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原理分析
摘要
本设计简要介绍了热电偶测温仪的测温原理、所用的硬器件结构与工作原理,并对其进行了硬件设计和软件设计,然后对其最终显示做了试验。
通过测定,验证测温仪的误差大小,以便可以工程使用。
该测温仪是以AT89C51单片机为核心,由热电偶测量温度,并对其进行冷端温度补偿。
该热电偶采用K型镍铬-镍硅热电偶,测量范围在0—800℃之间。
使用+5V电源。
采用4位共阴极LED数码管显示。
并利用键盘设定温度上下限,这样当所测温度超越了可测温度范围,报警器鸣镝,报警灯亮,以便通知工程人员做相应处理。
在工业测量中,被测对象常存在电场、磁场、噪声等恶劣环境中,这样采样值可能偏离真实值。
所以,在软件设计中,还需要一组滤波程序,以提高信噪比,减少乃至消除各种干扰及噪音,提高测量精度。
目录
第1章热电偶测温仪原理与方框图
1.1、热电偶测温原理………………………………………………………….(4)
1.2、热电偶测温仪系统方框图……………………………………(4)
第2章器件说明
2.1、AT89C51单片机………………………………………………….(5)
2.2、LED数码显示器………………………………………………….(8)
2.3、74LS164(8位并行输出串行移位寄存器)…………………………(8)
2.4、X2045…………………………………………………………...(10)
2.5、热电偶…………………………………………………………(12)
2.6、TCL0832………………………………………………………...(14)
第3章硬件电路设计
第4章软件电路设计
4.1A/D转换子程序设计……………………………….....................…(15)
4.2线形化标度变换子程序设计……………………………………..…(16)
4.3总程序设计………………………………………………………..(17)
总结
附录
参考文献
第1章.热电偶测温仪原理与方框图
1.1、热电偶测温原理
热电偶传感器是一种将温度变化转化为电势变化的传感器,它是由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路,当两个接触端温度不同,即T>T0时,回路中会产生热电势EAB(T,T0),如图1所示。
其中,T称为热端,T0称为冷端,A和B称为热电极。
热电势EAB(T,T0)的大小是由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势所决定的。
EAB(T,T0)=E(T,Tn)+E(Tn,T0)其中Tn是参考温度,T0零温。
1.2、热电偶测温仪系统方框图
基于热电偶的温度检测框图如图2,温度由K型热电偶检测,并经冷端温度补偿和线形化转化后送到模拟多路开关,由模拟开关切换后,经放大器放大,再由A/D转化器转换成数字信号。
AT89C51单片机读取转换的数字信号并进行必要的处理后,将结果存入RAM,同时送LED显示器显示。
另外,AT89C51单片机还将依据由键盘输入的温度上下限报警温度值对所检测的温度进行越限光报警处理。
其中温度传感器选用的是K型热电偶(镍铬-镍硅热电偶),测温范围选用
0—800度,冷端温度补偿选用补偿导线法。
放大电路选用自动调零放大电路,A/D转换器选用TLC0832,单片机选用AT89C51,并另外扩存储器EPROM,RAM,显示选用4段LED数码管,并加报警器,选用一个LED数码管,灯亮表示超过测温上限。
图2热电偶测温仪方框图
第2章.器件说明
本设计中使用的硬件有AT89C51单片机,TLC0832A/D转换芯片,74LS164驱动器,X2045看门狗,共阴极LED数码管,+5V标准电源,万用表。
2.1、AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
2.1.1、主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器。
寿命:
1000写/擦循环。
数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.1.2、管脚说明
AT89C51管脚分布如图3所示:
图3AT89C51管脚分布图
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
2.1.3、振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.1.4、芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
