A和B相接触时，假设导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且Na>

Nb,则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不相同，由导体A扩散利导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。

导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。

因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场,这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到动态平衡状态。

此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。

此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定,接触电势仅与其接点温度有关。

温度越高，导体中的电子就越活跃，山A导体扩散到B导体的电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。

c）K型热电偶特点

检出（测）元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

必须配二次仪表，其优点是：

1测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

2测量范围广。

常用的热电偶从-50^+1600°

C均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269°

C（如金铁線锯），最高可达+2800°

C（如鹄-铢）。

3构造简单，使用方便。

热电偶通常是山两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

2根据温度测量范圉及精度，选用相应分度号的热电偶

使用温度在13OO~18OO°

C,要求精度乂比较高时，一般选用B型热电偶；

要求精度不高，气氛乂允许可用钩铢热电偶，高于1800°

C-般选用磚铢热电偶：

使用温度在1000~1300°

C要求精度乂比较高可用S型热电偶和N型热电偶；

在1000°

C以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400°

C-般用E型热电偶；

250°

C下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

3.5.2PT100热电阻

PT100是钳热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0°

C时它的阻值为100欧姆，在100°

C时它的阻值约为13&

5欧姆。

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。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，

即Rt=RtO[l+a（t-tO）]

式中，Rt为温度t时的阻值；

RtO为温度t0（通常tO=O°

C）时对应电阻值；

a为温度系数。

半导体热敬电阻的阻值和温度关系为

Rt=AeB/t

式中Rt为温度为t时的阻值；

A、B取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言，热敬电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上）,但互换性较差，非线性严重，测温范圉只有-5O~3OOC左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。

金属热电阻一般适用于-200~500°

C范圉内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可鼎，在程控制中的应用极其广泛。

3.5.3温度传感器LM35介绍

LM35是一种山Nationalsemiconductor所生产的应用广泛的温度传感器。

其输出电压与摄氏温标