基于热电偶炉温测量系统设计(共46页).doc

《基于热电偶炉温测量系统设计(共46页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于热电偶炉温测量系统设计(共46页).doc（46页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上基于热电偶炉温测量系统设计摘要随着计算机技术的高速发展，单片机在测试领域的作用越来越大。本文设计的温度测量系统采用ADC812单片机作为控制中心，利用K型热电偶将温度转换成电信号，通过ADC812中的模/数转换芯片完成AD转换，同时用移位寄存器74LS164进行串行输入/并行输出实现温度的显示，并且系统可以对高温进行报警。其硬件结构简单、精度高，适合于各种温度测量系统。检测结果表明，系统最小区分温度为1。关键词：K型热电偶，AD590，ADC812，温度检测Design of the Temperature Measure System Based on Thermo

2、coupleABSTRACTA temperature detection system based on ADC812 is designed in the alarm system as the wide applications of MCU in testing fields. That conversion from Temperature to electric signals is realized by K-type thermocouple, and A/D is completed by ADC812 and temperature display implemented

3、by shift register 74LS164.Itll alarm when it is high temperature. The structure of the hardware is very simple, high-precision and suitable for all kinds of temperature measure system. The result of the test shows that the minimum distinguished temperature of the system is 1.KEY WORDS: K-type thermo

4、couple,AD590, ADC812,temperature measure专心-专注-专业目 录第1章 设计背景及研究意义1.1 设计课题的提出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。采用ADC812单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的精度技术指标，从而能够大大提高产品的质量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问

5、题。本课题是利用该单片机设计出一种基于K型热电偶的炉温测量系统。1.2 温度测量系统的开发背景温度测量是一门应用极广的技术，无论在现代工业赖以生存和发展的能源动力工程中，还是在诸如大规模集成电路、生物技术、航天科技等新兴技术领域中，或者在与人们日常生活密切相关的冶金、材料、食品等行业中，都发挥着巨大的作用。它不仅为节约能源、提高设备热效率和发掘新材料等众多领域带来巨大的经济效益，而且对进一步保护环境、促进和保持一个国家和地区的可持续发展产生巨大影响。随着国民经济的发展，对各种工业产品及电力能源的需求量越来越大。从传统的能源消费情况来看，中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。我国大部分的电站锅炉

6、、工业炉窑与工业锅炉是以煤炭作为主要能源的。每年我国仅发电与其它工业耗煤就占了煤炭总消费量的2/3左右，年耗标准煤4亿吨以上。然而传统的燃煤方式和煤炭加工过程比较落后，许多设备仍采用老式的控制装备，其控制精度低、可靠性差，对炉膛火焰的温度分布等参数缺乏精确的检测和控制，这是造成燃烧不充分及燃料浪费的重要原因之一。而燃烧产物，尤其是不良燃烧物的排放，将会造成严重的大气污染。因此，锅炉燃烧监测与控制的研究和改进对工业生产具有重要的现实意义。1.3 开发温度测量系统的目的及意义随着国民经济的日益发展，对电力的需求量越来越大。我国电站中采用火力发电占有很大比例，在火力发电中锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内

7、建立并保持稳定、均匀的燃烧火焰。燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最直接的反映。燃烧不稳定不仅会降低锅炉热效率，产生污染物，在极端的情况下可能引起锅炉炉膛灭火，如处理不当就会引发炉膛爆炸，造成严重的人身及设备事故。为了预防这些危害，就必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。为了实现火焰燃烧控制系统的自动化运行，需选取一些能够及时表征燃烧过程的热物理参数来反映设备的运行工况。采用火焰温度场作为控制参数，具有明显的优越性。因为燃料量的扰动首先会引起燃烧放热的变化，燃烧火焰温度场的瞬态变化直接体现了燃烧过程的稳定性，温度场分布与燃烧效率、气体污染物排放以及炉膛出口未燃尽碳损失都有重要关系。工业炉的结构、加

8、热工艺、温度控制等，都会直接影响加工后的产品质量。因此温度是锅炉生产蒸汽质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。同时，温度也是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。因此温度检测对于保证锅炉的安全、经济运行，提高蒸汽产量和质量，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件具有极其重要意义，在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。本论文以上述问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、报警。本设计方案具有较高的测量精度，更加适合对温度精度要求较高的化工生产、电力工程等行业，并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果。1.4 形成温度测量系

