基于单片机控制的多功能智能化温度测量仪设计大学毕设论文.doc

多功能智能化温度测量仪设计摘要：本文主要介绍了温度的自动测量，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：介绍了国内外温度检测技术和特种测温一钢水温度检测的发展现状，并且分析了温度检测技术的未来发展方向；根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、 数据处理、温度值的在线显示以及时钟电路的时间显示；简略介绍了该仪表的软件部分；对该温度仪表的未来发展进行了展望。多功能智能化温度测量仪是以8051单片机系统和温度检测元件一AD590相结合的温度测量系统。本系统的数学模型合理，测量方法容易实现。实际仪器采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。关键词：温度测量 多功能 智能化 单片机Designe on Multifunctional Intellectual Temperature Measure InstrumentAbstract：The thesis introduces automatical measurement of temperature，includingtemperature sensor，I/ O of single-chip microcomputer and application software，it can be divided into some parts：It introduces the development of temperature measurement and Temperature measuring一measurement of molten steel's temperature，as the development direction of temperature measurement in the future；According to the practical demands, I design corresponding hardware system；The system can realize data acquisition，showing of temperature on-line.I discuss the future of the instrument.The multifunctional intellectual temperature measure instrument introduced by the paper is the system of 8051 single-chip microcomputer and conventional measureing component一AD590. The mathematic model is appropriate，and measurement method is easy to be excuted. The electronic components used are anti一jamming，less zero-drift and less temperature-drift. The instrument is convenient and applicabale，it is steady，reliable and so fit to use. At the same time, it has larger scope of measurement and it can be used in many kinds of object measured. It has intellectualized the process4.Keywords: Temperature Measurement, Multi-purpose, Intelligentiztion,Single-chip MicrocomputerII多功能智能化温度测量仪设计第1章 绪 论1.1 引言温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。本文介绍的智能温度检测系统,以智能化数字式温度传感器与PIC 微处理器有机结合,构成了一种新型智能化温度检测系统。该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU）。微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革电子技术专业人员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。  将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受到电子专业技术人员的青睐。单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。沿着与适用微处理器不同的方向发展。它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。  本课题主要为采用单片机实现温度采集与多功能数字钟的制作。突出民用产品的低成本多动能的特点。按照选题要求应实现温度测量精度<0。5，并且能够实现数字钟和温度测量部分的通过键盘进行控制。1.2 国内外测温技术及其发展趋势1.2.1 国内外测温技术现状随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法。(1)利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成三大类 : 玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(2)利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元件之一。 热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。(3)利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种: 电 阻 测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。(4)利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计 ，一般称光学高温计;一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后 ，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。1.2.2 国内外温度检测技术的发展动向随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面。(1) 扩展检测范围。现在工业上通用的温度检测范围为一20030000C，而今后要求 能 测 量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如IOK 以 下 的温度检测是当前重点研究课题。(2) 扩大测温对象。温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用 范 围 己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域 。(3) 发展新型产品。利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型 产 品 ，以满足于用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。(4) 适应特殊环境的测温。