烘干爐溫度檢測系統(tǒng)

1、1 引言1.1 課題設(shè)計的目的和意義在工業(yè)生產(chǎn)中，涂裝工藝占據(jù)著舉足輕重的地位。烘干又是涂裝工藝的三大主要工序之一，它使液態(tài)（濕態(tài)或粉態(tài)）的涂膜快速轉(zhuǎn)化為固態(tài)的漆膜，對生產(chǎn)效率、涂層質(zhì)量和涂裝成本等有直接的影響。在干燥固化過程中，烘干爐內(nèi)各點的溫度是否能保證在規(guī)定的工藝要求范圍內(nèi)，將對被涂裝的材料、產(chǎn)品、工件的質(zhì)量，降低能耗，以及提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重要的影響，而且隨著整機(jī)度的提高和元件的微型化、復(fù)雜化，在各種工業(yè)過程中對溫度工藝的要求越來越高。而我國目前采用的傳統(tǒng)的定點式烘干爐測溫方法已經(jīng)顯得比較落后，無法滿足生產(chǎn)工藝對溫度測量的要求。因此，本文提出了一種新型的爐溫檢測系統(tǒng)，即：烘干爐

2、溫度自動檢測系統(tǒng)。近年來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片微型計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與成熟，給烘干爐爐溫的檢測提供了有力的技術(shù)支持。由此，本烘干爐溫度自動檢測系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)對爐溫及爐內(nèi)工件的溫度進(jìn)行采集和處理，監(jiān)控烘干爐的熱加工過程以及產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，并實時顯示溫度值。該系統(tǒng)能夠?qū)娓蔂t的溫度進(jìn)行實時的檢測，以保證烘干爐的溫度處于合理的范圍之內(nèi)，便于生產(chǎn)的正常進(jìn)行，并且優(yōu)化了生產(chǎn)過程，提高烘干爐熱加工的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低能耗。由于目前國內(nèi)在烘干爐溫度檢測領(lǐng)域尚處于比較落后的階段，而隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種工業(yè)過程對溫度工藝的要求也越來越高，因此，需要采用更高性能的溫度檢

3、測系統(tǒng)。然而，從國外進(jìn)口的該類產(chǎn)品，其性能雖能滿足溫度工藝的要求，但其價格確實十分昂貴，一般企業(yè)難以承受，限制了它的推廣和應(yīng)用。研制烘干爐溫度自動檢測系統(tǒng)，可以把國外的先進(jìn)技術(shù)和方法引入我國，大大降低我國烘干爐熱加工產(chǎn)品的成本和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，改變我國熱加工領(lǐng)域測溫技術(shù)相對落后的現(xiàn)狀，推動我國烘干爐溫度檢測技術(shù)的發(fā)展，同時該課題的研究對經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會效益以及工程技術(shù)都有極其深遠(yuǎn)的意義。1.2 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題溫度檢測是一種利用微機(jī)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、和數(shù)據(jù)分析處理的一門新技術(shù)，是在生產(chǎn)過程中記錄和說明熱加工產(chǎn)品與空氣溫度關(guān)系的技術(shù)，檢測得到的數(shù)據(jù)被顯示為圖表或數(shù)字。由

4、于在很多工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度都是很重要的控制指標(biāo)，所以，溫度檢測技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。國外的溫度檢測技術(shù)起于80年代，其先進(jìn)的技術(shù)可以以1984年成立的英國達(dá)塔帕克公司為代表。該公司于1985年首次生產(chǎn)出溫度檢測的產(chǎn)品，是溫度檢測技術(shù)的開拓者。目前它的產(chǎn)品已遍布世界各地，主要生產(chǎn)精加工工業(yè)用烘干爐溫度追蹤儀、電子工業(yè)用回焊追蹤儀、熱處理工業(yè)用高溫爐溫追蹤儀、陶瓷工業(yè)用爐窖溫度追蹤儀、食品加工業(yè)用的多功能溫度追蹤儀等。國外的溫度檢測技術(shù)除了在理論上進(jìn)行的研究外，在實踐中更是日益成熟。國際上，另一個在該領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)代表就是波蘭，早在1992年就利用連續(xù)溫度監(jiān)測法預(yù)報煤井的瓦斯?fàn)顟B(tài)。國外的溫

5、度檢測技術(shù)從普通的室溫監(jiān)測到高溫監(jiān)測技術(shù)，從遙感檢測技術(shù)到各種爐膛的內(nèi)部監(jiān)測技術(shù)，正隨著新技術(shù)的出現(xiàn)而不斷更新和發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步和計算機(jī)檢測技術(shù)的發(fā)展，我國從90年代開始對溫度監(jiān)測進(jìn)行理論上的研究，在生產(chǎn)實踐中也進(jìn)行了一系列的應(yīng)用。比如在2001年杭州商學(xué)院計算機(jī)與信息工程系用vb6.0開發(fā)出糧庫監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測軟件，利用微機(jī)來實現(xiàn)串行通信、數(shù)據(jù)處理的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。然而我國采用的烘干爐溫度檢測方法一般是定點測量，即在爐內(nèi)留出測量孔，把傳感器通過測量孔伸到爐膛內(nèi)，對溫度進(jìn)行測量。這種測量方法的缺點是測量孔多了將影響烘干爐的保溫性能，而且，它所測量的溫度，在烘干爐長度區(qū)間分布上不是連續(xù)的量，且存

6、在測量死區(qū)，另外，它無法測量烘干爐內(nèi)產(chǎn)品自身的溫度。由于在工業(yè)現(xiàn)場的外部環(huán)境很不好，抗干擾問題就成為計算機(jī)檢測技術(shù)中必須要解決的問題，而我國在此方面的技術(shù)與國外相比還存在較大差距1。1.3 單片機(jī)技術(shù)簡介1.3.1 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展所謂單片機(jī)是指在一塊半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器（cpu）、存儲器和各種輸入、輸出接口（定時器/計數(shù)器，并行i/o口，串行口，a/d轉(zhuǎn)換器以及脈寬調(diào)制器pwm等），即在這樣一塊芯片上能實現(xiàn)一臺微型計算機(jī)的基本功能，因而被稱為單片微型機(jī)，簡稱單片機(jī)。1970年微型計算機(jī)研制成功之后，隨著就出現(xiàn)了單片機(jī)。美國intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機(jī)4004和1972年生產(chǎn)

