熱電偶性能測試儀的設計

1、裝訂線畢業(yè)項目報告紙摘要：熱電偶它的結構簡單、測溫范圍大、響應也比較快，所以它是一種被廣泛使用的測溫元件。其實熱電偶的結構比較簡單,并且它也是一種測控元件,在一般的工業(yè)生產中有著至關重要的作用。在現(xiàn)在許多熱電偶的設計中都用到了我在大學里所學的51單片機，所以對于我來說，研究此課題作為我的畢業(yè)設計十分恰當。單片機測控系統(tǒng)的應用已經深入到工業(yè)生產的許多角落，它的廣泛應用大大提高了生產效率，簡化了勞動過程，對生產也有了一定的安全作用。同時單片機技術也在應用中不斷發(fā)展完善，在性能、功能、集成度以及易用性上都有著顯著的提高。通過這一次畢業(yè)設計，我可以將所學的單片機、計算機控制技術、微機原理、數(shù)字電路、模

2、擬電路等課程作一次完整的應用實踐，對于更好的理解掌握有著重要的意義。關鍵詞：熱電偶 單片機 Abstract ：Thermocouple temperature range of simple structure, large and rapid response, is a widely used temperature measuring devices. But the thermocouple output is nonlinear, and potential differences between individuals, so use prior to each calibrat

3、ion characteristic curve. How fast and accurate determination, thermocouple characteristic curve is worth a research topic.The application of microcontroller measure-control system has been deeply into every corner of industrial production, it's widely enhanced the production efficiency, and sim

4、plifies the process of labor. While in the application of SCM technology unceasing development, performance, function, integration and ease-of-use have improved significantly. Through this time of graduation design, the SCM, computer control technology, microcomputer principle, digital circuits, ana

5、log circuit course as a complete application practice, for a better understanding of master has the vital significance.Keywords: Thermocouple microcontroller目 錄一、緒論1.1概述1.2簡介1.3 目的 二、設計的理論基礎2.1 基本原理2.2 種類和結構三、熱電偶性能測試儀的總體設計3.1 課題分析3.1.1 設計要求與分析 3.1.2 系統(tǒng)的組成3.1.3 系統(tǒng)設計3.1.4 單片機的選擇.3.2 AT89C51單片機.3.2.1 8

6、9C51的概況. 封裝與引腳定義3.2.3 運算器. 復位電路及單片機的工作方式 空閑節(jié)電模式 控制器. 掉電模式.3.3 器件選擇 放大器3.3.2 A/D轉換器3.3.3 串行接口器件.四、 熱電偶性能測試儀的硬件設計4.1 單片機電路設計.4.2 通道設計. 溫度檢測與信號放大電路4.2.2 A/D轉換器 串行接口.4.3 操作控制面板設計. 按鍵電路. LCD接口電路4.4 控制執(zhí)行電路設計.4.5 綜合設計.4.6 開發(fā)工具介紹.五、 結論5.1 熱電偶性能參數(shù)測試儀.5.2 畢業(yè)設計結果5.3 畢業(yè)設計所達的目的謝辭.參考文獻.第一章 緒論1.1 概述熱電偶結構簡單、測溫范圍大、響

7、應快，是一種廣泛使用的測溫元件。但熱電偶的輸出電勢是非線形的，且個體間存在差異，因此使用前需要逐一標定特性曲線。如何快速準確地測定熱電偶特性曲線，是一個值得研究的課題。單片機測控系統(tǒng)的應用已經深入到工業(yè)生產的每一個角落，它的廣泛應用大大提高了生產效率，簡化了勞動過程。同時單片機技術也在應用中不斷發(fā)展完善，在性能、功能、集成度以及易用性上都有著顯著的提高。通過這一次畢業(yè)設計，得以將所學的單片機、計算機控制技術、微機原理、數(shù)字電路、模擬電路等課程作一次完整的應用實踐，對于更好的理解掌握有著重要的意義。1.2 簡介為了方便的檢測熱電偶的特性曲線，現(xiàn)在我嘗試利用自己所學知識以及查詢的一些資料來設計單片

8、機熱電偶性能參數(shù)測試儀，總結它的功能，以便更好的闡述我的設計內容： 可以實現(xiàn)實現(xiàn)對爐溫的可測可控，它的測溫要求在這里是精確到2，控溫的方式有兩種是自動和手動調節(jié)。這里如果加入軟件編程就可以測定0500時熱電偶的溫度熱電勢對應曲線，并且能顯示在LCD屏上；帶RS232串口輸出功能，可以向電腦輸出特性曲線圖并打印1.2 設計目的為了完成本次設計，我在工作及閑暇時間學習熱電偶測溫的基本原理和它的測控系統(tǒng)的方法，其實最重要的是我必須將自己所了解的知識和經驗運用到此項設計當中。我的基本思想是采用一個我已經標定的分度和特性曲線的熱電偶作為標準電偶，根據(jù)此電偶輸出電勢對爐溫進行檢測和控制，同時檢測待測電偶的