在许多场合中的温度检测器有特殊要求，例如防爆、防硫 、 耐 磨等性能要求;又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温 、 火 焰温度检测等。(5) 显示数字化。温度仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无度数误差、分辨 率 高 、测量误差小，因而有广阔的销售市场。(6)标定自动化。应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展1。(1) 继续生产量大面广的传统温度检测元件，如:热电偶、热电阻、热敏电阻等。(2) 加强新原理、新材料、新工艺的开发。如近来己开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度 检 测 器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。(3) 向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能，又要具有判 断 和 指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：(1) 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成三大 类 : 玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(2) 利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是 热 电 偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元件之一。 热 电 偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点， 因 此 广泛作为温度传感器的敏感元件。(3) 利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种: 电 阻 测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。(4) 利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高 温 计 ，一般称光学高温计;一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后 ，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。1.3 单片机1单片机是微机发展的一个分支,是为了适应控制系统微型化、集成化的需要而生产和发展起来的。严格的说，对单片机目前还没有严格确切的定义。1.3.1单片机的历史如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。    （2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。     完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。     CPU外围功能单元的集中管理模式。     体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。  （3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。   （4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。1.3.2 单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。1. 通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。2. 总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。3. 控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。1.3.3 单片机的特点和应用1） 单片机的特点（1）有优异的性能价格比。单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都继承在一块芯片内，使之成为名副其实的单片机。有的单片机为了提高速度和执行效率，可是采用了RISC 流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能明显优于同类型微处理器，有的单片机片内的ROM可达64KB（式中的B表示为字节），片内RAM可达2KB，单片机的寻址已突破64KB的限制，八位和十六位单片机寻址可达1MB和16MB。 单片机另一个显著特点是量大面广，因此世界上个大公司提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各公司竞争的主要策略（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。单片机是电子计算机这个庞大家族中的一个特殊品种，体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次微型计算机。（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。单片机大量应用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗的特性尤为重要。许多单片机已可在2.2 V 的电压下运行，有的已能在1.2 V或0.9 V下工作；功耗降至为A级，一粒纽扣电池就可以长期使用。(5) 集成度及可靠性高单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。外部总线增加了I C（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。2） 单片机的应用单片机的应用范围很广，可以说覆盖了所有领域。其主要在智能仪器和控制中的应用。(1) 单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。(2)单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。(3) 单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。(4) 单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。(5) 单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。    综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。1.3.4 单片机应用系统的设计10单片机应用系统的设计（开发）的最终目的是能把它应用到实时控制系统以及仪器仪表、家用电器、汽车制造、医疗器械等各个领域。由于它的应用领域很广，技术要求各不相同，因此应用系统的硬件设计可以是各种各样的，但总体设计方法和研制步骤基本相同。有关单片机应用系统的一般开发、研制方法论述如下：1） 组成单片机应用系统的基本方法用单片机组成应用系统时，实际问题的领域很宽，要求各不相同，组成的方案也千差万别，很难有一个固定的模式适应一切问题，但考虑问题的基本方法大体相似。对一般的应用系统，大都要经历如下步骤： 提出问题，了解现场，明确指标。无论是制作智能仪表还是研制工业控制系统都要对应用对象的工作过程进行深入调查和分析，了解课题的目的要求、信号的种类和数量、应用的环境等等，要把课题最终的指标明确下来。 进行可行性论证，提出初步方案。分析所接受任务的技术关键，论证能否用计算机来解决，有没有别的途径，用计算机合算与否，用什么计算机等等。