7、的雛形8位單片機(jī)8008，特別是1976年mcs-48單片機(jī)問世以來，在短短的二十幾年間，經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，其發(fā)展速度之快，應(yīng)用范圍之廣，她已滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。從8位單片機(jī)算起，其發(fā)展歷史大致如表1-1所示。盡管目前單片機(jī)的品種很多，但其中最具典型性的當(dāng)數(shù)intel的mcs-51系列單片機(jī)。mcs-51是在mcs-48的基礎(chǔ)上于80年代初發(fā)展起來的，雖然它仍然是8位的單片機(jī)，但其功能有很大的增強(qiáng)。由于philips、atmel、welbord、lg等近百家ic制造商都主產(chǎn)51系列兼容產(chǎn)品，具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點。因此，mcs-51系列應(yīng)用非常廣泛。國內(nèi)尤以int

8、el的mcs-51系列單片機(jī)應(yīng)用最廣。由于8位單片機(jī)的高性能/價格比，估計近十年內(nèi)，8位單片機(jī)仍將是單片機(jī)中的主流機(jī)型。表1-1 單片機(jī)的發(fā)展歷史年代代表產(chǎn)品特 點應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具70年代中后期mcs-8048采用23半導(dǎo)體工藝，8位cpu，尋址能力小于4k字節(jié)仿真器80年代8051系列6805系列intel的96/98系列采用23半導(dǎo)體工藝，8位或16位cpu，尋址能力小于4k字節(jié)仿真器、匯編器、編程器90年代intel的8196/296、251/930；philipsp51xa;siemens166/167系列;日立的5h3系列采用0.80.25半導(dǎo)體工藝，8位、16位或32位的cpu，或

9、32位的內(nèi)部總線，芯片采用流水線結(jié)構(gòu)及寬總線結(jié)構(gòu)，尋址能力1632m字節(jié)由rtos+compliler+ice組成的開發(fā)平臺，其中rtos，即實時多任務(wù)操作系統(tǒng)；compliler：基于嵌入式系統(tǒng)的工程語言編譯器；iec：即實時在線仿真器1.3.2 單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及設(shè)備的小型化、智能化發(fā)展，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以體積小、功能強(qiáng)、價格低廉、使用靈活等優(yōu)勢，顯示出很強(qiáng)的生命力。它和一般的集成電路相比有較好的抗干擾能力，對環(huán)境的溫度和濕度都有較好的適應(yīng)性，可以在工業(yè)條件下穩(wěn)定工作。且單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，提高它們的測量

10、速度和精度，加強(qiáng)控制功能；單片機(jī)也廣泛應(yīng)用于實時控制系統(tǒng)中，例如對工業(yè)中各種窖、爐的溫度、酸度、化學(xué)成分的測量和控制。將測量技術(shù)、自動控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)處理和實時控制功能，使系統(tǒng)工作處于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。從航空航天、地質(zhì)石油、冶金采礦、機(jī)械電子、輕工紡織等行業(yè)的系統(tǒng)分布與智能控制以及機(jī)電一體化設(shè)備產(chǎn)品的到郵電通信、日用設(shè)備和器械，單片機(jī)都發(fā)揮了巨大作用2。其應(yīng)用大致可分為以下幾個方面：1. 工業(yè)自動化在自動化技術(shù)中，無論是過程控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集還是測控技術(shù)，都離不開單片機(jī)。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，機(jī)電一體化技術(shù)將發(fā)揮愈來愈重要的作用，在這種集機(jī)械、微電

11、子和計算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)中，單片機(jī)將發(fā)揮非常重要的作用。2. 智能儀器儀表目前對儀器儀表的自動化和智能化要求越來越高。在智能儀器儀表中，單片機(jī)應(yīng)用十分普及。單片機(jī)的使用有助于提高儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡化結(jié)構(gòu)，減小體積而易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。3消費(fèi)類電子產(chǎn)品該應(yīng)用主要反映在家電領(lǐng)域。目前家電產(chǎn)品的一個重要發(fā)展趨勢是不斷提高其智能化程度。例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、微波爐、手機(jī)、ic卡、汽車電子設(shè)備等。在這些設(shè)備中使用了單片機(jī)后，其功能和性能大大提高，并實現(xiàn)了智能化、最優(yōu)化控制。4通信方面在調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)以及各種通信設(shè)備，單片

12、機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。5武器裝備在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、魚雷制導(dǎo)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，都有單片機(jī)深入其中。6終端及外部設(shè)備控制計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備中，如銀行終端以及計算機(jī)外部設(shè)備，如打印機(jī)、硬盤驅(qū)動器、繪圖機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等，在這些設(shè)備中都使用了單片機(jī)。7多機(jī)分布式系統(tǒng)可用多片單片機(jī)構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)，它使單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個新的水平。本課題以單片機(jī)作為控制器，進(jìn)一步研究單片機(jī)在自動檢測及控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。1.4 本課題設(shè)計的內(nèi)容 本設(shè)計的技術(shù)要求如下:1、該系統(tǒng)要求用爐溫自動檢測儀對烘干爐溫度進(jìn)行檢測。爐溫自動檢測儀具有4個數(shù)據(jù)通道，每個通道可采集3600

13、個數(shù)據(jù)。2、溫度檢測范圍：0 - 300；溫度檢測精度：1。3、溫度檢測采樣間隔：1秒 4分鐘可調(diào)。4、系統(tǒng)工作電源：9v dc5、系統(tǒng)工作溫度：0 - 706、能準(zhǔn)確顯示實時檢測的溫度值。根據(jù)設(shè)計的技術(shù)要求，本設(shè)計采用單片機(jī)系統(tǒng)對爐溫及爐內(nèi)工件的溫度進(jìn)行采集和處理，監(jiān)控烘干爐的熱加工過程以及產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，并實時顯示溫度值。該系統(tǒng)能夠?qū)娓蔂t的溫度進(jìn)行實時的檢測，以保證烘干爐的溫度處于合理的范圍之內(nèi)，便于生產(chǎn)的正常進(jìn)行，并且優(yōu)化了生產(chǎn)過程，提高烘干爐熱加工的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低能耗。本設(shè)計內(nèi)容涵蓋了本專業(yè)電子技術(shù)、微機(jī)原理、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)等課程的內(nèi)容。其具