9、统的主要内容温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器通常由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来的。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有: 膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。最简单的温度测量系统是由温度传感器及和温度显示仪表组成的，而较完善的温度测量系统是由温度传感器、温度显示仪表和温度记录仪表组成，或者还将温度信号经转换器转换为统一的电信号经过微机控制处理形成一个闭环的系统来实现对温度的精确测量与控制。如图1-1所示：给定值温度被

10、测对象温度传感器温度显示仪表温度转换器微机控制器图1-1 温度测量系统的构成第2章 系统方案的设计本次毕业设计题目为基于热电偶的炉温度测量系统的要求为：1.测量温度范围为05002.温度显示为05003.测得值大于设定的温度报警这个炉温测量系统的测量过程是：单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换后得到相应的数字电压量，显示出当前温度值，并且与设定值相比较，若超过该设定温度值就报警。如图2-1所示：调理电路LED显示温度传感器ADC812转换报 警图2-1 系统构成图由该过程图可以知道我们进行系统设计时应注意： 1.温度测量范围：0500，这就涉及到测温元件的选择与调理电路的设计等。2.测量精度

11、、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。温度传感器将外部温度转换为模拟电流信号，接着调理电路中的信号放大器将电流信号转换成电压信号并自动调整信号的增益大小，使得信号在单片机中的A/D转换芯片的量程范围内放大，在单片机的控制下，A/D转换芯片完成信号的A/D转换，然后将转换后的数字信号与设定值数据比较和BCD码转换成实际温度值，最后利用数码管对当前温度显示和报警。第3章 硬件的设计3.1 信号的采集电路3.1.1 热电偶的选择两种不同的导体A和B连接在一起，构成一个闭合回路，当一端温度为T0，另一端温度为T（假设TT0），这时回路中就有电流或EAB(T,T0)热电势产生，其大小可

12、由测量电路测出。利用热电效应可以测量物体的温度。我们把闭合回路称为热电偶。A、B导体称为热电极，T接触点为热端，又称工作端；T0接触点为冷端，又称参考端。测温时，将热端放置在被测温度为T的介质中，而冷端接入电测仪表，可通过电测仪表测量热电偶回路中的热电势。热电偶就是通过测量热电动势来实现测温的1。图3-1 热电偶示意图在实际测温时，被测对象是很复杂的。应在熟悉被测对象、掌握各种热电偶特点的基础上，根据使用环境、温度的高低等因素正确地选择热电偶。首先，根据使用温度t。当t1000时多选用廉金属热电偶，如K型热电偶。它的特点是使用温度范围宽，高温下性能比较稳定；其次，是使用环境。当t1300时，多

13、选用N或K型，它是廉金属热电偶中抗氧化性最强的热电偶；最后，就是根据参考端温度来选择。当t1000时，可选用镍钴-镍铝廉金属热电偶。参考端温度在0300范围内时，可忽略其影响。根据课题要求及测量的环境参数，发现K型热电偶具有测温范围宽、线性度好、热电势率比较高、灵敏度高、抗氧化能力较强，在还原与氧化气氛中输出热电动势均较稳定这些优点，因此它是一种最通用的适于1300以下温度测量的热电偶2。K型热电偶测温的参考函数为： （3.1） 式中，E为电动势，单位为mV，为摄氏度；，为有关系数，此函数覆盖01372温度范围3。而该系统要求的温度范围为0500，通过计算得出0时E0=0mV，500时E500

14、=22.33mV，因此输出电动势范围为：0mV22.33mV。得出了这个范围，就可以设计出相对应的调理电路来进行信号的调理。对于K型热电偶，电压变化率为41，电压可由线性公式： （3.2）来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），tR是测量点温度；tAMB是周围温度4。3.1.2 热电偶的标度变换采用K型镍铬镍硅热电偶，测量温度范围为0500，热电偶输出的热电势为022.33mV，经放大变为05V的直流电压A/D转换，从而得到与被测温度对应的数字量，供计算机调用。因此必须通过一定的处理，将数字量转换成具有不同量纲的物理量。基本原理为5: （3.3）式中：A0一次测量的下限