9、輸出電勢，將該值與標準電偶測得爐溫對應逐點顯示在液晶顯示屏上，即為特性曲線。通過軟件的編程我們可以設置它的最高溫度為500度。這樣當溫度升到500時系統(tǒng)就會自動切斷加熱電源，通過RS-232串口可向電腦輸出該特性曲線圖并打印。液晶屏顯示內容包括工作模式（自動/手動），當前爐溫數(shù)值，輸出電勢數(shù)值。鍵盤控制部分包括以下幾個按鈕：工作模式切換，爐溫+/-、打印、復位。第二章 基礎2.1 基本原理1823年塞貝克發(fā)現(xiàn)，把兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其兩接觸點處溫度不同，回路中就會產生電流，把這個物理現(xiàn)象稱為塞貝克效應，亦稱熱電效應。將兩種不同導體材料A和B，兩端連接在一起組成回路，一端溫度為T0，

10、一端溫度為T（若T>T0），則如圖微安表上會有一定讀數(shù)；若將T0觸點分開，則端口產生一個與溫度T、T0及導體材料A、B有關的電EAB（T，T0），這個電勢就是塞貝克電勢。利用這一原理，在工程上可以用熱電偶將溫度變化轉化為電勢差的變化，從而將溫度信號轉化為電信號，方便了測量也提高了精度。2.2 種類和結構根據(jù)熱電偶的工作原理，在我們看來似乎只要是兩種不同的金屬材料就可以制成熱電偶，但為了保證熱電偶的可靠性和它的一個測量精度，在一棒工業(yè)中熱電偶材料必須具備以下特性：1在測量范圍內，它的熱電性質必須穩(wěn)定，并且要有足夠的物理化學穩(wěn)定性，不易氧化和腐蝕。2熱電勢要足夠大，這樣才便于我們測量，并且熱

11、電勢和溫度為單值對應關系，最好是線性關系。3電阻溫度系數(shù)小，電導率高。4材料的復制性好，機械強度高，易制成標準分度，工藝簡單，價格便宜。第三章 熱電偶性能測試儀的總體設計3.1 課題分析 設計要求與分析熱電偶使用前需要有一個標定的特性曲線。本次設計本著方便檢測大批量熱電偶的特性曲線的目的，需要開發(fā)一套單片機自動控制裝置，實現(xiàn)可以對爐溫進行控制，待測熱電偶特性曲線屏幕實時顯示，可打印輸出。標定范圍從0到500下待測電偶的輸出電勢與爐溫對應關系曲線，爐溫可手動調節(jié)，最小分度2。該系統(tǒng)屬于單片機溫度測控系統(tǒng)。在任何單片機測控系統(tǒng)中，都是從盡量快速，盡量準確，盡量完整的獲得數(shù)字形式的數(shù)據(jù)開始的，因此，

12、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為溝通模擬域與數(shù)字域的橋梁起著非常重要的作用。隨著計算機技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是微處理器及高速A/D轉換器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構發(fā)生了重大變革。原來由小規(guī)模集成的數(shù)字邏輯電路及硬件程序控制器組成的采集系統(tǒng)被微處理器控制的采集系統(tǒng)所代替。因為由微處理器去完成程序控制，數(shù)據(jù)處理及大部分邏輯操作，使系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大的提高，系統(tǒng)的硬件成本和系統(tǒng)的重建費用大大的降低。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調理電路，采樣保持電路，A/D，單片機組成，該系統(tǒng)加上可控硅控制裝置即構成了測控系統(tǒng)。 系統(tǒng)的組成一.信號調理電路 信號調理電路是傳感器與A/D之間的橋梁，也是測控系統(tǒng)中重要組成部分。

13、主要功能是：（1） 可以將我們日常經常碰到的一些模擬信號轉換為數(shù)字信號。（2） 有時候我們的某些測量信號可能不是電壓量，比如說熱電阻等等，這些非電壓量信號必須變?yōu)殡妷盒盘?，還有些信號是弱電壓信號，如熱電偶信號，這是我們必須對這些信號進行放大，濾波。（3） 在有些時候系統(tǒng)會收到許多不明的外在因素干擾，這時候我們必須得減少這些干擾。 綜上所述，非電量的轉換，對一些信號進行放大，或者說是減少它的一些外在因素的干擾，我們必須加入調理電路來實現(xiàn)更好的采集信號資源。信號調理電路包括電橋，放大，濾波，隔離等電路。根據(jù)不同的調理對象，采用不同的電路。 信號放大電路通常由運放承擔，運放的選擇主要考慮精度要求，速

14、度要求，幅度要求及共模抑制要求。 濾波和限幅電路通常采用二極管，穩(wěn)壓管，電容等器件。用二極管和穩(wěn)壓管的限幅方法會產生一定的非線性且靈敏度下降，這可以通過后級增益調整和非線性校正補償。此外，由于限幅值比最大值輸入值高，當使用多路開關時，某一路超限時可能影響其他路，需要選用優(yōu)質模擬開關如AD7501。 共模電壓的存在對模擬信號的處理有影響。隔離是克服共模干擾影響的有效措施。常用的隔離方法有：光電隔離，采用隔離放大器等。二.模-數(shù)轉換器（ADC）ADC是計算機同外界交換信息所必須的接口器件，因為它能考慮指標有：分辨率，轉換時間，精度，電源，輸入電壓范圍，工作環(huán)境，數(shù)字輸出特性，價格等。常用的A/D轉

