1、摘 要智能溫度控制系統 近年來隨著科技的飛速發展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。本系統是以單片機的基本語言匯編語言來進行軟件設計編程的，其指令的執行速度快，節省存儲空間。為了便于擴展和更改，軟件的設計采用模塊化結構，使程序設計的邏輯關系更加簡潔明了。使硬件在軟件的控制下協調運作。 根據本溫度系統的設計要求，該系統是由單片機和溫度傳感器與一體的綜合設計，由于是用單片機采集溫度信號，所以在之前必

2、須對溫度信號進行放大和轉換，就應該選擇放大器和 a/d 轉換器，本系統要實現人工智能化，就必須有對溫度進行設定，所以還需要設計鍵盤與單片機系統進行溝通。關鍵字關鍵字：單片機 溫度傳感器 鍵盤 a/d 轉換器 放大器 目 錄摘 要 .i第一章 緒 論.1第二章 設計要求 .22.1 設計課題工藝過程簡介.22.2 控制任務指標及要求：.2第三章 系統設計思想.3第四章 硬件的選擇.44.1 單片機的選擇.44.2 溫度傳感器的選擇.44.3 顯示器的選擇.44.4 鍵盤的選擇.44.5 溫度控制部分.54.6 自動推舟控制部分.54.7 實現方案.5第五章 硬件設計 .65.1 單片機基本系統：

3、.65.1.1 單片機 8051.65.1.2 8155 簡介.95.2 前向通道.135.2.3 溫度傳感器：.135.2.4 運算放大器.155.2.5 a/d 轉換器： .185.3 后向通道.5.4 人機對話通道.205.4.1 顯示器：.205.4.2 鍵 盤.235.4.374922 引腳說明及功能.265.5 其他外圍器件.26第六章 軟件設計 .296.1 軟件設計思路：.296.2 程序設計流程說明：.296.3 主程序流程圖如下：.306.4 鍵盤輸入中斷服務程序.316.5 溫度檢測子程序流程圖.316.6 程序清單.32結 論 .37謝 辭 .38參考文獻.39成都電子

4、機械高等專科學校 04 級畢業設計1第一章第一章 緒緒 論論 計算機是人類有史以來最偉大的發明之一，人類經過幾個世紀的努力，把計算機從中國古老的算盤發展到當代的計算機。當代計算機并非僅用于計算，它更廣泛地應用到社會生活中的各個領域，從宇宙飛船到人造衛星，從天氣預報到地震預報，從辦公自動化到生產過程自動化，都離不開計算機的應用，計算機已成為促進現代文明的進步，推動人類社會發展的“智能工具” 。單片微型計算機（single chip microcomputer）被稱為單片機，它是各類專用控制器而設計的通用或專用微型計算機系統，高密度集成了普通微機的微處理器、一定容量的 ram 和 rom 以及輸入

5、/輸出接口，定時器等電路于一塊芯片上構成的。單片機的應用十分廣泛，其具體有以下幾個特點：（1） 小巧靈活、成本低，易于產品化。它能方便地組裝成各種智能化的控制設備及各種智能儀器儀表。（2） 面向控制，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務，因而能獲得最佳的性能價格比。（3） 抗干擾能力強，適應溫度范圍寬，在各種惡劣的環境條件下都能可靠地工作，這是其它機種無法比擬的。可以很方便地實現多機和分布控制。使整個系統的效率和可靠性他大為提高。 （4）單片機具有體積小、功耗低、價格便宜等優點，今年來還開發了一些以單片機母片（如 8051） ，在片中嵌入更多的專用型單片機，因此單片機在計算機控制領域中應用

6、越來越廣泛。單片機的應用意義不僅帶來的巨大經濟效益。更重要的意義還在于單片機的應用正從根本上改變著傳統的抗爭系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能用單片機通過軟件的方法實現。這種以軟件取代硬件并提高系統性能的控制技術，稱之為微控制技術。微控制技術標志著一種全新概念的出現，是對傳統控制技術的一次革命。隨著單片機應用的推廣和普及，微控制技術必將不斷發展，日益完善。溫度是工業控制對象中主要的被控參數之一,特別是在冶金,化工, 建材,食品加工,機械制造等各類工業中廣泛使用加熱爐,熱處理爐,反應爐等。這些技術高精度高的自動控制可以使用計算機來完成。但由于在工業生產

7、中，生產的對象往往是復雜多變的，都用計算機控制可能增加生產成本，因此為了能夠滿足人們的生產需要，在很多生產控制中就運用到了單片機控制下面就是運用單片機控制元件生成的推舟設計系統。成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計2第二章第二章 設計要求設計要求設計一個溫度控制系統，實現計算機控制自動推舟系統具體要求如下:2.1 設計課題工藝過程簡介設計課題工藝過程簡介隨著現代社會的高速發展，在工業生產現場和電力電子技術領域中，半導體元器件得到廣泛的利用。在半導體產品的研制和生產過程中，有一道關系到半導體器件性能的關鍵工序在外延片上均勻地生長若干不同厚度的摻雜層，生長的方法是： 首先，將待加工的外延片放

8、在液相外延爐中預熱，在推桿的前端并列放著幾個小方框，小方框中裝有不同的慘雜物。當爐溫達到一定溫度值后，預熱結束后爐溫開始下降，根據半導體器件的要求，當爐溫降到某個設定值時，便要將推桿推進一 個舟的距離，使舟中的摻雜物對準外延片，并在外延片生長一片薄層。當爐溫再降到另一個規定值時，直到摻雜完所有層，生成半導體器件。根據該半導體器件的摻雜層數的不同推舟的距離在 20mm-170mm 之間。同樣，推舟的速度也各有不同的要求，大約介于 7mm/s-25mm/s 之間。2.2 控制任務指標及要求：控制任務指標及要求：摻雜推舟工作溫度范圍：700- 400推舟總距離：小于 170mm一次推舟距離：20mm