15、Am一次测量的上限 Ax实际测量值 N0下限对应的数字量 Nm上限对应的数字量 Nx实际测量值对应的数字量3.1.3 热电偶的补偿方法热电偶测温时，热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。只有在热电极材料一定、冷端温度T0保持不变的情况下，其热电势EAB(T,T0)才是其工作温度T的单值函数。热电偶分度表中的热电势是在冷端温度T0=0的条件下测得的，只有满足T0=0的条件，才能直接应用分度表。但是在工程测量中，冷端温度不是0或常随环境温度的变化而变化，这样将引入测量误差。由热电偶的作用原理可知， 热电偶的热电势的大小， 不仅与测量端的温度有关， 而且与参比端(冷端) 的温度有关。写成关系式

16、为: （3.4）式中，E(t,0)为热电偶的测量端温度为t，参比端温度为0时的热电势；E(t,t0) 为热电偶的测量端温度为t，参比端温度为t0时的热电势，也就是热电偶两端实际的热电势值；E(t0,0)为热电偶的参比端温度为t0时所应加的校正值(或冷端处理值)。所以，必须采取一些措施来修正或补偿。下面介绍一下热电偶的各种冷端补偿方法6。1. 冷端冰点法此方法是将热电偶的冷端放置于冰水混合物的冰槽中，使冷端处于0 状态，如图3-2 所示。这样，可使热电偶输出的热电势与热电偶分度表一致。该方法简单易行，补偿精度高，但冰水混合物不易保存，常用于实验室高精度测量中。图3-2 冷端冰点法2. 电桥补偿法

17、采用不平衡电桥进行冷端补偿的方法如图3-3所示。RG 采用温度系数大的铜电阻，其余电阻R1、R2、R3采用温度系数小的锰铜电阻。电路设计时，一般使电桥在20或0处于平衡状态，此时电桥无电压输出。当温度变化时，RG阻值变化，电桥输出补偿电势，此电势与热电偶的热电特性相似，即可对冷端进行自动补偿。图3-3 电桥补偿法3. 半导体PN结补偿法半导体二极管或者三极管PN 结的温度特性广泛应用于冷端补偿技术中。PN结在-100+ 100范围内，其端电压与温度有理想的线性关系，温度系数约- 2. 2mV/。因此是理想的冷端补偿器件。图3-4是一种用二极管作冷端补偿的电路。图中D是用作补偿器件的二极管，其正

18、向压降随温度呈线性变化，补偿电势由R和W分压得到。采用二极管作冷端补偿，精度可达0. 30. 8。采用将基极和集电极连接使用的三极管时，补偿精度可达0.050. 2。图3-4 半导体PN结补偿法4. 集成温度传感器补偿法集成温度传感器不仅可用于温度测量，而且也可用于热电偶冷端补偿。大多数集成温度传感器的输出电信号随温度的变化具有良好的线性特性，可作为理想的冷端补偿器件。利用集成温度传感器的补偿电路较多，这里仅举两例。图3-5为集成温度传感器AD590用于热电偶冷端补偿的一个例子。AD590 为电流输出型器件，其输出电流与绝对温度成正比，工作温度范围为-55+ 150。图中AD590 的输出电流

19、在R1上转换为所需的补偿电势，放大器负端提供的电压V-将补偿电势所对应的绝对温度转换成摄氏温度。图3-6为另一种集成温度传感器LM134 用于热电偶冷端补偿的例子。LM134 为三端可调恒流源器件，其输出电流与摄氏温度成正比。图中调节R1 可调节LM134的输出电流的大小，输出电流在R2 上转换为所需的补偿电势。图3-5 AD590用于热电偶冷端补偿图3-6 LM134用于热电偶冷端补偿5. 数字化补偿法微机技术的运用，使热电偶冷端补偿的数字化成为可能。数字化补偿的方法如图3-7 所示。将测温电路中的温度传感器与热电偶冷端置于同一温度环境中，则可获得与冷端温度相对应的电信号，该信号通过电子开关