15、換器有：AD574，AD0809，TLC2543，MC14433。三.基本微處理系統(tǒng)單片機構成了基本的微處理系統(tǒng)，它完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取，處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸任務等。常見的單片機芯片有8031、8051、8751、8098等。四.可控硅控制裝置電爐的電源采用交流電，應使用可控硅，通過對可控硅導通角的控制來實現(xiàn)對加熱功率的控制。 系統(tǒng)設計對設計目標進行分析，該系統(tǒng)被控量是溫度。該系統(tǒng)可分為數(shù)字和模擬兩部分，通過A/D轉換器和雙向可控硅組成一個數(shù)字模擬混合系統(tǒng)。數(shù)字部分是單片機控制器，模擬部分包括被控對象（電爐）、傳感器、放大器等模擬環(huán)節(jié)。這里我介紹一下熱電偶工作的大致流程：一路從已標定的標準熱電

16、偶上讀出熱電勢，放大后送A/D，經轉換為數(shù)字信放大A/DA/D光隔驅動單片機標準熱電偶待測熱電偶電源LCD顯示按鍵輸入串口輸出圖3.1 單片機熱電偶性能參數(shù)測試儀硬件原理框圖 電 爐放大號后送入單片機，單片機根據(jù)存貯的分度表計算出電爐溫度，該值作為待測特性曲線的橫軸數(shù)據(jù)送LCD；另一路則讀出待測熱電偶上熱電勢，放大經單片機處理后作為待測曲線的縱軸數(shù)據(jù)送LCD。根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)LCD實時顯示待測熱電偶特性曲線。默認工作模式為從啟動裝置電爐即開始加熱，到達設定溫度后自動切斷加熱。為了實現(xiàn)對爐溫的可控，用雙向可控硅驅動器驅動可控硅調壓，對爐溫、LCD顯示的操作通過按鍵輸入，同時為了方便將特性曲線打印出

17、來以及同計算機通訊，還需要有一個串行接口。 單片機的選擇本系統(tǒng)結構較為簡單，對數(shù)據(jù)處理的速度、精度等要求不高，因此可以選用早期型號的芯片，以降低成本。主要考慮以下幾個方面：1.從運行速度方面來講：我的設計因為比較建檔所以沒有特殊要求，最基本的8031即可滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的要求。2.考慮到存貯空間，其實主要是主程序、熱電偶分度表、子程序等估算大小需要4K空間。3.單片機的內部資源也不需要太多，整個系統(tǒng)主要與單片機相連的是液晶屏、鍵盤、A/D，所以大約需要1520個I/O口。4.對于保密性的話，也沒有特別要求，可以考慮使用帶程序加密的單片機5.單片機的選擇最重要的是它的可用性，最好選擇比較成熟，貨

18、源充足，性價比較高的單片機就好了。 根據(jù)以上的分析要求，我決定選用51系列單片機，該系列應用成熟，片源豐富，價格低廉，開發(fā)簡單，很適合本次設計。 方案一：INTEL公司的8751，8751與8051基本一樣，但8751片內有4k的EPROM，用戶可以將自己編寫的程序寫入單片機的EPROM中進行現(xiàn)場實驗與應用，EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時間擦除后再燒寫。方案二：ATMEL公司的89C51， 8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。為了便于在系統(tǒng)調試時程序修改，必須采用可直接擦寫FLASH存儲器的8

19、9C51，制成成品批量生產時則可考慮使用8751甚至8051。不過從成本來看，89C51與8751等幾乎沒有區(qū)別。3.2 AT89C51單片機89C51的概況MCS-51系列單片機的典型產品有8051，8031，80C51，80C31等。它們的結構基本相同，其主要差別反映在片內存儲器的配置上有所不同。其中，89C51是ROM型單片機，內含4KB的ROM程序存儲器；8751內含4KB的可編程EPROM程序存儲器；而8031則為無ROM型單片機，使用時需外接程序存儲器。1.CPU CPU是單片內部機的核心部件，是單片機的指揮和控制中心。從功能上看，CPU可分為運算器和控制器兩大部分。2.RAM R

20、AM為單片機的內部數(shù)據(jù)存儲器。其存儲空間包括隨機存儲器區(qū)，寄存器區(qū)，特殊功能寄存器及位尋址區(qū)3.ROMROM為單片機內部程序存儲器。用于存放處理程序。4.并行I/O口P0P3口是4個8位并行I/O口，每個口既可以作為輸入，也可以作為輸出。單片機在與外部寄存器及I/O端口設備交換信息的時候，必須由P0P3口完成。P0P3口提供CPU訪問外部存儲器所需的地址總線，數(shù)據(jù)總線及控制總線。P0P3口作為輸出時，數(shù)據(jù)可以鎖存，輸入時具有緩沖功能。每個口既可以同步傳送8位數(shù)據(jù)，又可以按位尋址傳送其中一位數(shù)據(jù)，使用十分方便。5.定時/計數(shù)器定時/計數(shù)器用于定時和對外部時間進行計數(shù)。當它對具有固定時間間隔的內部