2.2、LED数码显示器
在数字电路中,常用的显示器是数码显示器。
LC5011-11就是一种共阴极数码显示器。
它的管脚排列如图4.3所示,X为共阴极,DP为小数点。
其内部是段发光二极管的负极连在一起的电路。
当在它的a、b、c、d、e、f、g、DP加上正向电压时,各段发光二极管就点亮。
共阳极数码显示器的阳极是连在一体的,它的工作情况与共阴极数码管是相反的,它的各段加上低电平时,所对应的发光二极管就点亮。
LC5011-11管脚图4如下:
图4LED管脚分布图及内外部结构图
用单片机驱动LED数码管有很多方法,按显示方式分,有静态显示和动态(扫描)显示,按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能,单片机将所要显示的数据送出后就不再管,直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据,显示数据稳定,占用很少的CPU时间。
动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新,显示数据有闪烁感,占用的CPU时间多。
这两种显示方式各有利弊;静态显示虽然数据稳定,占用很少的CPU时间,但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路,使用的硬件较多;动态显示虽然有闪烁感,占用的CPU时间多,但使用的硬件少,能节省线路板空间。
硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成,CPU只要送出标准的BCD码即可,硬件接线有一定标准。
软件译码是用软件来完成硬件的功能,硬件简单,接线灵活,显示段码完全由软件来处理,是目前常用的显示驱动方式。
本设计选用LED静态显示和软件译码。
2.3、74LS164(8位并行输出串行移位寄存器)
74LS164为8位移位寄存器,管脚定义如下图5所示:
CLOCK时钟输入端
CLEAR同步清除输入端(低电平有效)
A,B串行数据输入端
QA-QH为输出端
当清除端(CLEAR)为低电平,输出端(QA-QH)均为低电平;串行数据输入端(A,B)可控制数据。
当A,B任意一个为低电平,则禁止新数据输入,在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下QO为低电平;当A,B有一个为高电平。
则另一个就允许输入数据,并在CLOCK上升沿作用下决定QO的状态。
图574LS164管脚图
74LS164为8位移位寄存器,其主要电特性的典型值如下:
型号
fm
Pn
74LS164
36MHz
80mW
逻辑及封装图
双列直插封装
极限值
电源电压7V
输入电压5.5V
工作环境温度
74LS164-0~70℃
储存温度-65℃~150℃
推荐工作条件:
74LS164
最小
额定
最大
单位
电源电压VCC
4.75
5
5.25
V
输入高电平电压ViH
2
V
输入低电平电压ViL
0.8
V
输出高电平电流IOH
-400
μA
输出低电平电流IOL
8
mA
时钟频率fCP
0
25
MHz
脉冲宽度TWCLOCK,CLEAR
20
ns
建立时间tset
25
ns
保持时间tH
5
ns
静态特性(TA为工作环境温度范围)
参数
测试条件
74LS164
单位
最小
最大
VIK输入嵌位电压
Vcc=最小,VIK=-12mA
-1.5
V
VOH输出高电平电压
Vcc=最小VIH=2VVIL=0.8V,IOH=-400μA
2.4
V
VOL输出低电平电压
Vcc=最小,VIH=2V,VIL=0.8V,IOL=8mA
0.4
V
II最大输入电压时输入电流
Vcc=最大,VI=5.5V
1
mA
IIH输入高电平电流
Vcc=最大,VIH=2.4V
40
μA
IIL输入低电平电流
Vcc=最大,VIL=0.4V
-1.6
mA
IOS输出短路电流
Vcc=最大
54
-10
-27.5
mA
74
-9
-27.5
ICC电源电流
Vcc=最大,A和B接地,CLOCK接2.4V,CLEAR瞬间接地后接4.5V
54
mA
动态特性(TA=25℃)
参数*
测试条件
74LS164
单位
最小
最大
fmax
Vcc=5V,CL=15Pf,RL=800Ω
25
MHz
tPLH
CLOCK→任一Q
27
ns
tPHL
32
ns
tPHL
CLEAR→任一Q
36
ns
*:
fmax最大时钟频率tPLH输出由低电平到高电平传输延迟时间tPHL输出由高电平到低电平传输延迟时间