14、體設(shè)計內(nèi)容包括以下幾個方面：1控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，畫出整個系統(tǒng)的原理框圖。2系統(tǒng)硬件設(shè)計：包括溫度傳感器的選擇、溫度檢測電路的設(shè)計、a/d的選擇及接口設(shè)計、cpu的選擇、鍵盤及顯示模塊的設(shè)計等。3系統(tǒng)軟件設(shè)計：含溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、鍵盤及顯示模塊等。本設(shè)計擬解決的關(guān)鍵問題如下：1傳感器的選擇2溫度檢測電路的設(shè)計3實時顯示模塊的設(shè)計2 烘干爐溫度自動檢測系統(tǒng)方案的確定2.1 方案論證方案一：信號采集及處理電路a/d轉(zhuǎn)換時鐘電路復(fù)位電路3位led顯示器led顯示器驅(qū)動電路8031單片機(jī)按鍵輸入該系統(tǒng)采用8031單片機(jī)作為主機(jī)，包括信號采集及處理電路，a/d轉(zhuǎn)換電路，時鐘電路，復(fù)位電路，

15、按鍵輸入電路，led顯示電路以及嗡鳴器電路。該系統(tǒng)基本能完成設(shè)計要求，但選用8031單片機(jī)需要外擴(kuò)程序存儲器，接線復(fù)雜，并且此方案的抗干擾性能較差。其結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2-1 方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖方案二：該系統(tǒng)主要由at89c51單片機(jī)、多路開關(guān)、信號處理及放大、采樣保持、a/d轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓電源、鍵盤及顯示、串行通訊模塊、看門狗等部分組成。其中單片機(jī)為系統(tǒng)的核心部分。四通道傳感器由多路開關(guān)循環(huán)選通，被選中的溫度傳感器信號由信號處理電路進(jìn)行處理與放大之后送入a/d轉(zhuǎn)換器，再由單片機(jī)處理來自a/d轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，電源采用電池供電，經(jīng)過dc/dc變換電路處理后，構(gòu)成三路輸出的穩(wěn)壓電源，給整個系統(tǒng)提供12v及

16、+5v電源。看門狗采用硬件看門狗電路，防止程序跑飛。為了擴(kuò)展該系統(tǒng)的功能，設(shè)置了串行通訊模塊，用于上位機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行通訊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。顯 示鍵 盤8279串行口通訊模塊看門狗電路穩(wěn)壓電源a/d轉(zhuǎn)換采樣保持信號處理及放大多路開關(guān)烘干爐at89c51單片機(jī)圖2-2 方案二系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 方案確定 方案一和方案二都采用單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)，單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大。單片機(jī)系統(tǒng)可用數(shù)碼管顯示溫度的實際值，能用鍵盤輸入設(shè)定值，并可實現(xiàn)打印功能。方案一采用8031作為系統(tǒng)主機(jī)，由于8031需外擴(kuò)程序存儲器，接線復(fù)雜，并且此方案的抗干擾性能較差。而方案二在方案一的基礎(chǔ)上作了較大改進(jìn)，此

17、方案采用at89c51作為系統(tǒng)的主機(jī)，由于at89c51芯片含有內(nèi)部eprom，不需外擴(kuò)程序存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加簡單。該方案的鍵盤及顯示部分采用8279通用鍵盤顯示，不僅能滿足設(shè)計要求，還有利于二次開發(fā)。另外，此方案還采取了穩(wěn)壓電源、看門狗電路等抗干擾措施，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠。方案二的另一個優(yōu)點就是設(shè)置了串行通訊接口，可用于擴(kuò)展該系統(tǒng)的功能，這樣，使整個系統(tǒng)功能更完善，操作簡單方便。因此，通過對以上兩種方案進(jìn)行分析、比較，本設(shè)計采用了方案二。3 烘干爐溫度自動檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本烘干爐溫度自動檢測系統(tǒng)設(shè)計包含兩部分，一部分是系統(tǒng)硬件設(shè)計，另一部分是系統(tǒng)軟件設(shè)計。本章主要介紹烘干爐溫

18、度自動檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計，系統(tǒng)軟件設(shè)計將在下一章介紹。3.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計原則 在系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計中，應(yīng)遵循以下原則： (1) 盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下基礎(chǔ)。 (2) 系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。 (3) 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一起考慮。 (4) 系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。 (5) 可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件設(shè)計不可缺少的一部分，包括芯片、器件的選擇、去耦濾波等。 (6)單片機(jī)外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。本系統(tǒng)的設(shè)計原則是高效、實用、方便。所謂高效，主要是指檢測效率高，用較快的

19、速度、較高的質(zhì)量完成較好的檢測功能；所謂實用，是指盡可能地增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性，功能盡可能完善，盡可能提高檢測精度；所謂方便，是指操作、維護(hù)、使用、調(diào)試盡可能地簡單方便。3.2 溫度自動檢測系統(tǒng)主機(jī)的選擇烘干爐溫度自動檢測系統(tǒng)屬于計算機(jī)檢測系統(tǒng)的一種。計算機(jī)檢測系統(tǒng)是由包括微型計算機(jī)在內(nèi)的一些模塊組成的，由于集成度很高，模塊不至于很多，因此結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。計算機(jī)檢測系統(tǒng)信息處理的核心是主機(jī)，獲取檢測信息進(jìn)行初步處理的是分機(jī)，中、大型自動檢測系統(tǒng)的主機(jī)可以是pc機(jī)或工控機(jī)，特大型自動檢測系統(tǒng)的主機(jī)可以是巨型機(jī)，而小型檢測系統(tǒng)則可以選擇單片機(jī)系統(tǒng)為核心。單片機(jī)是將中央處理器、存儲器、接口

20、電路以及連接它們的總線等全部集中到一塊大規(guī)模集成電路芯片上，具有可靠性高、控制功能強(qiáng)、易擴(kuò)展、低功耗、價格便宜等特點。單片機(jī)具有較強(qiáng)的管理功能，本系統(tǒng)用單片機(jī)對整個測量電路進(jìn)行管理和控制，可使整個系統(tǒng)智能化、體積小、功耗低，使用電子器件少，內(nèi)部配線少，成本低，制造、安裝、調(diào)試及維護(hù)方便。因此，決定選用單片機(jī)作為該系統(tǒng)的主機(jī)。3.3 傳感器的選擇在現(xiàn)代檢測技術(shù)中，傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)是必不可少的兩個方面。主機(jī)對數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的處理能力，但對非電量和模擬信號是無能為力的。如果沒有各種精確可靠的傳感器去檢測非電量和模擬信號并提供真實的信息，那么計算機(jī)也無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，經(jīng)