21、機器周期進行計數(shù)時，它是定時器；當它對外部事件所產生的脈沖進行計數(shù)時，它是計數(shù)器。6.中斷系統(tǒng)MCS-51系列單片機有5個中斷源，中斷處理系統(tǒng)靈活，方便，使單片機處理問題的靈活性和工作效率大大提高。7.串行接口串行接口提供對數(shù)據(jù)各位按序一位一位地傳送。89C51中的串行接口是一個全雙工通信接口，即能同時進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。8.時鐘電路OSCCPU執(zhí)行指令的一系列動作都是在時序電路的控制下一拍一拍進行的，時鐘電路用于產生單片機中最基本的時間單位。封裝與引腳定義由于89C51單片機為高性能單片機，受引腳數(shù)目的限制，所以不少引腳具有雙重功能。各引腳的含義和功能：1.主電源引腳Vcc和VssVcc:接

22、主電源+5VVss：電源接地端2.時鐘電路引腳XTAL1和XTAL23.控制信號引腳(1)RST/VPD RST/VPD為復位/備用電源輸入端。(2)ALE/PROG為低八位地址鎖存使能輸出/編程脈沖輸入端。(3)PSENPSEN為外部程序存儲器控制信號，即讀選通信號，可以驅動8個LS型TTL負載。CPU在訪問外部程序存儲器的時候，在每個機器周期，PSEN信號兩次有效。(4)EA/VPP為外部程序存儲器允許訪問/編程電源輸入。EA=1時，CPU從內部程序存儲器開始讀取指令。當程序計數(shù)器PC的值超過0FFFH時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器的指令。當EA=0時，CPU僅訪問片外程序存儲器。4.并

23、行I/O口P0P4端口引腳(1) P0是一個8位漏極開路型雙向I/O口。P0口可用作通用I/O口使用，但在端口進行輸入操作前，應先向端口的輸出鎖存器寫“1”。在CPU訪問片外存儲器時。P0口自動作為地址/數(shù)據(jù)復用總線使用，分時向外部存儲器提供低8位地址和傳送8位雙向數(shù)據(jù)信號。(2) P1口是一個內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口。當P1輸出高電平時，能向外部提供拉電流負載，因此不需要再外接上拉電阻。當端口用作輸入時，也應該先向端口的輸出鎖存器寫入“1”然后再讀取端口數(shù)據(jù)。在EPROM編程和驗證程序時，它用來輸入低8位地址。P1口能夠驅動4個LS型TTL負載。(3)P2口是一個內部帶上拉電阻的8

24、位準雙向I/O口。當CPU訪問外部程序存儲器時，P2口自動用于輸出高8位地址，與P1口的低8位地址一起形成外部程序存儲器的16位地址總線。此時，P2口不再作為通用I/O口。P2口也能夠驅動4個LS型TTL負載。在EPROM編程和驗證程序時，它用來接收高8位地址。(4)P3口P3口是一個內部帶上拉電阻的8位多功能雙向I/O口。P3口除了作通用I/O端口外，其主要功能是它的各位還具有的第二功能。無論P3口作為通用輸入口還是作第二輸入功能口使用，相應位的輸出鎖存器和第二輸出功能端都應置“1”。P3口也能夠驅動4個LS型TTL負載。P3的第二功能是作為控制端口使用的。P3口的第二功能相當于PC機中CP

25、U的控制線引腳。 表3.1 AT89C51單片機P3口特殊功能端口引腳第二功能P3.0RXD (串行輸入口)P3.1TXD (串行輸入口)P3.2INTO (外中斷扣)P3.3INT1 （外中斷1）P3.4T0 (定時/計數(shù)器0)P3.5T1 （定時/計數(shù)器1）P3.6WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）.運算器運算器的功能是進行算術、邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作。它包括算術邏輯單元 ALU、累加器 ACC、暫存寄存器、程序狀態(tài)字 PSW 以及 B 寄存器和布爾處理器等。（1）算術邏輯單元 ALU 算術邏輯單元 ALU 用來完成基本的算術運算、邏輯運算，運

26、算結果送累加器 ACC 和 B 寄存器等，運算結果的狀態(tài)送程序狀態(tài)字 PSW 的相應標志位。（2）累加器 A 累加器 A 是最常用的具有特殊用途的 8 位寄存器，也可記作 ACC，專門用來存放操作數(shù)和運算結果 （3）暫存寄存器 暫存寄存器用來暫存數(shù)據(jù)和狀態(tài)，便于數(shù)據(jù)的傳送和運算。（4） B 寄存器 B 寄存器是專門用于乘法和除法運算的 8 位寄存器。在乘法運算中，兩個操作數(shù)分別取自 A、B，乘積的低 8位存于 A，高 8位存于 B；在除法運算中，被除數(shù)取自 A，除數(shù)取自 B，運算后商存于 A 中，余數(shù)存于 B 中。（5）程序狀態(tài)字 程序狀態(tài)字 PSW 是一個 8 位標志寄存器，用來存放指令執(zhí)行