如果可行，应对接受的课题提出初步方案，划分软、硬件各分课题的任务。 提出各分课题的设计方案。软、硬件所承担的任务明确之后，则可以分别设计出软、硬件各自的功能及实现的方案。 完成总体设计，完成各分课题的任务，组成计算机应用系统。 对系统进行调试、修改、完善。2） 应用系统研制进程所谓应用系统，就是利用单片机为某应用目的而设计的单片机专用系统（在调试过程中通常称为目标系统）。单片机的应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、输入输出设备、控制设备、执行部件等组成的系统，软件是各种控制程序的总称。硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的研制过程中，软硬件的功能总是在不断地调整，以便相互适应，相互配合，以达到最佳性能价格比。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线仿真调试、程序固化等几个阶段。各个阶段所完成的主要工作概述如下：总体设计主要包括确定技术指标，机型及器件选择，软、硬功能划分等。硬件设计主要包括程序存储器和数据存储器芯片的选择和设计；I/O电路、A/D、D/A及有关外围电路的设计；系统地址译码电路、总线驱动器等的设计等。软件的主要任务是定义系统功能，软件的结构设计，画出程序结构框图及各功能的程序框图，逐个编写程序。一般采用汇编语言编程较为适合。也可采用高级语言编程。软件设计完成后，进行在线仿真调试，也即查找程序中的错误。软件调试完成后再进行软、硬联机调试直至最后生成可用的软、硬件系统。软件和硬件联调完成以后，反复运行正常则可将用户系统程序固化到EPROM中，插入用户样机，用户系统即可脱离开发系统独立工作。详细的开发过程可以参阅有关的资料。本章主要分析了国内外温度测试的发展现状及其趋势，系统的介绍了本课题主要用到单片机。在回顾了单片机发展历史，分析了其分类和特点之后，重点介绍了单片机应用系统设计，为下一步课题设计做了充分的准备。第 2 章 多功能智能化温度测量仪设计2.1 课题主要内容在掌握传感器与传感器技术和单片机原理与应用等教材内容和教学要求的基础上，分析国内外测温状况，研究分析热电偶的测温原理、热电偶的安装使用方法以及热电偶检定，确定单片机的硬件设计，制定多功能温度测量仪器设计方案，确定硬件并写出程序蓝本。再在软件上模拟实现要求的功能，调试出结果。本文介绍了该测量仪的研制，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件，其主要内容如下:1 介绍了国内外温度检测技术发展现状，以及温度检测技术的未来发展方向。2 根据实际测量要求制定出一次仪表一传感器的选择、使用和安装方案。3 根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、温度值的实时显示和存储等。4 对该仪器的功能进行了初步认定，从原理和实际意义上分析了该仪器的测量误差。5 介绍本仪器的优点及不足，并对未来的发展提出了展望。2.2 系统功能根据设计要求，系统的主要内容（功能）如下：（1） 根据要求设计时钟并显示；（2） 自动检测温度并显示；（3） 用LED显示方式；（4） 温度以为单位；2.3 系统总体设计方案将集成温度传感器AD590（0时为0.2732mA）因温度变化，导致电流变化（0.001mA/），经OPA转换为电压变化输入ADC0804，输入电压Vin（05V之间）经过A/D转换之后，其值由8751处理，最后将其显示在D4，D3，D2，D1共四个七段显示器。其中包含了时钟显示电路。该温度测量仪可以实现温度的测量，数据的显示、储存以及日历时间的显示。2.3.1温度检测的主要方法温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。各种温度测量方法各有自己的特点和各自的测量范围，常用的测温方法、类型及特点如表2.1所示。测量方式温 度 计 或 传 感 器 类 型测量范围/精度/%特 点接触式热膨胀式水 银-506500.11简单方便，易损坏（水银污染）双 金 属03000.11结构紧凑，牢固可靠压力液 体-306001耐振，坚固，价格低廉气 体-20350热电偶铂铑铂016000.20.5种类多，适应性强，结构简单，经济方便，应用广泛。需注意寄生热电势及动圈式仪表电阻对测量结果的影响其 他-2011000.41.0热电阻铂-2606000.10.3精度及灵敏度均较好，需注意环境温度的影响镍-1503000.20.5铜01800.10.3热敏电阻-503500.30.5体积小，响应快，灵敏度高，线性差，需注意环境温度影响 非接触式辐射温度计80035001非接触测量，不干扰被测量度场，辐射率影响小，应用简便光高温度计70030001热探测器20020001非接触测温，不干扰被测温度场，响应快，测温范围大，适于测量温度分布，易受外界干扰，标定困难热敏电阻探测器-5032001光子探测器035001其他示温涂料碘化银，二碘化贡，氯化铁，液晶等-352000<1测温范围大，经济方便，特别适于大面积连续运转零件上的测量，精度低，人为误差大表2.1 常用的测温方法、类型及特点2.3.2 单片机应用系统的研制过程14单片机应用系统的研制过程如图所示。接受设计任务明确任务、归并要求选 机，划 分 软 硬 件硬件设计软件设计联 机 仿 真 调 试排 除 故 障，修 改 程 序固 化 程 序应 用 系 统 独 立 运 行研 制 完 成图2.2 单片机应用系统的研制过程2.4 各模块的方案设计2.4.1 选择温度传感器器件1常用的热电传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感器等。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测： 式中，k波尔兹常数；q电子电荷绝对值。集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种，其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。电压型集成温度传感器一般是三线制，其温度系数约为10mV/，电流 型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为0.001 mV/K，常用的有LM134/234、TMP17、AK590、AD592等，电流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。本次设计用到电流型两线制集成温度传感器AD590（0时为0.2732mA）。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：（1）流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：Ir/T=1mA/K式中：Ir流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。（2）AD590的测温范围为-55+150。（3）AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。（4）输出电阻为710MW。（5）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为±0.3。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。2.4.2 选择单片机器件单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。选择器件时应考虑其性能是否满足设计需求，是否具有良好的技术支持和文档支持，是否具有良好的性价比等，其核心是单片机的选型。在大多情况下，理应选择性价比高的单片机及其它器件，但在某些特殊场合，当性能成为决定因素时，应以性能优先原则选择所需的单片机或其它器件。