20、和A/ D 转换送入单片机，可测得热电偶冷端处的温度t0 。然后再将热电偶输出的热电势通过电子开关和A/D 送入单片机，测出一温度值t，该温度即热电偶测量端和冷端的温差，将t0 和t相加即得到需要测量的真实温度。该方法的补偿精度和补偿范围完全取决于测温电路的性能，按现有的技术水平很容易获得很高的补偿精度和很宽的补偿范围，而且测温电路的热电特性无需和热电偶的热电特性一致，大大提高了冷端补偿技术的方便性和灵活性。图3-7 数字化补偿在上述各种补偿方法中，方法2、3、4均属于模拟补偿法，其特点是简单易行，成本较低，但补偿精度较低(0.51) ，补偿范围不大(050)，一般能满足工程测温的要求。数字化

21、补偿技术设计复杂，价格较高，其补偿精度高(0.02)，补偿范围宽，可用于精确测温的场合中。因此，由在这些修正方法中的比较，选择了AD590对热电偶进行冷端补偿。AD590式电流输出性集成温度传感器，国内同类产品型号为SG590。实际中通过对电流的测量即可得到相应的温度数值。AD590后缀以I，J，K，L，M表示，实质上指特性不同和测量温度范围不同。其外形、电路符号如图3-8所示。图3-8 AD590外形、电路符号AD590主要技术参数为：工作电压:430V 工作温度:-55+150保存温度:-65+175 焊接温度(10秒):300正向电压:+44V 反向电压:-20V灵敏度:1A/K 输出电

22、阻:710MAD590基本工作原理：在被测温度一定时，AD590实质上相当于恒流源，把它与直流电源相连，并在输出端串接一个标准10K的电阻，结果此电阻上流过的电流与被测热力学温度成正比，电阻两端将会有10mV/K的电压信号。它的内部电路如图3-9，利用晶体管的阻抗变换特性使集电极获取高阻抗电流输出， 并通过串接阻抗很大的负载把信号放大， 使电路的总电流与温度系数很小的电阻中的电流成固定比例关系。T1， T2， T3，T4 的发射极连在一起接到R1上，T6 的发射极则接到 R2上。这使流过T1T4的总电流与流过T6 的电流之比更好地符合4: 1，克服了因T6集电极电位与其它NPN管集电极电位不同

23、而引起的误差。在T7的集电极回路中增加了一个二极管接法的PNP管T5，它的作用除了与T6对称以平衡T7 和T8的集电极电压， 以减小T7和T8基区调制效应引起的误差之外，还对器件提供了很好的保护作用。T12是一个结型场效应管，实际上是一个高值电阻。它的作用是保证电路在接上电源时能可靠地启动。流过T12的电流最后也流过T10，因此不会产生附加的误差电流。电容C和电阻R3、R4 是为了防止寄生振荡。T8，T11是产生基射电压正比于绝对温度的晶体管，R5、R6将电压转换电流。T10的集电极电流跟踪T9和T11集电极电流，它提供所有的偏置及电路其余部分基底漏电流，从而迫使总电流正比于绝对温度。基本电路

24、如图3-10所示7。图3-9 AD590的内部电路图3-10 AD590测量电路AD590集成温度传感器应用相当广泛，在工程上主要应用测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度等。因此，不仅广泛应用在日常生活中，更重要大量应用在工业自动化控制系统以及自动检测过程控制系统。另外，由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和温度检测和控制领域以及测温和热电偶的冷端补偿8。3.1.4 单片机ADC812（1）主要功能9模拟I/O8 通道，高速12 位ADC片内100 ppm/C 的电压参考源速度高达200 kSPSADC 至RAM 高速捕获型DMA 控制器2

25、 个12 位电压输出DAC拥有片内温度传感器存储器8 K 字节片内闪速/ 电擦除程序存储器640 字节片内闪速/ 电擦除数据存储器256 字节的片内数据RAM16 M 字节的外部数据地址空间64 K 字节的外部程序地址空间基于8051 的内核标称的12 MHZ 工作频率( 最大16 MHz)3 个16 位定时器/ 计数器高电流驱动能力端口端口39 个中断源，2 个优先级电源运行于指定的3V和5V电压下正常模式，空闲模式和掉电模式片内外围设备UART 和SPI串行I/O双线(400 KHz I2C兼容) 串行I/O看门狗定时器(WDT)ADC812是一个完全集成的12位数据采集系统，在一个芯片内