27、后的有關狀態(tài)信息。PSW 中各位狀態(tài)一般是在指令執(zhí)行過程中形成，但也可以由用戶根據(jù)需要通過指令加以設定，各標志位的定義見表2.1。表2.1 程序狀態(tài)字各位定義位序位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0標志CYACF0RS1RS0OVP1） CY （carry）：進位標志位，也可記為 C，用來表示加、減法運算時最高位有無進位或借位，若有進位或借位 CY =1，否則 CY =0，通常由硬件自動完成。在 CPU 進行位操作時，CY 又可被認為是位累加器，它的作用相當于 CPU 中的字節(jié)累加器 A。2） AC：輔助進位標志，若在進行加、減法運算時產生低 4

28、位向高 4位進位或借位，則 AC =1；否則 AC =0。3） F0：用戶標志位，用戶可根據(jù)程序執(zhí)行的需要通過軟件來置位或清除該位，用戶程序對該位進行檢測以控制程序的流向。4） RS1、RS0：工作寄存器選擇位，8051共有 8個 8位工作寄存器 R0 R7，可以用軟件來置位或清除，以確定當前使用的工作寄存器組，用戶可以通過改變 RS1 和 RS0的狀態(tài)來決定 R0 R7的實際物理地址。RS1、RS0與工作寄存器 R0 R7的物理地址之間的關系見表2.2。表2.2 RS1、RS0與工作寄存器地址之間的關系 RS1RS0選中的工作寄存器組R0R7地址000組00H-07H011組08H-0FH1

29、02組10H-17H113組18H-1FH5） OV：溢出標志位，用來指示運算過程中是否發(fā)生溢出。若在執(zhí)行運算指令過程中累加器 A 中運算結果超出了 8位帶符號數(shù)所能表示的范圍 （-128 +127），則 OV 位由硬件自動置 1，有溢出，表示運算結果錯誤；否則 OV 為 0，無溢出，表示運算結果正確。6） P：奇偶標志位，用來表示累加器 A 中 1的個數(shù)的奇偶性，若累加器 A 中 1的個數(shù)為奇數(shù)，則 P 為 1，否則 P 為 0。在串行通信中常用奇偶檢測的方法來檢驗數(shù)據(jù)傳輸是否出錯。 3.2.4 復位電路及單片機的工作方式時鐘電路工作以后，在RESET 輸入端出現(xiàn)兩個周期（10ms）以上的高

30、電平，AT89C51 被初始化復位。復位后，各特殊功能寄存器的初始狀態(tài)如表3.2 所示。P0 口P3 口輸出高電平，初值07H被寫入堆棧指針SP，程序計數(shù)器和其他特殊功能寄存器被清0，但復位不會影響MCS-51 內部RAM的狀態(tài)。只要RESET 始終保持高電平，MCS-51 將循環(huán)復位，在復位有效期間，ALE、PSEN 也輸出高電平，RESET 輸入端返回低電平后，CPU 從0 開始執(zhí)行程序。 表3.2 復位后特殊功能寄存器初始狀態(tài)寄存器復位后的內存寄存器復位后的內存PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPIR

31、0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIPXXX0 0000BSBUF不定IE0XX0 0000BPCON0XXX XXXXBMCS-51 通常采用上電自動復位和開關復位兩種復位方式，其電路如圖2.7 所示。通電瞬間，在RC 電路的充電過程中，RESET 端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET 端保持10ms 以上的高電平，就能使單片機有效地復位，從而實現(xiàn)上電自動復位。在圖3.6 的復位電路中，RC 的參數(shù)通常由實驗調整。在實際的應用系統(tǒng)中，若有外部擴展的I/O 口電路，也需要初始復位，如果它們的復位端同單片機的復位端相連，由于復位時間和復位電平不完全一致，就會使系統(tǒng)初始化失敗。外部接口

32、電路的復位也可以不和單片機的復位端相連接，采用獨立的上電自動復位電路。如果RC 電路接施密特電路輸入端，施密特電路輸出端接單片機和外圍接口復位端，則能使系統(tǒng)可靠地同步復位。 圖3.4 復位電路示意圖當采用6MHz 的晶振時，圖中的CR 選22F，為1K，便能可靠地實現(xiàn)上電自動復位。在圖（b）的開關復位電路中，RR1 取常數(shù)200左右，只要KR 閉合，RESET 端為高電平，復位有效。3.2.5 空閑節(jié)電模式 AT89C51有兩種可用軟件編程的省電模式，它們是空閑模式和掉電工作模式。這兩種方式是控制專用寄存器PCON（即電源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位來實現(xiàn)的。