9、-170mm推舟的速度（可轉化為時間）：7mm/s-25mm/s一次工序推舟次數：1-6 個舟成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計3第三章第三章 系統設計思想系統設計思想由于每種半導體器件在摻雜推舟中，其生長層數、舟長度、推舟速度以及推舟溫度都不完全相同，因而，在控制系統中必須配備簡易的鍵盤和顯示器，以便能夠輸入和顯示各種控制參數，以及控制系統的啟動和停止。該控制系統應該能夠接受采集溫度信號，并完成信號的非電量到電量的轉換，a/d 轉換，根據對應的溫度值來執行相應的動作。在本推舟控制系統中，擬采用步進電機與滾珠絲桿相結合的方法來帶動推桿的運動。因而推桿的運動是步進式的。控制步進脈沖的個數

10、和時間間隔，便可以精確的控制位移和時間。 為了便于控制，系統軟件應該具備簡易的監控功能，以管理顯示和鍵盤。要對接受到的數據進行轉換、存儲和各種換算，還要將檢測到的給定值進行比較，比較值相符合，發出相應的換算的步進脈沖，以達到控制目的。依據設計的要求，可以有以下的硬件設計框圖： 通過上面框圖我們可以劃分為幾個模塊來進行硬件設計，通過模塊話設計將使設計思路能夠清晰明了的展現出來，便于分析和編程。成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計4第四章第四章 硬件的選擇硬件的選擇4.1 單片機的選擇單片機的選擇在當今的單片機世界里，現在世界上用量最大的幾種單片機是 mcs-51 系列。該系列單片機以其高性

11、價比，兼容性強，軟硬件資源豐富，得到了廣泛的應用。針對本設計，選用對于存儲空間的要求不是很高，4k 的程序存儲空間已經夠用，沒有必要使用其他存儲空間擴展的單片機。4.2 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇根據設計要求，由于此設計屬于工業生產范圍，所以對傳感器的要求也很高。在推舟過程中爐溫在 400700之間，所以要求溫度傳感器的測量范圍在這個之間或有結余。經過對資料的查找本設計選擇裝配式鎳鎘-銅鎳熱電偶傳感器。工業用的裝配式熱電偶作為測量溫度的變送器通常和顯示儀器、記錄儀表和電子調節器配套使用。它可以直接測量各種生產過程中從 0到 1800范圍的液體、氣體和蒸汽介質以及固體的表面溫度，在測量過程

12、中熱電偶傳感器能夠至于爐溫中直接檢測到爐溫，所以選擇熱電偶式傳感器較為合適。 （設計中選擇了型號的傳感器）4.3 顯示器的選擇顯示器的選擇題目要求能夠顯示所測得的溫度值實現實時監控。并且可以根據需要，既要能夠顯示爐溫的溫度還要能夠顯示設定值溫度。同時為了節約成本我們采用三支 led 數碼顯示管，并且要使顯示器呈動態顯示狀態。4.4 鍵盤的選擇鍵盤的選擇根據設計思路知道，設計要求能夠實現人機對話，也就是可以根據不同元器件的生產需要進行人為的設置溫度，控制溫度上限、下限以及對各個溫度點的設置，從而來控制電動機的運行實現推舟生產過程。所以為了更方便的進行操作，我們選擇 44式鍵盤， 成都電子機械高等

13、專科學校 04 級畢業設計54.5 溫度控制部分溫度控制部分我們要通過單片機的引腳來對溫度進行控制，顯然，直接通過引腳對溫度的加熱設備進行控制，不是很現實，我們只有通過驅動器來對引腳的信號進行處理，來對溫度進行檢測和控制。在本計中，為了采集溫度信號，使溫度能夠準確的采集和處理，我采用了熱電偶式溫度傳感器。通過它的外圍器件，能夠以小的信號控制比較大的信號。由于熱電偶傳感器的測量點可以放置在被測對象上或周圍，因此檢測到的信號比較準確。為了補償熱電偶在測量過程中損失的熱電勢，我采用了電橋冷端補償法。具體信息將在后面進行介紹。4.6 自動推舟控制部分自動推舟控制部分 由于自動推舟控制過程中，根據生產需

14、要實現定位控制，因此在設計中采用性能良好的步進電動機作為執行元件，當電機旋轉時通過絲桿把電機的旋轉運動轉化為直線位移，從而推動舟的運動。我們之所以選用步進電機是因為其具有可靠的快速啟動和停止的功能，如果負荷不超過其所提供的動態轉矩值，就能夠在一剎那間啟動與停止，符合系統設計的需要。由于時間比較倉促的關系在本設計中我就對其軟件部分進行了省略。4.7 實現方案實現方案方案一 ：由于設計題目要求選用 8031 單片機來實行系統的控制，但受到 8031 的內存限制，在設計過程中需要對 8031 進行擴展，因此增加了硬件需求，同時增加了成本。方案二：8051 和 8031 具有相同的功能，但 8051

15、內部增加了 rom/eprom 從而使存儲的空間加大，在設計中不許要擴展其他硬件。通過以上比較，選用 8051 作為次設計系統的控制核心比較理想。具體的實現過程，將會在硬件，軟件部分詳細的進行說明成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計6第五章第五章 硬件設計硬件設計在實現硬件設計中需要用到單片機、a/d 轉換、步進電機、鍵盤、顯示器、傳感器、電阻、電容等，具體器件介紹如下：5.1 單片機基本系統：單片機基本系統：單片機系統是整個控制系統的核心，它完成整個系統的信息處理及協調控制功能。由于系統對控制速度、精度及功能要求都無特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的mcs-51 系列單片機 8051