26、结合了高性能的自校准多通道12位ADC，双12位DAC和可编程8位微控制器。片内的8K字节闪速/电擦除存储器、640字节片内闪速/电擦除数据存储器和256字节的片内数据静态存储器均由可编程8051兼容内核控制。另外微控制器具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA功能，为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、I2C兼容的SPI和标准UART串行口I/O等。其功能框图如图3-11所示10：图3-11 ADC812的功能框图（2）ADC812的资源占用问题ADC812具有3个16位定时器/计数器，即：定时器0、定时器1和定时器2。每一个定时器/计数器包含2个8位寄存器THX和

27、TLX（X0，1和2）。所有3个定时器/计数器均可配置作为定时器或计数器，此功能和普通单片机相同。由于与其他单片机不同，ADC812具备在线调试功能，因此，芯片处于在线工作状态下某些功能将会受到限制。这是因为在线调试时，计算机和芯片之间的通信占用一定的资源所导致。经实践证明，定时器1就是被占用的资源之一。若用户在线调试的程序中使用了定时器1，则无论是设断点调试，还是单步或连续运行，都会有程序无法执行的情况发生。但若将程序中的定时器1屏蔽掉，则程序能正常运行，实现用户预定的功能。当然，在线调试程序时可以使用定时器0和定时器2，因它们未被占用。虽然在线调试时，定时器1无法使用，但并不意味着用户不能

28、在用户系统中利用该定时器。用户可先将预定功能用定时器0实现，在调试通过之后，再改用定时器1来实现；也可直接用定时器1实现，但只能盲调，因程序必须下载后脱机运行。（3）A/D转换器的使用问题ADC812内集成的ADC转换模块，包含了8通道、12位、单电源A/D转换器，这些A/D转换器是由基于电容DAC的常规逐次逼近转换器组成的，接收的模拟输入范围为0至VREF（2.5V）。另外，此模块还为用户提供片内基准、校准特性，模块内的所有部件能方便地通过3个寄存器SFR接口来设置。总之，ADC812的ADC模块具有与一般ADC芯片相比拟的性能，并且操作简单、可靠性高，采集速率可高达200kHz。A/D转换

29、器的2.5V基准电压既可由片内提供，也可由外部基准经VREF引脚驱动。若使用内部基准，则在VREF和CREF引脚与AGND之间都应当连接100F电容以便去耦。这些去耦电容应放在紧靠VREF和CREF引脚处。为了达到规定的性能，建议在使用外部基准时，该基准应当在2.5V和模拟电源AVDD之间。由于片内基准高精度、低漂移且经工厂校准，并且当ADC或DAC使能时，在VREF引脚会出现此基准电压。因此，在进行系统扩展时，可将片内基准作为一个2.5V的参考电源来使用。若要把片内基准用到微转换器之内，则应在VREF引脚上加以缓冲并应在此引脚与AGND之间连接100F电容。在实际应用中应当特别注意，内部VR

30、EF将保持掉电直到ADC或DAC外围设备模块之一被它们各自的使能位上电为止。与其他ADC芯片相比，ADC812的ADC模块有一个缺点，就是ADC正常工作的模拟输入范围为0+2.5V；而允许输入的电压范围只能为正电压（0+5V）。经实验证明，若输入的模拟电压超过+2.5V（最大值为+5V），ADC的采样结果为最大值（0FFFH），虽然结果不对，但并没有影响ADC812正常工作；但是，一旦输入负的模拟电压，则会影响ADC812正常工作，表现为ADC的基准电压（VREF+2.5V）消失和采样结果不正确，且若长时间输入负电压，将有可能损坏芯片。因此，在实际应用中，若发现启动ADC之后VREF端无电压，

31、则应立即将芯片复位，并检查模拟输入信号的采集放大部分。在确保进入ADC812的模拟信号在0+2.5V范围内之后，才能再次启动ADC。实际应用时，应保证输入的模拟电压为正电平。ADC812由于自身带有12位的AD、DA转换，这就大大简化了测量系统。所以直接需要对输出模拟电压进行调理。3.1.5 调理电路由于来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），因此一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称、运算放大器具有理想特性。否则放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80d

32、B，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100120dB。所以，对于测得的值采用双运放高共模抑制比放大电路调理，既可以能抑制共模电压，又可以将测得值放大。其电路如图3-12所示：图3-12 调理电路由上述分析可知， 而此双运放高共模抑制比放大电路需要将信号放大200倍。即根据这个，可以选取R1=1 M，R2=5 K。3.2 复位电路系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。如图3-13所示RC复位电路：当复位开关闭合时，能提供一个高电平给单片机R