33、PD是掉電模式，當PD=1時，激活掉電工作模式，單片機進入掉電工作狀態(tài)。IDL是空閑等待方式，IDL=1，激活空閑工作模式，單片機進入睡眠狀態(tài)，如需同時進入兩種工作模式，即PD和IDL同時為一，則先激活掉電模式。 在空閑工作模式狀態(tài)，CPU保持睡眠狀態(tài)而片內外設仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產生。此時，片內RAM和所有特殊功能寄存器的內容保持不變?？臻e模式可由任何允許的中斷請求或硬件復位終止。 終止空閑工作模式的方法有兩種，其一是任何一條被允許的中斷事件被激活，IDL被硬件清楚，即刻終止空閑工作模式。程序會首先響應中斷，進入中斷服務程序，執(zhí)行完中斷服務程序并緊隨RETI（中斷返回）指令后，下一

34、條要執(zhí)行的指令就是使單片機進入空閑模式那條指令后面一條程序。其二是通過硬件復位也可將空閑模式終止。需要注意的是，當由硬件復位來終止空閑工作模式時，CPU通常是從空閑模式那條指令的下一條指令開始繼續(xù)執(zhí)行程序的，要完成內部復位操作，硬件復位脈沖要保持兩個機器周期（24各時鐘周期）有效，在這種情況下，內部禁止CPU訪問片內RAM，而允許訪問其他端口。為了避免可能對端口產生意外寫入，激活空閑模式的那條指令后一條指令不應是一條對端口或對外部存儲器的寫入指令。 控制器控制器是單片機的指揮控制部件，由程序計數(shù)器 PC、指令寄存器 IR、指令譯碼器ID、定時控制電路等組成。（1）程序計數(shù)器 PC 程序計數(shù)器

35、PC 是一個 16位專用寄存器，可對 64KB 程序存儲器直接尋址，用來存放將要執(zhí)行的下一條指令的地址。改變 PC 中的內容便可改變程序的執(zhí)行方向。PC 是一個獨立的寄存器，隨時指向將要執(zhí)行的指令的地址，具有自動加1的功能，但本身無具體的物理地址。（2）指令寄存器 IR 和指令譯碼器 ID 指令寄存器用來存放指令代碼。當 CPU 執(zhí)行指令時，從程序存儲器中讀取的指令代碼經指令寄存器送入譯碼器，譯碼后由定時控制電路發(fā)出相應的控制信號，以完成指令所規(guī)定的操作。（3）定時控制電路 定時控制電路是控制器的核心，由它產生 CPU 的操作時序。 掉電模式在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最

36、后一條被執(zhí)行的指令，片內RAM和特殊功能寄存器的內容在終止掉電模式前被凍結。推出掉電模式的唯一方法是硬件復位，復位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內容，在Vcc恢復到正常工作電平前，復位應無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。 空閑和掉電模式外部引腳狀態(tài)模式程序存儲器ALEPSENP0P1P2P3空閑模式內部11數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)空閑模式外部11浮空數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)掉電模式內部00數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)掉電模式外部00浮空數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)3.3 器件選擇方案論證 放大器 方案一：前級選用自穩(wěn)零高精度斬波運放ICL7650，后級則選用通用運放LM741，主要完成反相功能，ICL76

37、50 輸入端的鉗位二極管起保護作用，避免輸入線路故障時或瞬態(tài)尖峰干擾損壞運放。方案二：前級選用美國公司的自校準信號放大器，后級則選用通用運放LM324完成反相。內有兩個自校準運放通道，對溫漂零漂可進行自校準。經過比較，由于本次設計輸入信號有兩路，而TLC4502能夠對兩路信號進行處理，可以減少元件，縮小制版占用空間，簡化電路，因此選擇方案二搭建信號放大電路。 3.3.2 A/D轉換器方案一：A/D轉換器采用ADC0809， ADC0809是帶有8：1多路模擬開關的8位A/D轉換芯片，所以它可有8個模擬量的輸入端，由芯片的A，B，C三個引腳來選擇模擬通道中的一個。方案二：A/D轉換器采用AD57

38、4，它具有12位的輸出精度，高于本系統(tǒng)的要求，AD574的DB0DB11是12個輸出端，它與單片機的I/O口相連時較麻煩。 方案三：A/D轉換器采用MC14433，它滿足本系統(tǒng)的要求。MC14433的輸出端與單片機相連時，可以直接連接到單片機的I/O口，連接方便。唯一的不足是價格較高，每片大約6元，而ADC0809每片不足2元。 方案二、三中的AD574、MC14433或者價格較高，或者在與單片機的I/O口連接時電路復雜，因此本次畢業(yè)設計選擇方案一中的ADC0809，它能滿足系統(tǒng)的要求，成本低廉，而且硬件電路設計比較簡單。 串行接口器件 方案一：PC機配有標準RS-232接口，單片機輸出的是T