21、過放大處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入計算機(jī)，由計算機(jī)對信號進(jìn)行分析處理。因而傳感器技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，對自動化和信息化起著舉足輕重的作用。(1) 提高勞動生產(chǎn)率 采用帶有微機(jī)的儀器、儀表進(jìn)行自動化檢測與控制，可以提高勞動生產(chǎn)率。 (2) 提高產(chǎn)品質(zhì)量 采用各種傳感器和微處理技術(shù)可以對各種工業(yè)參數(shù)及工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行測控及檢驗，準(zhǔn)確測量產(chǎn)品性能，及時發(fā)現(xiàn)隱患。為提高產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)產(chǎn)品性能，防止事故發(fā)生等提供必要的信息和更可靠的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，且對測量要求比較高，所以本系統(tǒng)關(guān)鍵問題之一是溫度傳感器的確定。目前國際上新型傳感器正從模擬式向數(shù)字式，由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。但是智能

22、溫度傳感器的測溫范圍達(dá)不到工業(yè)現(xiàn)場的要求，表3-1給出幾種類型的溫度傳感器。電阻溫度傳感器(rtd)雖然精確，但要求激勵電流，通常用于電橋電路中；熱敏電阻最靈敏，但非線性也最顯著?，F(xiàn)代半導(dǎo)體溫度傳感器在大約55+150的工作范圍內(nèi)具有良好的高精度和優(yōu)良的線性。內(nèi)部放大器可以將輸出定標(biāo)到方便的值。比如美國dallas公司最新推出的ds 18b20，內(nèi)部包含溫度傳感器，a/d轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器和接口電路等，但其測溫范圍為55+125，無法滿足系統(tǒng)要求。熱電偶是一種小型、牢固、相當(dāng)便宜且能工作在極寬溫度范圍的接觸型溫度傳感器，特別適合于在惡劣環(huán)境中測量極高的溫度。其結(jié)構(gòu)簡單，主體實際上是由兩

23、種不同性質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；具有較高的準(zhǔn)確度；測量范圍寬：常用的熱電偶，低溫可測50，高溫可測到+1600左右，配用特殊材料的熱電偶，最低可測180，最高可測到+2800的溫度；具有良好的敏感度；使用方便；能產(chǎn)生電動勢，不用電源。與許多其他的傳感器相比，熱電偶的線性更好，而且其非線性己得到精確確定。盡管它們只能產(chǎn)生毫伏級輸出，需要進(jìn)行精確放大供進(jìn)一步的處理，還要求采用冷端補(bǔ)償技術(shù)，但是現(xiàn)在已有完整的將儀表放大器和熱電偶冷端補(bǔ)償器集成在一起的單一芯片，故熱電偶的不足之處已得到良好的解決?？紤]到熱電偶的以上特性，本系統(tǒng)的傳感器采用熱電偶。表3-2列出了幾種常用的熱電偶

24、。最常用的金屬有鐵、鋁、佬、鋅、鎳鋁合金、鎳鉻合金和康銅(銅鎳合金)。盡管熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系為非線性關(guān)系，但k型熱電偶在各類熱電偶中是線性最好的一種3?？紤]k型熱電偶線性度好，它的熱電勢較大，精度較高，價格便宜，抗氧化性也較好，可在900以下的烘爐內(nèi)長期使用，在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用較多，我們采用檢測范圍為0600的k型熱電偶。上海南浦東儀表廠生產(chǎn)的wrnm系列k型表面熱電偶，可以與工件表面直接接觸。還可以根據(jù)不同工件的要求，定做不同形狀的熱電偶探頭，可以滿足不同使用者的需求。表3-1 溫度傳感器的類型熱電偶測溫范圍：-1842300；高精度和高重復(fù)性；需要冷端補(bǔ)償；低壓輸出 rtd測溫范圍：-2

25、00185；線性良好；需要激勵；低成本 熱敏電阻測溫范圍：0100；線性差；需要激勵；高靈敏度半導(dǎo)體溫度傳感器測溫范圍：-55150；線性：1，精度：1；需要激勵；10mv/k或20mv/k或1uv/k的典型輸出表3-2常用熱電偶及其主要特征熱電偶材料典型使用范圍（）標(biāo)稱靈敏度（uv/）美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ansi）規(guī)定的符號鉑（6）/ 銠-鉑（30）/ 銠3818007.7b鎢（5）/ 錸-鎢（26）/ 錸0230016c克露美爾-康銅098276e鐵-康銅076055j克露美爾-阿留邁-184126039k鉑（13）/ 銠-鉑0159311.7r鉑（10）/ 銠-鉑0153810.4s銅-康

26、銅-18440045t為了更好理解熱電偶的使用，下面簡略介紹一下熱電偶的工作原理。熱電偶是利用熱效應(yīng)制成的溫敏傳感器。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體a和b組成閉合回路時，若兩端結(jié)點溫度不同(分別為t0和t)，則回路中產(chǎn)生電流，相應(yīng)的電勢稱為熱電勢，這種熱電偶，其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成，其大小和兩端點溫差有關(guān)，還和材料性質(zhì)有關(guān)。實驗和理論都表明，在a, b間接入第三種材料c，只要結(jié)點2，3溫度相同，則和2, 3直接聯(lián)接時的熱電勢一樣。這一點很重要，它 接多路轉(zhuǎn)換開關(guān)為熱電偶測量時接測量引線帶來方便。這種由兩種不同導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電勢一般情況 接ad574的+in腳下和

27、兩端點溫度t0和t都有關(guān)。使t0為給定 2t0 3的恒定溫度，如取為0，則熱電勢僅為t一端(稱為測量端)溫度t的單值函數(shù)。顯然利用熱電偶的這一特性可做成測溫計用于測溫，但要求材料的熱性能要穩(wěn)定，電阻系數(shù)小，導(dǎo)電1 t率高，熱電效應(yīng)強(qiáng)、復(fù)制性好4。 圖3-1 熱電偶結(jié)構(gòu)圖3.4 信號采集及處理電路的設(shè)計信號處理及放大電路主要由多路開關(guān)、傳感器信號調(diào)理電路(包括熱電偶冷端補(bǔ)償、線性化電路)、放大電路組成。其任務(wù)主要是實現(xiàn)對不同通道的選通，將定時采集的熱電偶毫伏級的輸出信號調(diào)理放大后，輸出a/d轉(zhuǎn)換器要求的輸入電壓范圍。其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。放大電路信號處理電路熱電偶1熱電偶2熱電偶3熱電偶4多路轉(zhuǎn)

