溫度自動測試儀器正文

-.z.1前言溫度是一種最根本的環(huán)境參數(shù)，人們的生活與環(huán)境溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時監(jiān)測溫度，在農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)過程中也離不開溫度的監(jiān)測。因此研究溫度的測量與顯示系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本次實(shí)驗(yàn)是將平時學(xué)習(xí)的知識用到實(shí)際當(dāng)中去。我們知道人工手動記錄一個導(dǎo)熱物體的散熱溫度，是非常困難的，一是其散熱時間如果很長，難免會讓人疲勞。二是如果溫度的變化很快，記錄的人根本不能分辨記錄，等等諸多原因都將限制人工手動的記錄。簡單的說溫度自動測試儀器是將物體溫度的變化值，轉(zhuǎn)化成微弱的電信號再經(jīng)放大電路放大，A/D轉(zhuǎn)換，存儲然后顯示，什么時候需要數(shù)據(jù)就什么時候把數(shù)據(jù)提出來使用，大大的節(jié)約了人力，簡化了整個過程。在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)驗(yàn)室中自動溫度測試儀都有很好的用武之地。2方案設(shè)計(jì)2.1方案比擬與論證方案一設(shè)計(jì)框圖如下所示：DS18B20DS18B20按鍵LCD顯示MCU圖2.1方案一框圖方案一溫度自動測試儀采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的一種改良型智能溫度傳感器DS18B20作為人測元件，測溫范圍收—55~125℃，最大分辨率可達(dá)0.0625℃，DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用3線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低本錢和易使用的特點(diǎn)。方案二設(shè)計(jì)框圖如下：溫度傳感器溫度傳感器程控放大電路A/D轉(zhuǎn)換MCULCD顯示按鍵圖2.2方案二框圖方案二采用熱電偶傳感器，熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的準(zhǔn)確度；測量范圍廣，可從-50~l600℃進(jìn)展連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵—鎳鉻，最低可測到一269℃，鎢—錸最高可達(dá)2800℃。大大的提高了測溫范圍。并且采用了INA114儀用放大器提高了放大精度。高精度的A/D轉(zhuǎn)換器7135具有±20000個數(shù)的分辨率，而且有BCD碼和STB選通信號輸出，與微機(jī)接口十分方便。在小型化儀表中，應(yīng)該以最少的元件完成盡可能多的任務(wù)，7135只要一個I/O和8051內(nèi)部的一個定時器就可以把數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，節(jié)約了硬件資源。2.2方案選擇比擬兩種方案，其優(yōu)點(diǎn)上面都已介紹了。但是方案一，不能應(yīng)用于高溫場合，這必將限制其應(yīng)用的范圍。而且其精度與方案二所用的儀用放大器相比擬也用明顯的缺乏之處。最后綜合各種實(shí)際因素我們覺得采用方案二來實(shí)現(xiàn)。3單元模塊設(shè)計(jì)3.1特殊器件介紹3.1.1INA114儀用放大器INA114是一種通用儀用放大器,尺寸小、精度高、價格低廉,可用于電橋、熱電偶、數(shù)據(jù)采集、RTD傳感器和醫(yī)療儀器等。INA114只需一個外部電阻就可以設(shè)置1至10000之間的任意增益值,內(nèi)部輸入保護(hù)能夠長期耐受±40V,失調(diào)電壓低〔50μV〕,漂移小〔0.25μV/℃〕,共模抑制比高〔G=1000時為50dB〕,用激光進(jìn)展調(diào)整,可以在±2.25V的電壓下工作,使用電池〔組〕或5V單電源系統(tǒng),靜態(tài)電流最大為3mA。INA114采用8引腳塑料封裝或SOL-16外表封裝貼件,使用環(huán)境溫度為-40℃～+85℃。INA114的內(nèi)部電路和引腳布局如圖3.1和圖3.2。圖3.1INA114內(nèi)部電路圖3.2INA114引腳布局3.1.2ICL7135介紹ICL7135精度高、抗干擾性能好、價格低，應(yīng)用十分廣泛。ICL7135具有±20000個數(shù)的分辨率，而且有BCD碼和STB選通信號輸出，與微機(jī)接口十分方便，因此有很多文章介紹ICL7135作為微機(jī)的高精度A/D接口電路。本此設(shè)計(jì)與常用的方法不同之處是利用ICL7135的"busy〞輸出信號與單片機(jī)MCS-51銜接。ICL7135是以雙積分方式進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換的電路。