39、TL電平。因此，單片機與PC機之間通訊時，需要電平轉換。RS-232電平轉換芯片有MC1489，MC1488。MC1488內有三個與非門和一個相反器，供電電壓為+15V-15V或者+12V-12V，輸入為TTL電平，輸出為RS-232電平。MC1489內部有四個相反器，輸入為RS232電平，輸出為TTL電平。 方案二：采用MAX232作為單片機與PC之間通訊的橋梁。MAX232的優(yōu)點是：一片芯片可以完成發(fā)送轉換和接收轉換的雙重功能：單一電源+5V供電。 方案一中的MC1488和MC1489，完成電平轉換時電路設計麻煩，比較容易出現(xiàn)錯誤，而且功能不如MAX232齊全。所以選擇方案二中的MAX23

40、2作為電平轉換的芯片，它不僅在功能上能滿足本系統(tǒng)的要求，且電路設計與連接比較簡單。第四章 熱電偶性能測試儀的硬件設計4.1 單片機電路設計本系統(tǒng)采用AT89C51 單片機作為核心器件，如圖， P0.0-P0.7作為單片機的輸出部分，接LCD，P1.0-P1.2作為單片機的輸入部分，接按鍵。RXD、TXD用于串行接口部分。 圖4.1 單片機接口電路單片機的晶振采用外接12M晶振。4.2 通道設計 溫度檢測與信號放大電路前級選用放大器，后級選用運放LM324。（查詢資料可知）內有兩個自校準運放通道。其通道的原理圖如圖3.3所示。通電后，上電復位電路開始工作，通過控制邏輯電路啟動自校準過程。首先激活

41、振蕩器以提供逐次逼近算法的時鐘信號,同時斷開、，并接通、。此時,運算放大器輸入端短路,輸出為失調電壓,該電壓經到片內并通過轉換器轉換后,存入寄存器內,然后再通過片內轉換器轉換后送到運算放大器內進行失調對消。經過若干個時鐘周期后,失調電壓逐次逼近零點,此時控制邏輯電路自動斷開和，并接通和，校準過程即告結束。經校準后，運算放大器的失調電壓的誤差為零，因此，就可以像一般的運算放大器一樣使用了。 圖4.2 TLC4502片內通道原理圖只要不斷電,校準后的失調調零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器中。圖4.3 熱電偶放大電路4.2.2 A/D轉換器由于本系統(tǒng)采集的是溫度信號，對轉換速度要求不高，故8位A/

42、D 轉換器ADC0809可滿足要求。ADC0809是帶有8：1多路模擬開關的8位A/D轉換芯片，所以它可有8個模擬量的輸入端，由芯片的A，B，C三個引腳來選擇模擬通道中的一個。A，B，C三端分別與89C51的P1.0P1.2相接。地址鎖存信號(ALE)和啟動轉換信號（START），由P2.7和/WR或非得到。輸出允許，由P2.7和/RD或非得到。時鐘信號，可有89C51的ALE輸出得到，不過當采用12M晶振時，應該先進行四分頻，以滿足ADC0809的時鐘信號必須小于640K的要求。本系統(tǒng)采用AT89C51 的P 0口與ADC0809相連 4.4 單片機與ADC0809連接原理圖 串行接口89C

43、51芯片內有一個全雙工的串行口，該串行口和其他標準串行口芯片一樣，輸入輸出均為TTL電平。這種以TTL電平傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾性差，傳輸距離短。為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，一般采用標準串行接口，如RS-232C、RS-422A、RS-485等標準串行接口。 RS-232C的機械指標規(guī)定：RS-232C接口通向外部的連接器（插針插座）是一種“D”型25針插座。在微機通訊中，通常被使用的RS-232C接口只有九根引腳，見下表。 表4.1 常用RS-232引腳功能引腳號符號方向功能2TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)3RXD輸入接收數(shù)據(jù)4RTS輸出請求發(fā)送5CTS輸入清除發(fā)送6DSR輸入數(shù)據(jù)通訊設備準

44、備好7GND信號地8DCD輸入數(shù)據(jù)載體檢測20DTR輸出數(shù)據(jù)終端準備好22RI輸出振鈴提示RS-232C采用負邏輯，即：邏輯“1”：-3V-15V；邏輯“0”：+3V+15V。RS-232C標準的信號傳輸?shù)淖畲箝L度為30米，最高傳輸速率為20KB/S。 由于TTL電平和RS-232C電平互不兼容，所以兩者接口時，還必須進行電平轉換。MAX232的優(yōu)點是： 一片芯片可以完成發(fā)送轉換和接受轉換的雙重功能； 單一電源+5V供電。 MAX232的管腳說明： C1+，C1-，C2+，C2-：外接電容端。 R1IN，R2IN：2路RS-232電平信號接收輸入端。 R1OUT，R2OUT：2路轉換后的TTL