2.4、X2045
看门狗X25045是XICOR公司生产的监控器,高电平复位输出,可块锁定,传输密度4K的EEPROM。
X25045有三种功能,看门狗定时器、电压监视、EEPROM,它们三个组合在一个封装内,这种组合降低了系统的成本并减少了电路板空间要求。
图6为X2045芯片引脚图,引脚功能如下:
/CS为芯片选择输入,低电平有效
SO串行输出
SI串行输入
SCK串行时钟输入
WPEEPROM写保护输入
RESET复位信号输出
Vss地
Vcc电源电压
它具有的特点如下:
·低电平的看门狗定时器。
·低Vcc检测。
·直到Vcc=IV时复位信号有效。
·1MHZ时钟频率。
·低功耗CMOS。
·片内偶然性写保护。
·高可靠性,可擦写次数为10万次,数据保存期10年。
·2.7V至5.5v电源电压。
图6X2045芯片引脚图
X25045在读写操作之前,需要先向它发出指令,指令名及指令格式如表2.2所示。
指令名
指令格式
操作
WREN
00000110
设置写使能锁存器(允许写操作)
WRDI
00000100
复位写使能锁存器(禁止写操作)
RDSR
00000101
读状态寄存器
WRSR
00000001
写状态寄存器
READ
0000A8011
把开始于所选地址的存储器中的数据读出
WRITE
0000A8010
把数据写入开始于所选地址的存储器
表2.2X25045指令及其含义
X25045芯片内包含有一个看门狗定时器,可通过软件预置系统的监控时间。
在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动,则X25045将从RESET输出一
个高电平信号,使CPU复位。
看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。
如表2.3所示,X25045状态寄存器共有6位有含义,其中WD1、WD0和看门狗电路有关,其余位和EEPROM的工作设置有关。
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
X
X
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
表2.3X25045状态寄存器
芯片的看门狗定时器和Vcc电压监视器都对微处理器提供独立的保护。
当系统故障时,只要看门狗定时器记时达到其可编程的超时极限,RESET引脚立即自动产生高电平复位信号。
当电源电压Vcc降至最小转换点以下,芯片的RESET引脚立即自动产生复位信号。
该芯片在系统电源上电或掉电时也立即自动产生复位信号。
这样,在电源的接通和关断、瞬时的电源电压不稳定时就不会造成系统死机、数据误写及误动作等故障。
2.5、热电偶
.热电偶为K型,测温范围:
0~1200℃,对应的热电势0~48.828mv。
它的短期使用温度为1200℃,长期使用温度为1000℃。
本设计选用0-800度测温范围。
其线性化标度变换如下表格。
冷端温度补偿:
用电桥补偿的方法,四个桥臂的电阻在20℃阻值一样,其中三个电阻用锰铜丝绕制,其电阻不随温度变化。
另外一个电阻用铜丝绕制,其阻值随温度变化。
因此,要把显示仪表的起始点调到20℃的位置。
线性化标度变换表格
理想温度(0C)
理想热电势
K(mV)
放大器输出(V)
码值
0
0
0
0
200
8.137
1.2
61
400
16.395
2.5
128
600
24.902
3.7
189
800
33.277
5.0
255
2.5.1、热电偶信号的冷端补偿
根据国际温标规定,热电偶的分度表是以to=0oC作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,自由端温度to往往不能维持在0oC,那么工作温度为t时在分度表中所对应的热电势E(t,0)与热电偶实际输出的电势值E(t,to)之间的误差为
EAB(t,0)-EAB(t,to)=E(to,0)由此可见,差值E(to,0)是自由端温度to的函数,因此需要对热电偶自由端温度进行处理。
图2.5.1为利用热敏电阻进行冷端补偿的电路图。
图2.5.2为利用AD590的冷端补偿电路图。
图2.5.1利用热敏电阻进行冷端补偿
图2.5.2利用AD590的冷端补偿电路
2.5.2、热电偶信号的线性化处理方法
热电偶温度信号非线性是比较大的,如B偶,从0°C升高到1800°C,热电势从0mV变化到13.585mV,每100°C热电势增加最大的约为最小的8倍。
B偶的最大输出热电势只有13.585mV,而且当温度升高到约1700°C时,该增加值下降。