16、。8051 可以提供系統控制所需的中斷、定時及存放中間結果的 ram 電路但片內沒有程序存儲器，因此單片機基本系統中除了應包括復位電路和晶體振蕩電路以外，還應擴充程序存儲器。5.1.1 單片機單片機 80518051 是 mcs-51 系列單片機中的一個產品，mcs-51 系列單片機是 intel 公司推出的通用型單片機。mcs-51 系列單片機的各種型號都是以 8051 為核心電路發展起來的，因此他們都具有 mcs-51 的基本結構與軟件特征。8051 的特點：8 位的 cpu 具有布爾處理功能4k 字節片內程序存儲器（rom）128 字節片內數據存儲器（ram）21 個特殊功能寄存器（sf

17、r）4 個 8 位的并口、32 根口線兩個 16 位的定時計數器一個全雙丁的串口5 個中斷源，2 個中斷優先級8051 引腳說明: :i/o 端口:p0.0p0.7, p1.0p1.7, p2.0p2.7, p3.0p3.7.8051 共有 4 個 i/o 端口,為 p0, p1,p2,p3,4 個 i/o 都是雙向的,且每個口都具有鎖存器.每個口有 8 條線,共計 32 條 i/o 線.各端口的功能敘述如下.成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計7（1） p0 有三個功能:外部擴充存儲器時,當作數據總線（d0d7）.外部擴充存儲器時,當作地址總線（a07）.不擴充時,可做一般 i/o 使

18、用,但內部無上拉電阻,作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻.（2）p1 只做 i/o 口使用,起內部有上拉電阻.（3） p2 有兩個功能:擴充外部存儲器時,當作地址總線（a8a15）.做一般 i/o 使用,起內部有上拉電阻.（4） p3 有兩種功能. 除了作為 i/o 使用外（內部有上拉電阻）,還有一些特殊功能,(略)端口 1,2,3有內部上拉電阻,當作為輸入時,其電位被拉高,若輸入為低電平可提供電流源;起作為輸出時可驅動 4 個 ls ttl.而端口 0 當作輸入時,出在高阻抗的狀態,其輸出緩沖器可驅動 8 個 ls ttl(外部的上拉電阻).vdd:電源+5v.vss:gnd 接地.（5）

19、ale/prog (addresslatchenable) 地址鎖存器使能信號端有三種功能:8051 外接 ram/rom:ale 接地址鎖存器 8282(8212)的 stb 腳,74373 的 en 腳,當 cpu對外部存儲器進行存取時,用以鎖住地址的低位地址.8051 未外接 ram/rom:在系統中未使用外部存儲器時,ale 腳也會有 1/6 石英晶體的振蕩頻率,可作為外部時鐘。在燒寫 eprom：ale 作為燒寫時鐘的輸入端。（6）psen（program stor enable）：程序儲存使能端。內部程序存儲器讀取：不動作。外部程序存儲器讀取（rom） ；在每個機器周期會動作兩次。

20、外部數據存儲器讀取（ram）：兩個/psen 脈沖被跳過不會輸出。外接 rom 時，與 rom 的/oe 腳連接。（7）reset 此 腳為高電平時（約 2 個機器周期）,.可將 cpu 復位,cpu 復位后其累加器及存儲器的內容如表 5.1.1：成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計8(8) ea/vpp:接高電平時：cpu 讀取內部程序存儲器（rom） ，如 8051/8052。擴充外部 rom：當讀取內部程序存儲器超過 0fffh（8051） 、1fffh（8052）時，自動讀取外部 rom。接低電平時：cpu 讀取外部程序存儲器（rom） ，如 8031/8032。8751 燒寫內

21、部 eprom 時，利用此腳輸入 21v 的燒寫電壓。（9） xtal1，xtal2：接石英晶體振蕩器。機器周期=石英晶體12，如 12mhz 石英晶體/12=1 微秒。8051 硬件如下圖：綜上所述：單片機的 4 個并行口線，除 p1 口可以作為用戶使用的 i/o 口線，在需要擴展片外存儲器時，p0，p2 口只能用作數據總線和地址總線，由于 p0 口在擴展時，既可作為數據總線又可作為地址總線，所以它作為地址總線時，需要外加地址鎖存器。p2 口作為第二功能時，其中的許多口線是作為控制信號線使用的。只有在不使用 p0，p1，p3 口的第二功能時，它們可以作為一般的 i/o 口使用，如不需要擴展存

22、儲器和 i/o 口時，p0、p2 可作為一般的雙向口。成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計92.控制口線：ea/vpp，psen，ale，rstea/vpp：片內外程序存儲器選擇/編程電壓 ea/vpp=1，cpu 從片內程序存儲器開始執行程序，即 pc 首先指向片內 rom。 ea/vpp=0，cpu 指向片外程序存儲器中的程序，即 pc 只指向片外 rom。 ea/vpp=21v，編程電壓，對于片內 eprom 進行編程。 片外程序存儲器的讀選通信號，當 psen=0 時，cpu 從片外程序存儲器取指令。ale/prg：地址鎖存信號/編程脈沖 訪問外部存儲器時，ale 用于鎖存地址的