33、ESET，使其复位；当断开复位开关时，撤销复位信号。图3-13 复位电路单片机复位电路有多种，上图为基本复位电路，高电平手动复位，C2可避免高频谐波对电路的干扰。该复位电路简单易行，但缺点是在遇到较强干扰或瞬间断电时，复位端电平随电容器充放电特性变化，往往电源电压低至RAM区数据不能保持时，复位端电容器上仍储有相当的电荷，致电源电压恢复时复位端不能产生复位信号而出现“死机”或“程序跑飞”。3.3 串行通信电路3.3.1 串行通信串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的。它的优点是只需一对传输线进行传送信息，因此其成本低，适用于远距离通信；它的

34、缺点是传送速度低。串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在50到19200 波特之间，是比较常用的传送方式。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行帧的数据格式由一位起始位，58位的数据位，一位奇偶校验位 (可省略) 和一位停止位四部分组成。在串行通信前，发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率(通信协议) 。几乎所有的ADC812的应用设计都要利用器件在线编程的特点。在线编程须要利用ADC812的UART（通用异步串行接口）。如果从PC机下载程序代码到ADC812，须要外接一个RS-232实现电平转换11。3.

35、3.2 RS-232C标准RS - 232C是美国电子工业协会( EIA)正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。该标准适用于DCE和DTE间的串行二进制通信，最高数据传送速率可达19. 2kbps，最长传送电缆可达15米。RS-232C标准定义了25根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD，串行输出TXD和地线GND。RS-232C标准的电平采用负逻辑，规定+3V+15V之间的任意电平为逻辑“0”电平，-3V-15V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平是不同的。在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与R

36、S-232C标准的电平匹配。MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。3.3.3 MAX232芯片介绍MAX232 芯片是MAXIM 公司生产的低功耗、单电源双RS232 发送/ 接收器。适用于各种EIA -232E 和V. 28/ V. 24 的通信接口。MAX232 芯片内部有一个电源电压变换器， 可以把输入的+ 5V电源变换成RS - 232C 输出电平所需10V 电压， 所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V 电源就可以。MAX232 外围需要4个电解电容C1、C2、C3、C4，是内部电源转换所需电容。其取值均为1F/25V。宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。C5为0. 1F的

37、去耦电容。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT 为接TTL/ CMOS 电平的引脚。引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN 为接RS - 232C电平的引脚。因此TTL/ CMOS 电平的T1IN、T2IN 引脚应接MCS- 51 的串行发送引脚TXD； R1OUT、R2OUT 应接MCS - 51 的串行接收引脚RXD。与之对应的RS -232C电平的T1OUT、T2OUT 应接PC 机的接收端RD； R1IN、R2IN 应接PC 机的发送端TD12。3.3.4 串行接口电路采用MAX232 接口的硬件接口电路如图3-14所示。图3-14 串行通信接口现选用其

38、中一路发送/接收。R1 OUT接ADC812的RXD ， T1 IN 接ADC812的TXD。T1 OUT、R1 IN 接9针串口连接器，用以实现RS232通信的连接。因为MAX232 具有驱动能力， 所以不需要外加驱动电路。3.4 显示电路显示电路采用了74LS164这个串入并出的移位寄存器，图3-15给出了串行口扩展的4位共阳LED显示接口电路，配接了4片串入并出移位寄存器74LS164。其中74LS164的引脚Q0Q7为8位并行输出端，分别接在LED显示器的hgfedcba各段对应的引脚上。引脚A、B为串行输入端，引脚CLK为时钟脉冲输入端，在CLK脉冲的上升沿作用下实现移位，在CLK=

39、0、清除端时，74LS164保持原来数据状态；时，74LS164输出清零。把单片机的P3.5口作为虚拟数据（DATA）输出端口，P3.6口作为虚拟移位时钟（CLOCK）脉冲输出端口。74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。图3-15 显示电路图其工作过程如下：串行数据由P3.5同步发送，移位时钟由P3.6送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。4片74LS164分别连接到4位LED显示器的段选端作静态显示。但是由于74LS164无并行输出控制端，所以在串行输入过程中，它的输出端状态会不断变化，会造成不应显示的字段仍有较暗的亮度