其它热电偶都存在类似的问题,尽管稍有不同。
这又给线性化增加了难度。
从这一特性出发,热电偶温度信号的线性化主要有如下几种方法。
(1)单反馈法
利用负反馈,可以改善其线性,但是很有限。
几种非线稍小的热电偶,可以采用这种方法,特别是在温区要求不宽的情况下。
有时,由于在其一温区有精度要求,那么就在该温区对信号进行调理,达到要求的目标;在其它温区可以放宽精度要求,甚至不要求,只作监视用。
(2)折线近似法
这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。
处理得好可以达到较高的精度。
这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。
图2.5.3折线近似法
该种方法的电路原理图如图2.5.3所示。
该电路的工作过程是:
当输入的电压信号较低时,IC1中的反相端电压较同相端(A)低得多(同相端的电压大小是根据线性化要求设定的,B点同样),IC1的输出端电压较高,D1截止。
当输入信号电压接近IC1的同相端时,IC1的输出逐渐降低,随之,D1逐渐导通,V4逐渐增大,直到V4接近A点电压为止。
这就有效地限制了热电偶信号迅速增加,降低了非线性。
IC2的工作过程与此类似,不同的是B点电位比A点高。
当输入电压在A点电压以下时,D2截止,IC2不工作;只有当输入电压高于A点电压或接近B点电压时IC2才工作。
工作过程与IC1相同。
所用折线的段数是根据精度要求决定的。
对于热电偶信号处理来说,有三段就可以使精度达到0.5%以上。
当D1、D2都导通后,可推出:
式中,VF为晶体管发射结的正向压降。
本设计选用折线近似法对热电偶进行线性化近似。
2.6、TCL0832
TCL0832美国德州仪器公司生产的串行控制模数转换器,有两个可多路选择的输入通道,与单片机或控制器通过三线接口连线,性能比较高。
TCL0832芯片具有以下特点:
(1)8位分辨率;
(2)5V单电源供电,基准电压为5V;
(3)输入模拟信号电压范围为0~5V;
(4)输入和输出电平与TTL和COMS兼容;
(5)可直接和微处理器接口或独立使用;
(6)在250KHz时钟频率时,转换时间为32Us;
(7)有两个可多路选择的模拟输入通道。
TCL0832DIP封装的引脚分配图7如下:
图7TCL0832DIP封装的引脚分配图
各引脚说明如下:
/CS为片选端,低电平有效;CH0,CH1为模拟信号输入端;DI为多路器地址选择输入端;DO为模数转换结果串行输出端;CLK为串行时钟输入端;GND为电源地;VCC/REF为正电源端和基准电压输入端。
TLC0832处于工作状态时,置CS端有效,并使所有的逻辑电路使能,方可启动转换.CS在整个转换过程中必须置为低电平,接着从处理器接受一个时钟.当一个时钟的时间间隔被自动插入后,可以使转换器选定的通道稳定。
而当DO脱离高阻状态是,可提供一个时钟的时间间隔的前导低电平,以使多路器稳定。
SAR比较器用于对电阻梯形网络的输出。
在转换过程中,转换的数据同时从DO端输出,并以最高位(MSB)开头。
在经过8个时钟后,转换完成,CS变高,内部所有寄存器清零,此时,输出电路变为高阻太。
如果希望另一个转换,CS必须有一个从高到低的跳变,且后面应紧跟着输入通道地址选择数据。
TLC0832的输入配置可在多路器寻址时续中进行,多路器地址通过DI端移入寄存器。
第3章硬件电路设计
如图2所示本设计是以AT89C51单片机为核心,K型热电偶采集数据,TLC0832转换数据,并最终由LDE数码管显示。
则其具体硬件连线应参考第2章有关内容,在Protel99软件中查找器件并进行初步设计,经检查无误后最终确定硬件接线图如附录3硬件电路图接线所示。
第4章软件电路设计
4.1A/D转换子程序设计
A/D转换子程序流程图附录2中A/D转换子程序流程图。
在该子程序中,首先对TLC0832的采样进行A/D转换,之后判断A/D转换是否完成,如果没有完成,则返回A/D转换,直到转换完成后,再进行数字滤波。
待数字滤波后,将码值NX送到单片机缓冲单元存储,等待下一步线性化子程序调用该码值。
在工业测量中,被测对象常存在电场、磁场、噪声等恶劣环境中,这样采样值可能偏离真实值。
所以,在软件设计中,还需要一组滤波程序,,以提高信噪比,减少乃至消除各种干扰及噪音,提高测量精度。
一般在温度测量系统中采用限幅法或者限速法。
限幅滤波是把两次相邻的采样值相减,求出增量(以绝对值表示),然后与两次采样允许的最大差值(由被控对象的实际
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