28、換開關(guān)圖3-2 信號采集及處理模塊結(jié)構(gòu)圖(1)多路開關(guān)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、巡檢裝置、智能儀器及程控設(shè)備中，都離不開模擬開關(guān)。由于在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多數(shù)時候需要同時采樣若干個傳感器的數(shù)據(jù)，這就需要用到多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，輪流把傳感器采集的數(shù)據(jù)送到a/d轉(zhuǎn)換器。多路開關(guān)有兩種基本用法：當(dāng)信號從多路模擬開關(guān)的公共端輸出時，可作為多信號傳輸器，實現(xiàn)從多線到一線的功能；當(dāng)信號從多路模擬開關(guān)的公共端輸入時，又變成信號器，實現(xiàn)從一線到多線的傳輸功能。本系統(tǒng)中采用了多路模擬開關(guān)的用法一，用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)輪流使四個傳感器中的一個與信號處理電路接通，從而把數(shù)據(jù)送到a/d轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用cd4051作為多

29、路開關(guān)。它的inh腳接地，a，b，c口分別接單片機(jī)p1口的p1.0，p1.1及p1.2。它是單向8通道多路模擬開關(guān)，in0in7分別為八路模擬開關(guān)的輸入輸出端，作多路傳輸時為輸入端，作信號分離時為輸出端。i/o為輸出端，分離信號時變成輸入端，inh為禁止端，inh為“1”時，模擬開關(guān)均斷開，輸出呈高阻態(tài)。a,b, c是二進(jìn)制地址碼輸入端，當(dāng)inh =0時根據(jù)地址碼選中相應(yīng)的通道。例如當(dāng)a=1, b=1,c=0時，地址碼為011(所對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)為3)，就接通第3路。vee為負(fù)電源端，通常與uss短接，在傳輸交流信號時應(yīng)接負(fù)電源。這種多路輸入開關(guān)電平范圍廣，數(shù)字量為3至15伏，模擬量可達(dá)15v，二

30、進(jìn)制3-8譯碼器用來把選擇輸入端a，b，c的狀態(tài)進(jìn)行譯碼，以控制開關(guān)電路tg，使某一路開關(guān)接通，從而使輸入與輸出通道相連。(2)信號采集及處理電路由于k型熱電偶(鎳鉻一鎳鋁)需要冷端補(bǔ)償，我們采用美國模擬器件公司（analog devices inc.，簡稱mi）生產(chǎn)的芯片ad595，其內(nèi)部具有放大、冷端補(bǔ)償、冰點基準(zhǔn)、溫差電偶故障報警等電路。它通過激光微調(diào)芯片進(jìn)行預(yù)先校準(zhǔn)，使之與k型熱電偶的特性相匹配，它完整的將儀表放大器和熱電偶冷端補(bǔ)償集成在單一芯片上(其原理圖見圖3-3)，將冰點參考同預(yù)先經(jīng)校準(zhǔn)的放大器結(jié)合，直接依據(jù)熱電偶信號給出高電平輸出(10mv/)。引腳搭接選擇利用固定值或遠(yuǎn)程設(shè)定

31、值控制允許將它用作線性放大器補(bǔ)償器或用作開關(guān)輸出設(shè)定值控制器。它可以用來直接放大本身的補(bǔ)償電壓，因而成為一個具有10mv/輸出的獨立攝氏溫度傳感器。在這類應(yīng)用中，使集成電路芯片處于與熱電偶冷端相同的溫度是十分重要的，這可通過使兩者緊靠在一起并與其它任何熱源隔離來實現(xiàn)。ad595包括一個指示熱電偶的一根或兩根引線是否斷開的熱電偶故障報警器，其報警輸出包括ttl驅(qū)動功能在內(nèi)的靈活形式。本系統(tǒng)采用了熱電偶故障報警功能，當(dāng)熱電偶斷開時，led亮，進(jìn)行故障顯示。該器件可以由單端電源供電，通過加入負(fù)電源，便能測量低于0的溫度。本系統(tǒng)不需要測量零下溫度，故不需要負(fù)電源。在封裝引腳上提供了溫度傳感器電壓和增益

32、控制電阻，因此，電路可以通過附加電阻來對其它類型的熱電偶進(jìn)行重新校準(zhǔn)。圖3-3 ad595原理圖 圖3-4 ad538原理圖由于ad595只能提供調(diào)理和電壓增益，不能補(bǔ)償熱電偶的非線性，故仍需對熱電偶進(jìn)行線性化。線性化的方法很多。這里采用的是多項式線性化的方法，設(shè)溫度為t，各項系數(shù)為a0，則熱電偶的熱電勢e可表示為：e=a1t+a2t2+ +antn如果獲得高次冪級數(shù)的函數(shù)。就可構(gòu)成線性電路。冪次越高，精度也越高，但電路復(fù)雜。實際上只要取到2次冪就可以獲得足夠的精度。k型熱電偶的熱電勢近似表達(dá)式為： （）如前所述，線性化電路的關(guān)鍵是求平方運(yùn)算，而集成電路ad538（原理圖如圖3-4所示）是最適

33、宜進(jìn)行平方運(yùn)算的芯片。它提供實時精確的乘法、除法和求冪運(yùn)算，ad538的精度為0.25%，動態(tài)范圍寬，片內(nèi)設(shè)有高精度的+2v或+10v的基準(zhǔn)電壓源。三個輸入管腳vx, vy和vz及一個輸出管腳vo，可組成vo=vy ( vz/vx )m的函數(shù)關(guān)系。不用接元件就可構(gòu)成平方運(yùn)算的電路。由傳感器、多路開關(guān)、ad595, ad538及op07組成的信號調(diào)理及放大電路由圖3-5所示。經(jīng)過處理以后，0-300的溫度信號轉(zhuǎn)換為05v的電壓信號，輸出的電壓信號送到數(shù)據(jù)采集處理電路。ad595要求接熱電偶的正極，故熱電偶負(fù)極就接多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。電位器用于微調(diào)冷端補(bǔ)償電壓。ad595的7腳是負(fù)電源端，由于不測0以下

34、的溫度，不用負(fù)壓供電，所以7腳可接地，12、13腳是熱偶故障報警電路的輸出端，13腳接地后，集電極開路的12腳接上拉電阻。熱電偶正常工作時輸出高電平；斷偶故障時輸出低電平，發(fā)光二極管亮，顯示熱電偶故障。圖3-5 信號處理及放大電路3.5 單片機(jī)系統(tǒng)主板設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)由cpu、74hc573鎖存器、ad574模數(shù)轉(zhuǎn)換器、fm1808數(shù)據(jù)存儲器、gal16v8譯碼器、max813l看門狗芯片、串行通訊模塊等組成，完成數(shù)據(jù)采集、處理、實時顯示等功能，是整個系統(tǒng)的核心模塊。系統(tǒng)原理圖見附錄一，以下對各部分分別予以介紹。3.5.1 cpu的選擇單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，并進(jìn)行