23、低 8 位。即使不訪問外部存儲器，ale仍然以震蕩頻率的 1/6 周期性的向外輸出正脈沖，用它作為外部定時基準。ale 端的負載能力為 8 個 lsttl。在對片內 eprom 進行編程時，作為編程脈沖輸入端。rst/vpd：復位信號/掉電保護此端保持兩端周期的高電平，可以使單片機復位。在 vcc 掉電期間，此引腳接上備用電源，可保持片內 ram 中的信息5.1.2 8155 簡介簡介 8155 為 intel 公司的一種功能可編程接口芯片，它具有兩個 8 位和一個 6 位可編程的 i/o 接口、256 字節的 ram 存儲器、一個 14 位的計數/定時器。在單片機中有廣泛的應用。8155 的

24、特點如下：ad7ad0，三態地址/數據總線；pa7pa0，a 口輸入/輸出線；pb7pb0，b 口輸入/輸出線；pc5pc0，c 口輸入/輸出線或為 a，b 口的控制信號線當 c 口作為控制信號線時，其功能如下；pc0，a 口中斷請求信號線。pc1，a 口緩沖器信號線。 pc2，a 口選通信號線pc3，b 口中斷請求信號線。pc4，b 口緩沖器信號線。pc5，b 口選通信號線ce，片選信號線，低電平有效rd，存儲器讀信號線wr，存儲器寫信號線，低電平有效ale，地址鎖存信號線成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計10io/m，i/o 口與存儲器選擇信號線。io/m 為 1 時，選擇 i/o

25、 口；i/o為 0 時，選擇存儲器。timein，計數/定時器脈沖輸入有效。timeout，計數/ 定時器輸出端。reset，復為信號線。vcc，+5v 電源。vss，接地端。8155 的外型結構如圖 5.2.3 所示：8155 的芯片內部結構：8155 的內部結構包括兩個 8 位的并行輸入/輸出端口，256 個字節的靜態 ram， ，一個地址鎖存器，一個 14 位的計數/定時器和控制邏輯電路。8155 的工作方式： 8155 的控制邏輯中設置了一個命令/狀態寄存器，它實際上使兩個 不同的寄存器，分別存放命令字和狀態字，對控制命令寄存器只能進行寫操作，而對一起稱為命令/狀態字寄存其。其中，命令

26、字用于選擇 i/o 口的工作方式，狀態字用于選擇 a 口和 b 口和定時器當前的工作狀態，其格式如下：在控制信號中，io/m =1 時，cpu 選擇對存儲器進行讀/寫操作。256 個字節的存儲器地址范圍為 00hffh，i/o 口和寄存器的地址分配如下表：成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計11命令字寄存器：8155 的 a 口和 b 口具有基本輸入輸出和選通輸入輸出兩種工作方式，這個方式選擇由 c 口的工作方式決定，當 c 口的工作方式作為一般輸入/輸出口時，a、b口工作于基本 輸入輸出方式；當 c 口用于提供控制/狀態信號時，a、b 口工作于選通工作方式。a、b 口具體工作于輸入還是

27、輸出，又命令字的的 d1、d0位決定。8155 的 c 口既可用作基本輸入/輸出口，也可以用于提供 a、b 的控制/狀態信號，具體地說，有 alt1、alt2、alt3、alt4四種工作方式，如圖三所示。c 口的前兩種工作方式分別為輸入輸出方式。c 口工作于 alt3方式時，b 口工作于基本輸入/輸出，a口工作于選通工作方式。c 口為 a 口提供 3 根控制/狀態信號線（c 口的另 3 位輸出） 。c 口工作于 alt4方式時，a 口和 b 口均工作于選通方式，c 口位 a、b 口提供 6 根控制/狀態信號（c 口全為控制/狀態線） 。c 口的工作方式與 a、b 口工作關系如表 5.1.4：8

28、155 片內設置了一個 14 位的減法計數器，用于對外部輸入的脈沖信號進行減 1計數。定時計數器的外部脈沖信號由 timerin引腳輸出，定時器的輸出引腳位成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計12timerout。計數/定時器的計數值和工作方式，由 8 位計數/定時器寄存器設定，如下圖 5.1.5 所示：其中，t13t0為計數器值，范圍為 0002h3fffh，m2、m1用于設置定時器的工作方式。定時器的工作方式有四種，每一種的區別主要在于輸出波形不同，方式 00 和01 常用于對脈沖進行分頻，方式 10 和 11 為計數/定時到，輸出負脈沖信號，具體波形如下圖 5.1.6 所示：對定時

29、器進行編程時，應該先將技數初值和定時器工作方式裝入寄存器，計數是否啟動由命令字的最高二位控制 ，具體控制方式如下。tm2 tm100：空操作，不影響計數01：停止定時器計數，若計數器沒有啟動，則相當于空操作10：定時器值減為 0 時，停止計數 1 1：啟動，置方式和初置后立即啟動；若正在計數則表示置新的方式和初置，計數結束后，按新的方式和初值計數。 任何時刻都可以設置定時器的初值和工作方式，但是必須將啟動命令寫入命令寄存器。如何定時器正在計數，那么，只有寫入啟動命令之后，定時器才接收新的計數初值并按新的工作方式計數。由于 8155 內部帶有地址鎖存器，因此，它與 8031 的接口電路非常簡單，

30、不需任何附加的電路。圖 7 是 8031 與 8155 的接口電路，存儲器 ram 和 i/o 口的地址分配如成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計13下。 存儲器的地址：7e00h7effh。i/o 的地址 命令/狀態寄存器 7ff8h pa 口 7ff9h pb 口 7ffah pc 口 7ffbh 定時器底 8 位 7ffch 定時器高 8 位 7ffdh 5.2 前向通道前向通道前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號放大、ad 轉換等電路。由于溫度變化是一個相對緩慢的過程，固此前向通道中沒有使用采樣保持電路。按設計要求，溫度控制靜態誤差l 0c，爐溫給定范圍為 400700