40、，影响了显示的效果。3.5 报警电路在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示， 供操作人员参考，了解系统的工作状况。但是对于某些紧急状态，比如系统检测到的错误状态等，为了使操作人员不至于忽视，及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意，提起警觉的报警信号。这种报警信号通常有三种类型：一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能直接给出警报种类的信息。其中，前两种报警装置因硬件结构简单，软件编程方便，常常在单片机应用系统中使用；而语音报警虽然警报信息较直接，但硬

41、件成本高，结构较复杂，软件量也增加，在本系统中使用了闪光报警。报警电路的作用主要是在温度超过设定的温度值或低于下限温度时，报警子程序就会控制报警信号的输出。温度低于或高于设定的温度值范围时，单片机P3.4会发出低电平信号，此时报警电路才可以导通，并且发光二极管就可以导通并发光报警。报警电路如图3-16所示：图3-16 报警电路第4章 软件的设计4.1 软件实现方法软件设计主要是单片机语言部分。单片机语言程序部分采用模块化程序设计方法，采用C语言编写，利用Keil Vision3软件编写调试。主要包括：初始化程序、主控程序、数据采集及转换程序、显示程序、报警功能块等。整个单片机部分的软件运行由主

42、控程序操作完成，是整个系统的总调度，负责整个系统的控制和各个子程序的调用。系统通电后，先对单片机及外围芯片的内部资源进行初始化设置和自检工作，在正常情况下(不正常，则显示出错信息)，提示操作人员输入命令，根据操作员的命令调用相应的子程序模块。数据采集与转换模块完成数据的采集与转换工作，负责通知单片机读取转换数据，对各路温度值进行检测，并进行数据处理、显示、存储等工作，为了消除外接模拟通道中的随机干扰，在数据处理中采用了算术平均值滤波法。显示程序完成了测量结果由LED显示出来，而报警程序完成了通过测得数据与系统最初设定值的比较来控制报警电路的导通使发光二极管发光达到报警的作用。系统设定比较的温度

43、值为400，当启动系统工作时，温度检测系统不断定时地去检测两个通道的温度，可以得到两个电压值，一个为热电偶测得的电压值，另一个是由集成温度传感器AD590测得的当前室温的电压值。通过单片机内部自带的AD转换芯片将模拟信号转换成数字信号并且由分辨率得出十进制的温度值，由于K型热电偶测得的电压值经过了一个双运放高共模抑制比放大电路的放大作用，因此需要将热电偶测得的温度值还原成真正的温度值，然后计算出补偿后的温度值并且由4位LED数码管显示出来，同时将最终的温度值与设定值400相比较，当测得的温度值高于400设定值时，单片机的P3.4口置0导通报警电路，同时发光二极管道通发光。这样不断重复上述过程，

44、使系统具有测量炉温并且对高温报警的功能。4.2 总体程序流程图温度测量程序的设计应考虑如下：1）炉温采集；2）数据处理；3）温度显示；4）高温报警。主程序包括单片机ADC812本身的初始化等等。具体来说，本程序包括了显示缓冲区清零、设定温度初值、温度采样、温度显示和报警。主程序的框图如图4-1所示。在主程序中首先设定温度比较的参数初值，然后单片机开始采样两个通道的温度值，再通过循环显示出当前的温度，软件设定定时器T0为5秒定时，以用来采集经过AD转换的温度信号。YN开始系统初始化设定参数初值温度采样报警大于设定初值？温度显示计算温度图4-1 主程序框图主程序：void main() char

45、adc; while(1) a=adc(0); /*采集0通道热电偶数据*/ b=adc(1); /*采集1通道AD590数据*/ a=a*5/4096; b=b*5/4096; u=a/200; T=u/41+b/10-273; /*AD采样值转换为实际温度*/ if(T=A&T=0) /*判断测得温度是否高于设定温度值A* / alarm();else LED=1; /*若不高于A，则不报警*/display(T); /*显示当前温度*/ 4.3 子程序清单4.3.1 温度采集子程序为提高数据采样的可靠性，需要对连续采样的温度数据进行数字滤波处理。数字滤波的算法很多，这里连续取N个采样值进行算术平均运算：N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。它的优点是适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动，但是对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控