每個轉(zhuǎn)換周期分為三個階段：自動調(diào)零階段，被測電壓積分階段，對基準(zhǔn)電壓進(jìn)展反積分階段。以輸入電壓V*為例，其積分器輸出端〔ICL7135的4腳〕的波形如圖3.4所示。"busy〞輸出端〔ICL7135的21腳〕高電平的寬度等于積分和反積分時間之和。ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分時間固定為10001個時鐘脈沖時間，反積分時間長度與被測電壓的大小成比例。如果利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對ICL7135的時鐘脈沖計(jì)數(shù)，利用"busy〞作為計(jì)數(shù)器門控信號，控制計(jì)數(shù)器只能在busy為高電平時計(jì)數(shù)，將這段busy高電平時間內(nèi)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容減去10001，其余數(shù)便等于被測電壓的數(shù)值。圖3.3"busy〞輸出波形3.1.3熱電偶傳感器在該設(shè)計(jì)中采用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶,分度號為K,對0～1300℃的溫度為0～52.410mV。該熱電偶特點(diǎn)有:熱電勢高、熱電特性近于線性、性能穩(wěn)定、復(fù)制性好、價格廉價、精度高等。如圖3.5為熱電偶的構(gòu)造圖,假設(shè)A為正級,B為負(fù)極,所產(chǎn)生的總電動勢為E(t,to)=EAB(t)-EAB(to),其中t端為工作端,to端為冷端。在測量中,必須把冷端的溫度保持恒定或采用一定方法處理。為了表示輸出電壓與溫度之間的特性,一般手冊上都有熱電偶特性分度表,如表3.1為其K型鎳鉻-鎳硅熱電偶的分度表。圖3.4熱電偶的構(gòu)造圖表3.1K型鎳鉻-鎳硅熱電偶的分度表參考端溫度：0℃T,℃-200-1000100200300400500E,mV-5.891-3.5540.0004.0968.13812.20916.39720.644T,℃6007008009001000110012001300E,mV24.90529.12933.27537.32641.27645.11948.83852.410當(dāng)使用熱電偶測量溫度時,要求冷端溫度保持0℃,這樣才能準(zhǔn)確地使用熱電偶特性分度表查得所測溫度。由于熱電偶的材料一般都比擬貴重〔特別是采用貴金屬時〕，而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低本錢，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端〔自由端〕延伸到溫度比擬穩(wěn)定的控制室內(nèi)。3.2硬件模塊設(shè)計(jì)3.2.1中央處理器設(shè)計(jì)在中央處理局部我們采用的是89C52單片機(jī)。在本系統(tǒng)中89C51已經(jīng)足夠用了。它完成了此系統(tǒng)中最主要的工作，數(shù)據(jù)的處理，放大倍數(shù)的調(diào)整，數(shù)據(jù)顯示等。引腳連線如下列圖所示：圖3.5單片機(jī)連線圖3.2.2信號放大電路設(shè)計(jì)信號放大局部電路圖如下。這個局部我們采用INA114儀用放大器，并采用放大10，100，1000倍，三個檔位，檔位的選擇上我們利用繼電器連接單片機(jī)的P1.0,P1.1,P1.2三個引腳。圖3.6INA114儀用放大局部3.2.3A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)TCL7135的主要性能特點(diǎn)為：1〕輸入阻抗達(dá)109Ω以上，對被測電路幾乎沒有影響；2〕自動校零；3〕有準(zhǔn)確的差分輸入電路；4〕自動判別信號極性；5〕有超、欠壓輸出信號6〕采用位掃描與BCD碼輸出。7135的硬件電路圖如下：圖3.77135電路可利用單片機(jī)AT89C51的ALE信號作為ICL7135的脈沖(CLK)輸入。電路中我們采用兩4013芯片對單片機(jī)ALE端發(fā)出的信號進(jìn)展四分頻。圖3.8四分頻電路3.2.4顯示電路設(shè)計(jì)我們采用LCD1602進(jìn)展所測溫度的顯示，硬件電路連接如下列圖所示。電路中我們主要用到了P0口所以有上拉電阻。圖3.9LCD顯示3.2.5按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵局部如下列圖，按鍵局部主要是控制存儲數(shù)據(jù)的讀取工作。圖3.10按鍵3.2.6串口電路設(shè)計(jì)串口局部我們采用MA*232，其主要完成與上位機(jī)的通信工作。電路如下列圖所示：圖3.11串口連接圖3.2.7電源電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中我們設(shè)計(jì)了兩個電源一個圖3.12是專門為INA114提供。電源設(shè)計(jì)為+-9V。