31、，而對爐溫的檢測范圍應適當大于此范圍，設為 4007500c，則系統的控制總誤差應不大于1(9535)x100167，分配到前向通道的信號采集總誤差應不大于系統總誤差的 12，即精度應為 o83，可以采用 8 位 ad 轉換器實現。前向通道包括：a/d 轉換器、傳感器、放大器5.2.3 溫度傳感器：溫度傳感器： 我們知道，在推舟工作區中，推舟摻雜的工作溫度范圍為 700 400 。為了檢測溫度并控制推舟，這里采用了接觸式的溫度測量方法，以熱電偶作為測溫元件，置于工作區中。考慮到測溫范圍和精度，以及價格因素的影響，這里選用裝配式熱電偶 wre2型傳感器。其測溫上限長期為 900，短期可達 700

32、。1.熱電偶特點及應用范圍 特點熱電偶可將溫度直接轉換成電量信號,便于監測；結構簡單,制造容易,價格便宜；惰性小,準確度高,測量范圍廣；可做成多種結構,以滿足各種測量對象的要求；適用于遠距離測量與控制；但其準確度難以超過 0.2；參考端溫度影響測量,必須進行補償；在高溫或長期使用時,因受被測介質的影響或環境氣氛的腐蝕作用而發生劣化。成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計14 應用范圍：熱電偶適用于各行各業各個領域生產過程中2001300范圍內的溫度測量，在特殊情況下，可測量 2800的高溫和 4k 的低溫。 2. 熱電偶傳感器工作原理熱電偶是一種使用最多的一種傳感器，它的工作原理是由兩種不

33、同的導體或半導體a 和 b 組成的一個回路，其兩端相互連接，只要結點處的溫度不同，一端的溫度為 t，另一端的溫度為 t0，則回路中就有電流產生，即回路中存在電動勢，該電動勢稱為熱電勢。當回路斷開時，在斷開處 a, b 之間便有一電動勢 et,其極性和量值與回路中的熱電勢一致，規定為冷端，當電流由 a 流向 b 時，稱 a 為正極，b 為負極。熱電勢 et 與溫度差（t t0）成正比，即et =sab（t t0） sab 為賽貝克西蜀，又稱為熱電勢率，它是熱電偶的最重要的特征量，其符號和大取決于熱電極材料的相對特性。 兩種導體的接觸電勢 不同金屬自由電子密度不同，當兩種金屬接觸在一起時，在結點處

34、會發生電子擴散，濃度大的向濃度小的金屬擴散。濃度高的失去電子顯正電，濃度低的得到電子顯負電。當擴散達到動態平衡時，得到一個穩定的接觸電勢。溫度 t 時熱端接觸電勢：冷端接觸電勢：式中：a、b 代表不同材料； 在閉合回路中，總的接觸電勢為：3. 熱電偶傳感器的主要技術參數成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計15 熱電偶的主要技術參數有型號、分度號、測量范圍、允許誤差、熱響應時間、公稱壓力、熱電動勢率、長期穩定性、熱電偶的電阻 r0 等。wre2 溫度型傳感器屬于裝配式鎳鎘-康銅熱電偶傳感器，其工作范圍為 333900，允許誤差在 0.0075，時間常數 t90 ，該型號在系統中測量 400

35、700之間的溫度，經查表知在 400時，其熱電動勢為 33.767mv,在 700時其電動勢為 57.873熱電偶的的熱電動勢計算公式：e =biti 熱響應時間：熱響應時間也稱時間常數，它是用來表示熱電偶對溫度變化感應快慢的惰性參數，在溫度出現階躍變化時，熱電偶的輸出變化至相當于該階躍變化的 63.2所需的時間。冷端補償： 本系統使用鎳鉻康銅熱電偶，被測溫度范圍為 400700，冷端補償采用補償電橋法，采用不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。不平衡電橋由電阻 r1、r2、r3(錳銅絲繞制)、rcu(銅絲繞制)四橋臂和橋路穩壓源組成，串聯在熱電偶回路中。rcu

36、與熱電偶冷端同處于0,而 r1=r2=r3=1，橋路電源電壓為 4v，由穩壓電源供電，rs 為限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同，電橋通常取在20時平衡，這時電橋的四個橋臂電阻 r1=r2=r3=rcu，a、b 端無輸出。當冷端溫度偏離20時，例如升高時，rcu 增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而減小。uab與熱電勢減小量相等，uab 與熱電勢迭加后輸出電勢則保持不變，從而達到了冷端補償的自動完成。5.2.4 運算放大器運算放大器運算放大器（常簡稱為“運放”），是廣泛應用的、具有超高放大倍數的電路單元。可以由分立的器件組成，也可以實現在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發展，如今絕大部

37、分的運放是以單片的形式存在。現今運放的種類繁多，廣泛應用于幾乎所有的行業當中。在這里選用集成放大器 0p07 型，內部結構及硬件圖如下：工作原理工作原理： 成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計16一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。 運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。 運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數值，而低于正電源某一數

38、值。經過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。 運放的輸出電位通常只能在高于負電源某一數值，而低于正電源某一數值之間變化。經過特殊設計的運放可以允許輸出電位在從負電源到正電源的整個區間變化。這種運放成為軌到軌（rail-to-rail）輸出運算放大器。 運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=a0（e1-e2） ，其中，a0 是運放的低頻開環增益（如 100，即 100000 倍） ，e1 是同相端的輸入信號電壓，e2 是反相端的