35、復(fù)雜的信號處理，產(chǎn)生測試信號及控制整個檢測過程。 從硬件角度來看，與mcs-51指令完全兼容的新一代at89cxx系列單片機(jī)機(jī)，比在片外加eprom才能相當(dāng)?shù)?031單片機(jī)抗干擾性能強(qiáng)，與87c51、87c52單片機(jī)性能相當(dāng)，但功耗小。程序修改直接用+5伏或+12伏電源擦除，更顯方便、而且其工作電壓放寬至2.7伏6伏，因而受電壓波動的影響更小，而且4k的程序存儲器完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件要求，此外，at89c51還支持由軟件選擇的2種掉電工作方式，非常適用于電池供電或其它要求低功耗的場合。鑒于以上的分析、比較，本系統(tǒng)選用atmel生產(chǎn)的at89c51單片機(jī)作為主機(jī)。3.5.1.1 at89c

36、51性能簡介at89c51是一種低功耗、高性能cmos 8位單片機(jī)，采用了atmel的高密度非易失性的存儲器工藝，它除了具有與mcs-51完全兼容的若干特性外，最為突出的優(yōu)點就是片內(nèi)集成了4k字節(jié)eeprom，可用來存放應(yīng)用程序，這個flash程序存儲器除允許用一般的編程離線編程外，還允許在應(yīng)用系統(tǒng)中實現(xiàn)在線編程，并且還提供了對程序進(jìn)行三級加密保護(hù)的功能。at89c51的另一個特點是工作速度更高，晶振頻率可高達(dá)20mhz，一個機(jī)器周期僅500ns，比mcs-51快了一倍5。其特性如下：(1) 4k字節(jié)可編程閃速程序存儲器;1000次循環(huán)寫/擦。(2) 全靜態(tài)工作：0hz20mhz。(3) 三級

37、程序存儲器鎖定。(4) 128 8位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，32條可編程i/o線。(5) 兩個十六位定時器/計數(shù)器，六個中斷源。(6) 可編程串行通道，低功耗閑置和掉電模式 。3.5.1.2 at89c51單片機(jī)主要接線簡介程序存儲器為4k，在cpu內(nèi)部，內(nèi)部程序存儲器能滿足本系統(tǒng)，故不需外擴(kuò)程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器為32k的存儲器fm1808，地址為8000hffffh。a/d轉(zhuǎn)換器采用精度高，速度快的ad574，并在轉(zhuǎn)換前對信號作了采樣保持處理。ad574啟動地址為4000h，高八位地址為4002h，低八位地址為4003h。.8279是一種通用可編程鍵盤/顯示器接口芯片，其地址為7000h7fffh

38、。串行通信接口采用美信的rs-232驅(qū)動/接收器max232，用它把單片機(jī)輸出的ttl電平轉(zhuǎn)換為rs232標(biāo)準(zhǔn)電平。該芯片適用于電池供電系統(tǒng)。 at89c51的主要管腳接線如下：p0.0p0.7：ttl輸出，接地址鎖存器74hc573的1d8d、fm1808的數(shù)據(jù)/地址線。用于鎖存數(shù)據(jù)存儲器的地址及選擇向fm1808寫入數(shù)據(jù)的地址，被定義為數(shù)據(jù)/地址總線的低八位；接ad574的12位數(shù)據(jù)線，從ad574接收數(shù)據(jù)。 p1.0p1.7： p1.0p1.2接多路模擬開關(guān)cd4051，作為溫度傳感器的選通信號。 p2.0p2.7： ttl輸出，輸出數(shù)據(jù)/地址總線的高八位；并產(chǎn)生控制信號送gal16v8

39、選通fm1808, ad574，8279。由于本系統(tǒng)不需要外部程序存儲器，故31腳(內(nèi)部和外部程序存儲器選擇線)接高電平。地址0000h0fffh空間為內(nèi)部rom。3.5.2 cpu最小系統(tǒng)設(shè)計3.5.2.1 時鐘電路設(shè)計時鐘電路用于產(chǎn)生mcs-51單片機(jī)工作時所必需的時鐘控制信號。mcs-51單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路設(shè)計有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種方式為外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式：mcs-51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯

40、片引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。外部時鐘方式：使用外部振蕩脈沖信號。外部時鐘源直接接至輸入端xtal2端，通過xtal2端輸入到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。由于xtal2端的邏輯電平不是ttl的，所以接一個4.710k的上拉電阻。 （a） 內(nèi)部時鐘方式 (b) 外部時鐘方式圖3-6 at89c51的時鐘電路方式 在本系統(tǒng)中采用內(nèi)部振蕩方式，其電路如圖3-7所示。采用芯片內(nèi)部反相器和電阻組成的振蕩電路，在xtal1，xtal2引腳上外接定時組件，如晶振和電容組成的并聯(lián)諧振回路,則在內(nèi)部可產(chǎn)生與外接晶振同頻率的振蕩時鐘。該系統(tǒng)晶

41、振為12mhz，電容c1，c2取30pf，對時鐘起微調(diào)作用。3.5.2.2 看門狗復(fù)位電路設(shè)計本系統(tǒng)采用了一個硬件看門狗來監(jiān)視程序的運(yùn)行。美信公司的max813l具有“看門狗”、主電源檢測的功能。單片機(jī)通過i/o腳加給wdi(看門狗輸入)腳正脈沖，如果兩次脈沖時間間隔不大于1.6s時，則(看門狗輸出)腳一直為高電平，說明微機(jī)程序執(zhí)行正常。當(dāng)兩次發(fā)出正脈沖的時間間隔大于1.6s時，“看門狗”便使引腳變?yōu)榈碗娖?，將腳與相連，可使reset腳(與單片機(jī)的rst相連)產(chǎn)生高電平的復(fù)位脈沖，使程序能從頭重新開始執(zhí)行，起到監(jiān)視程序運(yùn)行的作用，其電路如下圖所示 圖3-7 時鐘電路 圖3-8 看門狗復(fù)位電路3