单片机一般分为51系列和52系列，本次设计用到的是52系列即8051单片机。在微机控制系统中，工业生产过程的被测控参数，如温度、压力、流量、液位、成份、速度等都是连续变化的量，习惯上称为模拟量，而计算机所需要的则是离散的数字量。因此，在过程控制及微机进行数据处理的系统中，必须首先把模拟量变成数字量。这样才能送到微机进行处理和运算，然后显示打印结果，或通过控制电路对现场进行控制。单片机控制的一般模式如图2.2。需测量现场集成温度传感器共射极放大器多路开关转换采样保持A/D单片机系统显示打印控制 图2.3 单片机用于测量控制系统原理示意图2.4.3 时钟电路设计、接口设计在许多的单片机系统中，通常进行一些与时间有关的控制，这就需要使用实时时钟。若再要求记忆用户的一些设置，还需要使用存储器。本系统采用一片DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS13 02和两片Intel公司的E2PR OM2 864芯片。DS 13 02 是一个实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，可通过简单的串行总线与单片机进行通讯，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可自动调整，包括闰年，有效期至2100年。可采用12h或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，芯片为8引脚小型DIP封装包括A/D接口、D/A接口、LED显示器接口等。单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的2.4.4 放大器的设计温度传感器的输出电压经过ISO100隔离放大(单增益)后，将输出电压送给测量放大器进行放大，以便放大后的输出电压和A/D转换器的量程相匹配。测量放大器的输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压、输入失调电流及输入偏置电流小，时间漂移小，因而稳定性好。它的共模抑制比大，适用于在大的共模电压背景下对微小差模信号的放大。它是一种高性能的放大器，常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其它有较大共模干扰下的本质上是直流缓变的微弱差模信号放大。本设计中选用了AD521，它是美国AD公司生产的第二代单片集成精密仪表放大器。AD521的特性参数如下(1) 可调范围为0.110000(2) 温度稳定性为士(3士0.05G) PPM/(3) 失调电压为0.5mV(4) 差模输入电阻为3×109W(5) 共模输入电压为6×109W(6) 温漂系数为1.5uV/2.4.5 A/D和D/A转换器设计21通常嵌入式单片机（MCU），由于设计用途的不同，并不是每一种都有A/D转换，即使有的带A/D转换，一般都是8位或10位分辨率，用户在使用这些芯片而又需要较高分辨率的A/D功能时，一般要外接专用的A/D芯片，如MAX110等。这些芯片虽然具有精度好、分辨率高，使用方便等优点，但价格很高，增大了系统成本，为此可使用各种A/D转换技术构成廉价的A/D。一般A/D转换常用以下四种方式：1 计算式A/D。速度慢，结构简单，价格低。2 双积分式A/D。精度高，速度慢，能消除干扰和电源噪声。3 逐次逼近式A/D。速度高。4 并行转换A/D。速度最快，但成本高。在与计算机相配接时，逐次逼近式A/D转换器使用最多，常用的有8位、10位、12位、16位等。位数越多，精度越高，价格也越高，应用时根据精度要求选用。常用的8位A/D转换器有ADC0801、0803、0804等型号，有的还带8位多路开关，如ADC0808、0809等。转换方式可分为两种：1 软件转换方式用A/D器件加上软件实现A/D转换。其特点是价格较低、速度慢、软件复杂。2 硬件转换方式直接用A/D器件，其特点是速度快、价格高、硬件简单。8位A/D启动转换转换结束P1 单片机 8031 8051 8751P20 INT 锁存器VINNA/D转换器硬件与单片机连接的方式如图2.4。图2.4 A/D转换器硬件与单片机连接的方式若A/D转换器中带锁存器，可与单片机直连；若A/D片中不带锁存器，则在单片机与A/D之间要家锁存器（如图2.3中显示），如74LS373等。至于进入单片机后的信号如何处理，则要根据测试控制要求来决定。控制可用位控方式，也可用D/A转换方式等。图2.5 A/D转换与51单片机的接口2.4.6 显示器及键盘的设计7单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器LED (Light Emitting Diode);液晶显示器LCD (Liquid Crystal Display);近年也有配置CRT显示器的。LCD和CRT器可进行图形设计，但接口比较复杂，成本也较高;LED显示器，价格便宜，配置灵活，与单片机接口方便，因此本设计中采用的是LED显示器。在电路中为8279扩展工/0控制的8位共阴极LED动态显示接口电路。由于所有8位段选线皆由一个1/0口控制，因此，在每一瞬间，8位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，记载每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制T/0口输出相应字符段选码(字型码)，而位选则控制工/0口在该显示为送入选通电平(因为LED为共阴，故应送低电平)，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。逐位轮流点亮各个LED，每一位停留lms，在10-20ms之内再一次点亮，重复不止，这样，利用人的视觉暂留好像六位LED同时点亮了。在此仪器的设计中，LED显示器的显示方式采用的是动态显示方式。在本设计中采用8279可编程键盘、显示器接口芯片。8279芯片是一种专用于键盘、显示器的接口器件，它能对显示器自动扫描，能识别键盘上闭合键的键号，提高CPU的工作效率。8279包括键盘输入和输出两部分。键盘部分提供扫描工作方式，可以和具有64个按键和传感器的阵列相连。能自动消除抖动以及对n键同时按下采取保护。显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号可显示多达16位的字符或数字由于显示所需电流比8279输出的电流要大，所以在显示器前端用7407驱动器对8279的输出电流进行放大。8279的中断请求信号线IRQ经反向驱动器74F04接至8031外部中断，这样，可通过中断方式对按键进行处理2.4.7 抗干扰措施 单片机应用系统的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，为提高系统的可靠性。抗干扰措施在硬件电路设计中显得尤为重要。 根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从以下方面考虑。1）电源供电系统为了克服电网以及自本系统其他元件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。2） 电路上的考虑为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施：(1) 大规模IC芯片电源供电端都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级供电节点还应加足够容量的退藕电容；(2) 开关量I/O通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连接的通道，一定要采取隔离措施；(3) 可采用CMOS器件提高工作电压（如+15V），这样干扰门限也相应提高；(4) 传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强；(5) 电路应有合理的