39、輸入信號電壓運算放大器均是采用直接耦合的方式，直接耦合式放大電路的各級的 q 點是相互影響的，由于各級的放大作用，第一級的微弱變化，會使輸出級產生很大的變化。當輸入短路時（由于一些原因使輸入級的 q 點發生微弱變化，比如：溫度），輸出將隨時間緩慢變化，這樣就形成了零點漂移。 產生零漂的原因是：晶體三極管的參數受溫度的影響實際電路中，從熱電偶輸出的信號最多不過幾十毫伏(30mv)，且其中包含工頻、靜電和磁偶合等共模干擾，對這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量放大器又稱數據放大器、儀表放大器和橋路放大器，它的輸入阻抗高，易于與各

40、種信號源匹配，而它的輸入失調電壓和輸入失調電流及輸入偏置電流小，并且溫漂較小。由于時間溫漂小，因而測量放大器的穩定性好。由三運放組成測量放大器，差動輸入端 r1和 r2分別接到 a1和 a2的同相端。輸入阻抗很高，采用對稱電路結構，而且被測信號直接加到輸入端，從而保證了較強的抑制共模信號的能力。a3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為 1。測量放大器的放大倍數為：av=v0/（v2-v1），av=rf/r(1+(rf1+rf2)/rw)。在此電路中，只要運放 a1和 a2性能對稱(主要指輸入阻抗和電壓增益)，其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，適宜于測量遠距離傳

41、輸過來的信號，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。rw是用來調整放大倍數的外接電阻，在此用多圈電位器。 實際電路中 a1、a2采用低漂移高精度運放 op-07 芯片，其輸入失調電壓溫漂成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計17vios和輸入失調電流溫漂 iios都很小，op-07 采用超高工藝和“齊納微調”技術，使其 vios、iios、vios和 iios都很小，廣泛應用于穩定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號的精密放大等。op-07 要求雙電源供電，使用溫度范圍 070，一般不需調零，如果需要調零可采用 rw進行調整。a3采用 741 芯片，它要求雙電源供電，供電范圍為(318)v

42、，典型供電為15v，一般應大于或等于5v，其內部含有補償電容，不需外接補償電容。0p07 放大器的具體參數：開環增益(v/v)：0.12共模抑制比（db）:94106初始失調電壓（v）：75150失調電壓漂移：（v/）：2.5偏置電流（25）n a max:412電壓噪聲（1hz）:11電源電壓：4經過測量放大器放大后的電壓信號，其電壓范圍為 05v，此信號為模擬信號，計算機無法接受，故必須進行 a/d 轉換。放大器的放大倍數計算如下：上式中 g 為放大倍數通過對各個器件性能分析計算，得出不同的電阻值參數，把電阻參數帶入計算公式中得到放大倍數為 101 倍，當控制溫度在 400時，傳感器輸出熱

43、電勢為 33.3mv,當在 700時，其輸出熱電勢為 57.89mv。經過電橋法冷端補償和兩個同相放大器放大后輸出放大電壓分別是 3.3v 和 5.8v。高于 a/d 轉換器的輸入電壓，因此需要在二成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計18級放大輸出端接一小電阻來進行分壓。前向通道硬件接線如圖：5.2.5 a/d 轉換器：轉換器： 模擬量轉換成數字量和數字量轉換成模擬量是計算機與外部環境進行聯系的主要形式。計算機控制過程如圖所示，當計算機用于工程控制、實時數據采集等方面時，現場監測的模擬信號必須通過 a/d 轉換變成數字量，送入計算機處理，計算機的輸出信號又必須通過 d/a 轉換成模擬信號

44、送到現場去驅動機械或電氣設備動作。所以 d/a 和 a/d 轉換是計算機應用的重要接口技術。在這里選用 adc0804 芯片做為模數轉換器。【1】a/dca/dc 08040804 的基本原理的基本原理adc0804 是用 cmos 集成工藝制成的逐次比較型摸數轉換芯片。分辨率 8 位，轉換時間 100s，輸入電壓范圍為 05v，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 5v。該芯片內有輸出數據鎖存器，當與計算機連接時，轉換電路的輸出可以直接連接在 cpu 數據總線上 1a/d 轉換器是將模擬信號轉換成數字信號。2/dc0804 的參數規格： 8 位 coms 逐次逼近型的 a/d 轉換：成都電子

45、機械高等專科學校 04 級畢業設計19 三態鎖定輸出 存取時間：135s: 轉換時間：100s 分辨率：8 位 總誤差：1lsb 工作溫度：adc0804 lcn-0+70 a/d0804 lcd- -40-+85【2】引腳功能說明如下引腳功能說明如下：/cs： 芯片選擇信號，低電平有效，一旦 cs 有效，表明 a/d 轉換器被選中，可啟動工作。wr：寫信號輸入，接受微機系統或其它數字系統控制芯片的啟動輸入端，低電平有效，當 cs、wr 同時為低電平時，啟動轉換。 /rd：外部讀取轉換結果的控制腳輸出信號。/rd 為 hi 時，db0db7 處于高阻抗；/rd 為lo 時，數字數據才會輸出。/

46、wr：用來啟動轉換的控制輸入，相當于 adc 的轉換開始（/cs=0 時） ，當/wr 由 hi 變為lo 時，轉換器被清除；當/wr 回到 hi 時，轉換正式開始。clk in，clk r：時鐘輸入或接震蕩元件（r，c） ，頻率約限制在 100khz1460 khz，如果使用 rc 電路則其震蕩頻率為 1/（1.1rc） 。/intr：中斷請求信號輸出，低電平動作。輸出低電平表示本次轉換已完成。該信號常作為向微機系統發出的中斷請求信號。 vin（+） 、vin（-）：差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時，vin（-）接地：而差動輸入時，直接加入 vin（+） 、vin（-） 。 agnd，dg