42、.5.3 單片機(jī)系統(tǒng)主板各功能模塊設(shè)計3.5.3.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理電路主要由采樣保持器和a/d轉(zhuǎn)換器組成。其相關(guān)電路圖參見單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。(1)采樣保持器采樣保持器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常用來為a/d轉(zhuǎn)換器提供固定的采樣值，它位于模擬信號源與a/d轉(zhuǎn)換器之間。本系統(tǒng)采用美國national semiconductor公司生產(chǎn)的lf398。 lf398是由雙極性絕緣場效應(yīng)管組成的單片采樣/保持電路，由al, a2兩個運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)和開關(guān)驅(qū)動電路、三級管d1, d2構(gòu)成的保護(hù)電路等組成，其原理圖如圖3-9所示。是反饋型采樣/保持器，具有采樣速度高、捕捉信號快及保持電壓下

43、降速率慢等特點。當(dāng)8端為高電平，處于跟蹤狀態(tài)，當(dāng)uk負(fù)跳變（由“1”到“0” ）則lf398轉(zhuǎn)向保持狀態(tài)6。(2) a/d轉(zhuǎn)換器a/d轉(zhuǎn)換器把采集到的采樣模擬信號量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出。本系統(tǒng)采用12位逐次逼近式的轉(zhuǎn)換器ad574，它的突出特點是芯片內(nèi)部包含微機(jī)接口控制邏輯電路和三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與8位、12位或16位微處理器的數(shù)據(jù)總線相連。它由模擬芯片和數(shù)字芯片兩部分組成，除了包含d/a轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式寄存器sar、比較器等基本結(jié)構(gòu)外，還有時鐘、控制邏輯、基準(zhǔn)電壓和三態(tài)輸出緩沖器等部分組成，其原理如圖3-10所示。其芯片引腳功能如下：db0db11：12位數(shù)據(jù)輸出。12/

44、8：數(shù)據(jù)模式選擇，此線為“1”時，12條輸出線均有效。此線為“0”時，12位輸出線分成高8位和低4位兩次輸出。本系統(tǒng)此腳為低電平。a0/sc：字節(jié)地址/短周期。在讀數(shù)狀態(tài)，如果2腳為低電平，當(dāng)a0=0時，則輸出高8位數(shù)。當(dāng)a0=1時，則輸出低4位數(shù)，禁止高8位輸出；當(dāng)2腳為高電平，此腳的狀態(tài)不起作用。另一功能是控制轉(zhuǎn)換周期，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)a0=0時，產(chǎn)生12位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期為25s，反之產(chǎn)生8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期為16s。：此腳為0時，芯片被選中。r/：此腳為1，讀a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果；為0時允許啟動a/d轉(zhuǎn)換。ce：芯片允許。refout：基準(zhǔn)電壓輸出。refin：基準(zhǔn)電壓輸入。bplrof：雙極性補(bǔ)

45、償。若輸入模擬信號為雙極性，要同時使用此腳。此腳還可用于調(diào)零點。圖圖3-9 lf398原理圖圖3-10 ad574原理圖本檢測系統(tǒng)采用雙極性輸入方式，可對-5+5v的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于ad574輸出12位數(shù)據(jù)，因此單片機(jī)分兩次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。故本系統(tǒng)設(shè)置12/腳為低電平，此時由a0的狀態(tài)決定控制高、低位數(shù)據(jù)的讀取。本系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)線sts與at89c51的p3.2相連，采用查詢的轉(zhuǎn)換方式，at89c51不斷檢查p3.2口位電平。當(dāng)sts為高電平時，a/d轉(zhuǎn)換器處于轉(zhuǎn)換周期；為低電平時，a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束。3.5.3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)采集包括記錄和存貯數(shù)據(jù)，更重要的是能在失去電源的情況下，

46、不丟失任何資料。在數(shù)據(jù)采集的過程中，數(shù)據(jù)需要不斷高速寫入，eeprom的寫入壽命和速度往往不能滿足要求。傳統(tǒng)半導(dǎo)體記憶體有兩大體系：易失性存儲(volatile memory)和非易失性存儲器(non-volatile memory)。易失性記憶體如sram和dram在沒有電源的情況下都不能保存數(shù)據(jù)，但這種存貯器具有高性能和易用等優(yōu)點。非易失性記憶體如eprom，eeprom和flash能在斷電后仍保存資料，但由于所有這些記憶體均起源自只讀存貯器(rom)技術(shù)，所以，不難想到它們都有不易寫入的缺點，如寫入緩慢、有限寫入次數(shù)、寫入時需要特大功耗等，且需要后備電源。可見傳統(tǒng)的存儲器不能滿足本系統(tǒng)的

47、要求。而fram1808則能較好地克服以上缺點，其優(yōu)點如下： (1)速度快 可以跟隨總線速度(bus speed)寫入。串口總線的fram的clk的頻率高達(dá)20m，并且沒有10ms的寫等待，周期并口的訪問速度為70ns。(2)擦寫次數(shù)多 近乎無限次寫入，5v供電的fram的擦寫次數(shù)可達(dá)100億次。(3)超低功耗 靜態(tài)電流小于l0a,讀寫電流小于150a。eeprom的慢速和高電流寫入令它需要高出fram 2500倍的能量去寫入每個字節(jié)。 (4)非易失性 掉電后數(shù)據(jù)能保存10年，所有產(chǎn)品都是工業(yè)級7。由于鐵電存貯器涵蓋ram技術(shù)的優(yōu)點，又同時擁有rom技術(shù)的非易失性特點，本系統(tǒng)采用鐵電存儲器fm

48、1808。它具有32k內(nèi)存，完全能滿足系統(tǒng)存儲容量的需要，其管腳描述表及真值表分別見表3-3, 3-4。 它的讀允許線和寫允許線分別與單片機(jī)的和腳相連，由單片機(jī)控制它的讀寫狀態(tài)。本系統(tǒng)電路利用單片機(jī)的ale信號與譯碼電路產(chǎn)生的片選信號經(jīng)過或門產(chǎn)生帶有下降沿的fm1808片選信號，復(fù)位信號用于系統(tǒng)復(fù)位時封鎖fm1808的片選，增加芯片使用的可靠性。其接線圖參見單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。表3-3 fm1808管腳描述表管腳名稱類 型功 能a0-a14in地址：15位地址線選擇內(nèi)存的某一字節(jié)，地址值在/ce被鎖存dq0-dq7i/o數(shù)據(jù)：訪問fram內(nèi)存的雙向8位數(shù)據(jù)總線/cein 芯片使能：當(dāng)為低電平時選