圖3.12+-9V雙電源圖3.13電源為公有電源+5V，為系統(tǒng)提供電能。圖3.13+5V電源4軟件設(shè)計(jì)硬件電路描述如下：89C51單片機(jī)的P1.0~P1.7分別接有LCD14腳~7腳，P2.4P2.5P2.6接LCD的RS,RW,E。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分別接有四個按鈕K1~K4，按下按鈕時，相應(yīng)引腳被接地。K1按下為顯示上一條數(shù)據(jù)，K2按下為顯示下一條數(shù)據(jù)。K3按下為停頓顯示，K4按下為開場。LCD顯示A/D轉(zhuǎn)換LCD顯示A/D轉(zhuǎn)換初始化鍵盤掃描入口數(shù)據(jù)處理出口4.1鍵盤掃描子程序設(shè)計(jì)鍵盤掃描局部主要是判斷，K1、K2、K3、K4鍵之一是否被按下。如果被按下就要執(zhí)行相應(yīng)的命令。未被按下，則按順序繼續(xù)執(zhí)行，以后的程序。程序框圖如下：顯示上一條顯示上一條顯示下一條K3被按下K2被按下K1被按下數(shù)據(jù)處理K4被按下停頓顯示開場顯示YNYNYNY圖4.2鍵盤程序框圖按鍵掃描程序：voidk_down(void){ if(!key_down) { delay5ms(26); if(!key_down) { if(set==1) { out=0; over(); if(out==0) //如果沒有按下退出鍵 { switch(sec) { case1:price_one-=1; //如果選的是第一位 if(price_one<0)price_one=9; four(); //更新顯示 break; case2:price_two-=1; //如果選的是第二位if(price_two<0)price_two=9; four(); //更新顯示 break; case3:price_three-=1; //如果選的是第三位 if(price_three<0)price_three=9; four(); //更新顯示 break; case4:price_four-=1; //如果選的是第四位 if(price_four<0)price_four=9; four(); //更新顯示 break; } } } elseif(see==1) { num-=1; if(num<0)num=9; first(we[num]); second(pr[num]); } while(!key_down); } }}4.2LCD顯示子程序設(shè)計(jì)LCD1602的顯示程序模塊，首先將LCD1602進(jìn)展初始化，寫控制命令，然后對LCD1602進(jìn)展讀寫命令的操作。子程序子程序入口寫入數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)顯示溫度值顯示溫度值子程序子程序出口圖4.3LCD顯示框圖LCD子程序如下：voidnow(uintn_value1,uintn_value2){ ucharn_one1,n_two1,n_three1,n_four1; ucharn_one2,n_two2,n_three2,n_four2,n_five2; uchari; uchartable1[]="parameter:"; uchartable2[]="time:"; if(out) { for(i=0;i<10;i++) { LCD_wdat(table1[i]); delay(5); } LCD_wdat(n_one1+'0'); LCD_wdat(n_two1+'0'); LCD_wdat('.'); LCD_wdat(n_three1+'0'); LCD_wdat(n_four1+'0'); LCD_wdat('L'); LCD_wdat(''); LCD_wdat(''); LCD_wdat(''); LCD_w(0*80+0*40); for(i=0;i<6;i++) { LCD_wdat(table2[i]); delay(5); } LCD_wdat(n_one2+'0'); LCD_wdat(n_two2+'0'); LCD_wdat(n_three2+'.'); LCD_wdat(n_four2+'0'); LCD_wdat('0'); LCD_wdat(n_five2+'.'); LCD_wdat('0'); LCD_wdat('0'); LCD_wdat(''); LCD_wdat(''); } }5系統(tǒng)調(diào)試5.1總體仿真調(diào)試在ISIS軟件下畫出LCD1602最小系統(tǒng)。并且利用keil軟件編寫程序，LCD仿真圖如下所示。但是在ISIS軟件里的仿真結(jié)果是理想的參數(shù)下的結(jié)果，與實(shí)際硬件調(diào)試有一定的差距。圖5.1系統(tǒng)仿真由于我們還沒有開場硬件調(diào)試所以只有通過仿真調(diào)試。在仿真過程中我們只有利用ISIS仿真進(jìn)展調(diào)試，通過LCD1602顯示來調(diào)試程序。最開場我們只能顯示一排，然后通過修改程序讓它顯示兩排，但是LCD1602每排最多可以顯示16個字符。因?yàn)轱@示接在P0口所以必須要接上上拉電阻才可以。