47、nd：模擬信號以及數字信號的接地。vref：輔助參考電壓。 db0db7：8 位的數字輸出。 vcc：電源供應以及作為電路的參考電壓。【3】模塊功能模塊功能（1） 溫度信號經 adc0804 將模擬信號轉換成數字信號并輸入 8155 的 pa 口，經 8155 送入 8051 進行數據處理，8051 發出脈沖信號通過其 p1 口（p1.1、p1.2、p1.3、p1.4）經放大器來驅動電動機動作。 （2）零點和滿刻度調節。 adc0804 的零點無須調整。滿刻度調整時，先給輸入端加入電壓 ，使滿刻度所對應的電壓值是 ，其中 是輸入電壓的最大值， 是輸入電壓的最小值。當輸入電壓與 值相當時，調整

48、端電壓值使輸出碼為 feh 或 ffh。（3）參考電壓的調節 在使用 a/d 轉換器時，為保證其轉換精度，要求輸入電壓滿量程使用。如輸入電成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計20壓動態范圍較小，則可調節參考電壓 ，以保證小信號輸入時 adc0804 芯片 8 位的轉換精度。 （4）接地 模數、數模轉換電路中要特別注意到地線的正確連接，否則干擾很嚴重，以至影響轉換結果的準確性。a/d、d/a 及取樣保持芯片上都提供了獨立的模擬地（agnd）和數字地（dgnd）的引腳。在線路設計中，必須將所有的器件的模擬地和數字地分別連接，然后將模擬地與數字地僅在一點上相連。地線的正確連接方法如圖 5.1.

49、11 所示。 在模擬輸入信號較小時，如 00.5 伏時，自動調零電容可選比積分電容 cint大一倍，以減小噪聲，caz的值越大，噪聲越小，如果 cint選為 0.15f，則caz=2cint=0.33f。 由傳感器傳來的微弱信號經放大器放大后為 05v，這時噪聲的影響不是主要的，可把積分電容 cint選大一些，使 cint=2caz，選 cint=0.33f，caz=0.15f，通常cint和 caz可在 0.1f 至 1f 間選擇。積分電阻 rint等于滿度電壓時對應的電阻值(當電流為 20a、輸入電壓=4.096v 時，rint=200k)，此時基準電壓 v+ri和 v-ri之間為 2v，

50、由電阻 r1、r3和電位器 r2分壓取得。5.4 人機對話通道人機對話通道人機對話通道主要由鍵盤、led 顯示組成。為了完成設定檢測爐溫的變化溫度、等功能，并滿足溫度設定范圍為 400700、最小區分度為 1的功能要求，鍵盤可由 10 個數字鍵及 6 個功能鍵組成(確認、設定溫度)。led 顯示由雙 3 位數碼管組成，顯示檢測的測溫度，顯示范圍為 4007500c。本系統屬于開環控制成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計215.4.1 顯示器：顯示器：數碼管原裝圖：我們都知道在單片機應用系統中，通常要用多位 led 顯示，多位 led 顯示接口有靜態顯示和動態顯示兩種。在實際應用中，靜態顯

51、示的亮度高，占用 cpu 的時間短，但它的成本高。為了簡化硬件電路，降低成本，在單片機應用系統中常采用動它掃描的方法，解決多位 led顯示的問題。因此在本設計中同樣以動態掃描的形式進行設計。動態掃描顯示的硬件接口簡單，只需一個公共的七段碼輸出口，一個選擇 led 位的數位選擇口（本系統中選用共陰極接法，則為所有 led 的共陰極端） ，顯示時，從左到右（或從右到左）依次輪流點亮每一位顯示器，并保持一段時間。各位都掃描完再從頭開始，只要保證掃描一位到重新掃描此位的時間不超過一定的限度（一般在 20ms以下） 。由于視覺的暫留，可達到“同時”顯示各位不同的數字和字符的目的。在設計中采用 led 數

52、碼七段顯示管，而采用 7407 與 7406 兩種鎖存驅動器來驅動數碼管的顯示。總共需要三只這樣的管子，在控制中采用滾動式顯示。 顯示中 8155 的擴展 i/o 口經 7407 電流放大后來驅動三位 led 數碼顯示管。8051的 p2.7 經反相器反相后與 8155 的片選端 ce 相連，p2.6 接 8155 的 i/o 口與 ram 選擇端 io/m，p0 口作為數據總線與 8155 的 d0d7 相接，8051 的 ale 與 8155 的 ale 相連。經這樣連接后，8155 的 i/o 口可以定義為：命令狀態寄存器口 fff0ha 口 fff1hb 口 fff2h c 口 fff

53、3h 定時器低 8 位 fff4h 定時器高 6 位及方式口 fff5h 數碼管的段控用 pb 口輸出，位控由 pc0、pc1、pc2口控制。7407 是 6 位的驅動門，它是一個集電極開路門，當輸入為“0”時輸出為“0” ；輸入為“1”時輸出斷開，須接上位電路。共用兩片 7407，分別作為段控和位控的驅動。數碼管選共陽極接法，當位控為“1”時，該數碼管 選通，動態顯示用軟件完成，節省硬件開銷。成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計22在圖 5.4.1 中，通過 8155 的 pc 口經一塊 7406 組成芯片反向后來控制顯示器的輸出。下面列出了 led 的七段碼表（字型碼）如表 5.57