45、電平接收信號輸出端，送單片機的RXD接收端。 T1IN，T2IN ：2路TTL電平發(fā)送輸入端，接單片機的TXD發(fā)送端。 T1OUT，T2OUT：2路轉換后的發(fā)送RS-232電平信號輸出端，接傳輸線。 V+：經電容接+5V電源。 V-：經電容接地。MAX232的芯片引腳如圖。表 4.2 MAX232芯片電氣特性電氣特性參數(shù)范圍帶37K負載時驅動器輸出電平邏輯1：-3V-15V邏輯0：+3V+15V不帶負載時驅動器的輸出電平-25V+25V驅動器通斷時的輸出阻抗>300輸出短路電流<0.5A驅動器轉換速率<30V/S接收器輸入阻抗3K7K接收器輸入電壓允許范圍-25V+25V輸入

46、開路時接收器的輸出邏輯1輸入經300接地時接收器的輸出邏輯1+3V輸入時接收器的輸出邏輯0-3V輸入時接收器的輸出邏輯1最大負載電容2500PF 圖 4.5 MAX232芯片引腳配置 圖 4.6 MAX232芯片與串口連接電路 MAX232芯片連接電路如圖4.6所示。4.3 操作控制面板設計 按鍵電路圖4.7 74HC148邏輯圖和引腳圖本系統(tǒng)提供了8個按鍵，16分別對應以下功能：電爐加熱/停止、溫度+、溫度、自動手動方式切換、環(huán)境溫度設置、與PC通信，另有兩個鍵暫時未定義。為了防止有多個按鍵同時按下造成錯誤，接優(yōu)先編碼器74HC148。在數(shù)字系統(tǒng)中，特別是在單片機系統(tǒng)中，常常要控制幾個工作對

47、象，例如要控制打印機、顯示器、輸入鍵盤等。當某個部件需要實行操作時，必須先送一個信號給主機（稱為服務請求），經主機識別后再發(fā)出允許操作信號（稱為服務響應），這里會有幾個部件同時發(fā)出服務請求的可能，而在同一時刻只能給其中一個部件發(fā)出允許操作信號。因此，必須根據(jù)輕重緩急，規(guī)定好這些控制對象允許操作的先后次序，即優(yōu)先級別。識別這類請求信號的優(yōu)先級別并進行編碼的邏輯部件稱為優(yōu)先編碼器。74HC148邏輯圖和引腳圖如圖4.7，功能表如下表： 圖4.7 按鍵接口電路 LCD接口電路本系統(tǒng)采用南亞圖形液晶模塊LMA97S005AD，該模塊為128×64的點陣液晶LCD，該器具有顯示清晰，集成控制芯

48、片，外圍電路簡單、占用單片機口線少、占用CPU 時間短及顯示字形豐富的特點，是一種適合單片機使用的顯示芯片。LCD顯示裝置LCD驅動器LCD控制器 圖4.11 LCD內部結構框圖表4.4 LMA97S005AD接腳資料：接腳編號接腳符號電平功能或規(guī)格1Vss（輸入）0V接地，0V2Vdd5.0V接電源3VO-反視度調整。LCD操作電壓4D/IH/L寄存器選擇。1：數(shù)據(jù)，0：指令5R/WH/L讀/寫選擇。1：讀，0：寫6EH.HàL使能信號7-14DB0DB7H/L數(shù)據(jù)腳15CS1HIC1片選信號（左半屏）16CS2HIC2片選信號（右半屏）17RSTL復位信號18VEE-18.0VL

49、CD負壓驅動器19NC空腳20NC空腳接腳說明：（1）腳1為接地，腳2為5V電源輸入（2）V0腳3為LCD反視調整電壓，可直接或串接數(shù)K電阻與第18腳VEE連接?；蚩山右豢烧{電阻在腳2及VEE，令可調點接V0即可。（3）第4腳D/I為數(shù)據(jù)/指令寄存器，第5腳為讀/寫線，此兩腳搭配如下：D/IR/W運作方式11由輸出寄存器讀取數(shù)據(jù)，內部運作先將顯示RAM放入輸出寄存器10將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器，內部運作則將輸入寄存器寫入顯示RAM01忙碌信號及狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取00指令寄存器 （4）腳6E為使能腳，E需由高電位變?yōu)榈碗娢粫r，數(shù)據(jù)才能有效轉移。（5）第7腳到第14腳為數(shù)據(jù)排線（6）第15腳（CS1）和第1

50、6腳（CS2），這兩腳為芯片選擇腳。 如果CS1=1,CS2=0，左半屏64×64點有效 如果CS1=0,CS2=1，右半屏64×64點有效（7）第17腳（RST）為重置腳，關機后，送低脈沖可重置HD61202芯片，當RST為低電位時，只有讀取狀態(tài)指令能被執(zhí)行。（8）第18腳（VEE）為LCD驅動電路，約為10V18V，本模塊已有負壓產生電路，不必由外部提供負壓。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)輸入引腳DB0DB7接AT89C51的P0.0P0.7口，CS1、CS2片選引腳接P1.6、P1.7，使能端E接T1，RD、WR分別接RD、WR口。4.4控制執(zhí)行電路設計圖4.12 MOC3061MOC3061器件是紅外LED加上帶過零檢測的光敏雙向晶閘管組成的復合器件，結構見左圖。輸入部分是一砷化鎵二極管，此