5.2硬件調(diào)試對硬件的調(diào)試首先對電源進(jìn)展了測試，數(shù)字電路的電源的測試值與理論值沒一點(diǎn)誤差，都為標(biāo)準(zhǔn)的5V。在對模擬電路的電源進(jìn)展測試的時候出現(xiàn)了一點(diǎn)問題，就是在測試負(fù)電源的時候測得的數(shù)據(jù)比理論值小很多，7909的輸出只有-2.5V左右，遠(yuǎn)小于理論值，而且電路中的元件發(fā)熱特別厲害。經(jīng)過用萬用表仔細(xì)的檢測測試，發(fā)現(xiàn)在一個貼片電容被短路了，經(jīng)改正后就正常了。之后我們又對A/D和輸入電壓與對應(yīng)的溫度顯示的測試。從J3的1腳輸入0到2V電壓，J4接口的1腳和3腳接220V/9V變壓器輸出的交流電壓，J2接口接220V/9V變壓器輸出的交流電壓，接上LCD1602,通過串口下載接口J5，下載程序。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化，LCD1602顯示值發(fā)生變化，證明ICL7135正常工作，程序運(yùn)行正確，在實(shí)際的硬件圖片中我們可以看到，系統(tǒng)正面的元件很少，那是因?yàn)槲覀冞x擇了大量貼片元件，節(jié)約了空間也節(jié)約了本錢。5.2.1電源局部的調(diào)試電源局部分為模擬電源和數(shù)字電源，模擬電源提供±9V和±5V電壓。數(shù)字電源提供+5V電壓。J4接口的1腳、2腳、3腳接220V/12V變壓器輸出的交流電壓，J2接口接220V/9V變壓器輸出的交流電壓。R21的2腳的電壓1V是通過調(diào)節(jié)電位器R21得到的。5.2.2LCD1602顯示電路調(diào)試首先通電，J2端接220V/9V變壓器輸出，LCD1602通過J7的1到13引腳引出，LCD1602的3腳直接接地，6～13腳接LCD的數(shù)據(jù)輸入端。15腳背光正極接VCC，16腳背光負(fù)極接地。把程序通過串口下載接口J5下載到單片機(jī)內(nèi)，觀察LCD1602顯示的字符。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，MA*232能夠正常的運(yùn)行，即可以將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，而LCD1602也能夠正常的工作。5.2.3ICL7135A/D轉(zhuǎn)換電路調(diào)試首先給各個芯片供電，在J4接口的1腳和3腳接220V/12V變壓器輸出的交流電壓，J2接口接220V/9V變壓器輸出的交流電壓。接上LCD1602,通過串口下載接口J5，下載程序。在ICL7135的9腳和10腳(信號地)接入一個由1.5V的干電池和1K的滑動變阻構(gòu)成的簡單分壓器做模擬量輸入。當(dāng)改變輸入的信號電壓，LCD1602顯示值按預(yù)期的值對應(yīng)的發(fā)生變化，這就證明ICL7135正常工作，程序運(yùn)行正確，A\D轉(zhuǎn)換局部調(diào)試完畢。INA114放大局部調(diào)試首先給各個芯片供電，在J4接口的1腳和3腳接220V/12V變壓器輸出的交流電壓，已給TL084供電。再J1處接入一個由1.5V的干電池和1K的滑動變阻構(gòu)成的簡單分壓器。輸入信號為20mA。且其1腳接正，2腳接地。程序運(yùn)行讓R23這條支路導(dǎo)通，再調(diào)節(jié)電位器R23,測試TL084的1腳輸出電壓。使其到達(dá)輸出與輸入之比為10。100倍，1000倍調(diào)試一樣。6.系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)測試的電源電壓數(shù)據(jù)如下：表6.1電源電壓輸出測試表元件7809790978057905理論值〔V〕+9-9+5-5實(shí)際值(V)+8.97-8.96+4.98-4.94放大電路的測試：表6.2放大增益測試表增益GR(Ω)輸入Vi(mV)輸出V0(V)105K300.30395105K600.60573810050050.49616210050090.89362710005011.001384溫度顯示的測試：特別說明溫度的顯示測試我們是利用輸入微弱電信號來到達(dá)測試目的的。表6.3溫度顯示測試表輸入信號〔mV)0.7946.92410.14819.781溫度顯示(℃)201702504807.結(jié)論此次課程設(shè)計(jì)經(jīng)過為期多周的不懈努力，目前根本到達(dá)了預(yù)期的要求，通過對整個系統(tǒng)的調(diào)試，可得到如下結(jié)論：該設(shè)計(jì)電路測溫范圍為0～1300℃,分辨率高；測量誤差小。本應(yīng)在設(shè)計(jì)中再參加鍵盤控制,可以選擇不同熱電偶,以到達(dá)對不同測溫環(huán)境,從而使測量更準(zhǔn)確和測量量程更大,但由于時間問題,該設(shè)計(jì)沒做出來。系統(tǒng)構(gòu)造簡單，可靠性高，本錢低，實(shí)用效果良好。在本次設(shè)計(jì)中，到達(dá)了該課題設(shè)計(jì)的根本要求,首先是加強(qiáng)了我對傳感器信號