54、406 和 7407 的結構和功能如下：它們的外部引角完全相同，不同的是 7406 是集電極開路反向驅動，7407 是集電極開路同向驅動 y=a。 7406、7407 電路的外部引腳圖如下： vcc：正電源端，+5vgnd：接地端xa：輸入端xy：輸出端成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計235.4.2 鍵鍵 盤盤在微機系統中鍵盤是最常用的輸入設備，鍵盤通常由數字鍵和功能鍵組成，其規模取決于系統的要求。 鍵盤可以分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤，編碼鍵盤的按鍵識別、去抖動、鍵編碼都由硬件完成；非編碼鍵的上述功能在少量的硬件支持下由軟件完成。由此可見編碼鍵盤產生鍵編碼的速度快且基本不占 cpu 的

55、時間，但硬件開銷大，電路復雜，成本高；非編碼鍵盤則硬件電路簡單，成本低，但占用 cpu 的時間長。 鍵盤接口電路有兩個基本特點：（1）.是隨機性，系統操作人員對鍵盤的操作是隨機的，所以操作的鍵也是隨機的；（2）.是抖動性，這是鍵盤的機械特性決定的。根據這兩個特點可以得出以下的接口設計原則：鍵盤的電平與系統總線電平兼容。單片機能夠有效地抑制鍵盤抖動。抑制抖動是由軟件實現的，一般采用多數為主 的原則。單片機系統能實現對鍵盤的有效控制。單片機系統鍵盤接口的目的是為了控制鍵盤 ，而鍵盤電路不能影響總線。（1 1）消抖措施）消抖措施 ：在一般電路設計中，按鍵按下閉合后，應產生一個一個負脈沖。但由于在按鍵

56、按動時總有一些抖動，因此在負脈沖的開始和末尾部位總要出現一些毛齒波，其長短與開關的機械特性有關，一般為 510ms。除了抖動之外還有重鍵，即一個鍵按下后緊接著又按下一個鍵，或者兩個鍵同時按下，這些需要采取一定的措施加以消除。成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計24目前消除抖動的方法有兩種，一種是用硬件電路來實現，即用rc濾波電路濾除抖動。另一種就是軟件延時的方法來解決。在本設計中主要以軟件去抖動。主要通過延時來等待信號穩定，在信號穩定后查詢健碼。其過程是在查詢到有按健按下后延時一段時間（12ms20ms）,再查詢一次看是否有按健按下，若第一次查詢不到，則說明前一次查詢結果為干擾或抖動，若

57、這一次查詢到有按健按下，則說明信號已經穩定，然后判斷閉和按健的按碼。當閉和按健的健碼確定之后，再去查詢按鍵是否釋放，待按鍵釋放后再進行處理，這樣即可消除釋放抖動的干擾。重鍵則以后一次查詢為最后結果。（2 2）鍵盤接口及掃描方式說明：）鍵盤接口及掃描方式說明：通過對設計要求的具體分析，在這里采用矩陣式鍵盤來控制系統參數的輸入和調整。矩陣式鍵盤又成為行列式鍵盤。 假設 0 鍵被按下,稱為被按鍵或閉合鍵,這時,鍵盤矩陣中 a 點的行線和列線相通.行掃描法的基本原理是這樣的:使一條列線為低電平,如果這條列線上沒有閉合鍵,則各行線的狀態都為高電平;如果列線上有閉合鍵,則相應的那條行線即變為低電平.這樣,

58、就可以根據行線號和列線號求得閉合鍵的鍵碼.行掃描的過程是:先使輸出口輸出 feh,然后輸入行線狀態,判斷行線狀態中是否有低電平,如果沒有低電平,則使輸出口輸出 fdh,再判斷行線狀態.到輸出口輸出 fch時,行線中有狀態為低電平,則閉合鍵找到.至此,行掃描似乎可以結束,但實際上掃描往往繼續進行下去,以排除可能出現的多鍵同時被按下的現象.鍵盤中有 4 根行線和 4 根列線，經限流電阻接+5v 電源上，按鍵跨接在行線和列線上，44 行列結構可構成 16 個按鍵。當無鍵閉合時，74922 芯片的 x、y 接口處于開路狀態。當有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條 i/o 口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法

59、是：一，置 74922 的 x1、x2、x3、x4 為輸入狀態，從行線輸出低電平，讀入列線數據，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵按下。第二步，置 74922 的y1、y2、y3、y4 口為輸入狀態，從列線輸出低電平，讀入行線數據，若某一行為低電平，則該行線上有按鍵按下。綜合一、二兩步的結果，可確定按鍵的編碼號。但是鍵閉合一次只能進行一次鍵功能任務，因此須等待按鍵釋放后，在進行鍵功能操作。通過循環掃描方式可以重復掃描是否有鍵按下，并在鍵按下后等待一定時間，在這段時間可以消除按鍵的抖動。（3 3）鍵盤功能說明：）鍵盤功能說明：通過鍵盤的不同鍵來設定我們需要的數值，對數字的輸入設定用“*”鍵，當正

60、確無誤時按“enter”鍵，有誤時按下“cencer”鍵以便重新輸入。按 “#”鍵來進行設定溫度與實測溫度的顯示變換。 “run”鍵用來啟動系統工作，當沒有按該鍵時系統處于爐溫預熱狀態，也就是爐溫保持在 700的狀態，該狀態由加熱器進行控制這成都電子機械高等專科學校 04 級畢業設計25里不進行介紹。上限、下限兩鍵是分別進行溫度上下限設定的按鍵。（4 4）鍵盤與）鍵盤與 80518051 實際接線圖如下實際接線圖如下：本電路經 a/d 轉換、十進制、乘 4、顯示，省略 d1（小數）取 3 位數整數輸出，最大轉值=ffh（225） ，放大器 741 為放大 101 倍時，則本電路的最大顯示值值為