49、中芯片，在/ce沿時地址被內(nèi)部鎖存，在下一個下降沿來臨前，在/ce平時地址值的改變被忽略/oein輸出使能：低電平有效，在讀周期中允許輸出緩沖區(qū)輸出，使/oe電平后將使dq轉(zhuǎn)變?yōu)槿龖B(tài)狀態(tài)/wein輸入使能：低電平時，允許將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入在的下降沿時鎖存的地址單元vddsupply電源：5vvsssupply電源：地表3-4 fm1808真值表/ce/we功 能高x保持/預(yù)充電x鎖存地址（如果/we為低，開始寫）低高讀低 寫3.5.3.3 譯碼器在該系統(tǒng)烘干爐溫度檢測系統(tǒng)中采用可編程邏輯陣列芯片gal16v8作譯碼器，主要完成對ad574、鐵電存儲器fm1808、以及8279的選通信號的邏

50、輯轉(zhuǎn)換。由于fm1808、ad574、8279的啟動地址分別為：8000h，4000h，7000h，其邏輯方程如下： 式中，是高八位地址；是鐵電存儲器fm1808的選通信號；是a/d轉(zhuǎn)換器ad574的片選信號cs；是8279芯片的片選信號cs。按照上述邏輯關(guān)系生成的pld文件經(jīng)fm軟件編譯后，產(chǎn)生熔絲文件*.jed，然后通過編程器寫入gal16v8即可。3.5.3.4 串行通訊模塊為了將來能對本系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，特增設(shè)了串行通訊接口，方便與上位機(jī)進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)采用美國電子工業(yè)協(xié)會eia制定的串行總線的物理接口標(biāo)準(zhǔn)rs-232-c，它早期是為了促進(jìn)數(shù)據(jù)通信在公用電話網(wǎng)上的應(yīng)用，主要是為連接計算

51、機(jī)主機(jī)與crt終端之間通信，后來也用于計算機(jī)之間的通信。其邏輯電平對地是對稱的，采用負(fù)邏輯。完全與ttl、mos電平不同。邏輯0電平規(guī)定為+5+15v之間，邏輯1規(guī)定為-5-15v之間，因此rs-232-c驅(qū)動器與ttl電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。該標(biāo)準(zhǔn)最大傳輸率是20kb/s，最大傳輸距離為15m8。一個完整的rs-232-c接口有22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)的db25插頭插座，pc機(jī)常用其中的9根線，db9插頭插座。在大多數(shù)計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中和智能單元之間只需使用35根信號線即可工作。由于本系統(tǒng)在發(fā)送與接收端之間已“協(xié)議”好了發(fā)送時間，且均在規(guī)定時間到來之前做好相應(yīng)準(zhǔn)備，故所有的聯(lián)絡(luò)信號都不需要，只需發(fā)

52、送線txd、接收線rxd和地線gnd。本系統(tǒng)采用max232cpe芯片進(jìn)行rs-232-c和ttl之間的電平轉(zhuǎn)換。max232cpe線路驅(qū)動器接收器適用于噪聲嚴(yán)重環(huán)境下的rs-232通信，它有2個驅(qū)動器和2個接收器，每個發(fā)送器的輸入和接收器的輸入無需封閉均可抗15kv的靜電放電沖擊。通訊電路rs-232電平轉(zhuǎn)換器如系統(tǒng)原理圖相關(guān)部分所示。其“r1out”和“t1in”分別接在at89c51的rxd(10)和txd (11)腳上。3.6 人機(jī)交互接口電路設(shè)計所謂人機(jī)交互接口，是指人與計算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口。這些輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤、顯示器和打印機(jī)等。它們是計算機(jī)應(yīng)

53、用系統(tǒng)中不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。一個安全可靠的控制系統(tǒng)必須具有方便的交互功能。操作人員可以通過系統(tǒng)顯示的內(nèi)容，及時掌握生產(chǎn)情況，并可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，傳遞命令，對計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，使其隨時能按照操作人員的意圖工作。鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。前者能自動識別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)代碼，以并行或串行方式發(fā)送給cpu。它使用方便，接口簡單，響應(yīng)速度快，但需要專用的硬件電路。后者則通過軟件來確定按鍵并計算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此得到了廣

54、泛的應(yīng)用。在鍵盤設(shè)計中需要解決的幾個問題：1. 按鍵的確認(rèn)鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其中每一個按鍵就是一個開關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，取決于機(jī)械彈性開關(guān)的通、斷狀態(tài)。反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，若高電平表示斷開，則低電平表示鍵閉合。所以，通過電平狀態(tài)的檢測，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下。2. 重鍵與連擊的處理實際按鍵操作中，若無意中同時或先后按下兩個以上的鍵，系統(tǒng)確認(rèn)哪個鍵操作是有效的，完全由設(shè)計者意志決定。如視按下時間最長者為有效鍵，或認(rèn)為最先按下的鍵為當(dāng)前按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過微型計算機(jī)控制系統(tǒng)畢竟資源有限，交互能力不強(qiáng)，通?？偸遣捎脝捂I按下有效，多

55、鍵同時按下無效的原則。有時，由于操作人員按鍵動作不夠熟練，會使一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果，即重鍵的情形。為排除重鍵的影響，編制程序時，可以將鍵的釋放作為按鍵的結(jié)束。等鍵釋放電平后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，以防止一次擊鍵多次執(zhí)行的錯誤發(fā)生。3. 按鍵防抖動技術(shù)鍵盤，作為向系統(tǒng)提供操作人員的干預(yù)命令的接口，以其按特定的按鍵序列代表著各種確定的操作命令。所以，準(zhǔn)確無誤地辨認(rèn)每個鍵的動作及其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機(jī)械彈性開關(guān)。一個電信號通過機(jī)械觸點的斷開、閉合過程，完成高、低電平的切換。由于機(jī)械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合及斷開的瞬間必然伴隨有一連串的抖動。其波形如下圖所示。抖動過程的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為1020ms。為了使cpu對一次按鍵動作只確認(rèn)一次，必須排除抖動的影響，按鍵防抖技術(shù)包括硬件及軟件防抖技術(shù)。 圖3-11 按鍵抖動信號波形intel 公司的8279芯片是一種通用可編程鍵盤/顯示器接口芯片,它能完成監(jiān)視鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。8279是雙列直插芯片，其中部分可用做通用鍵盤輸入接口，部分可用做led顯示器的輸出接口，而另一部分給出兩個接口在芯片內(nèi)部及外部掃描用的分時