DZ257高精度溫度控制器,dz257,高精度,溫度,控制器 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 1 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊摘 要 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學研究的發(fā)展，人們對溫度的過程控制的要求越來越高。這就要求計量部門具有能建立具有更高的精度、穩(wěn)定性和可靠性的恒定的溫度場環(huán)境的溫度控制系統(tǒng)。 本文首先簡要介紹了測溫的方法、特點及測溫鉑電阻的特性。在此基礎上結合系統(tǒng)的實際指標和要求設計開發(fā)了以單片機為核心的低成本高精度溫度控制系統(tǒng)。 在硬件上，采用增強型 MCS-51 單片機（P89C51RD2 ）作為控制儀的核心控制器件，并選用 AD7710 為系統(tǒng)的 AD 轉換器，通過該器件完成了測溫通道的自調零與自校正，使儀表的測溫精度及準確度基本上不依賴于零點失調和增益等因素；同時采用鎖相環(huán) HEF4046 與分頻器相結合，跟蹤電網(wǎng)頻率，從硬件上消除了電網(wǎng)頻率變化對電阻爐輸出的影響；采用 LCD 顯示器件，使人機交互更加的友好。 在軟件上，溫度控制采用傳統(tǒng)的 PID 控制算法實現(xiàn)，由于 51 系列的單片機運算能力、運算速度較低。在計算程序設計中，全部采用了分段線性插值的方法來代替復雜的數(shù)據(jù)運算，以程序代碼空間來換取運算的速度以及精度。 溫度控制儀表通過 485 總線把數(shù)據(jù)傳送到 PC 機上，上位機可以彌補下位機由于單片機內部資源的限制，不能保存大量的數(shù)據(jù)的缺陷。系統(tǒng)的上位機軟件除了可以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)保存的功能之外，還有查看數(shù)據(jù)和打印等功能。 關鍵詞：溫度控制，單片機，線性插值 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 2 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ABSTRACT With the development of moden industry and science research, it is higher of the demand of temperature controlling.The measure department needs a temperature control system which should have higher precision, stability, dependability on founding a temperature entironment. The first briefed on temperature measurement methods, characteristics and introduce the Pt100’s characteristics. On this basis, design a high-precision temperature control system at the refence of the indicators and the actual requirements. System uses 8051 series MCU(P89C51RD2) as the instrument’s controller. And 24 bits AD7710 is chosed as analog to digital convert department. AD7710 has 8 operation modes, by chosing different operation mode, AD7710 can calibration zero-scal and full-scal calibration coefficients. HEF4046 is used to track the electrical frequency. And the change of the AC frequency can’t inflect the electric cooker’s output.LCD is used as output, provide a good man-to- machine interface. PID control method is used in the control system. The float operation can not be run in P89C51RD2, and the MCU’s speed is low. So, using interpolation intead the direct calculate. That’s to say, the program spent more code space to get high speed and high precision. Instrument transfers the data to PC by RS-485.The PC software can save all the data on the hard disk.The sofeware also can review the saved data and print out them. Key word: Temperature control, MCU, Interolation 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 3 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目 錄第一章 概述 .............................................................51.1 測溫方法分類及其特點 ............................................51.2 熱阻式測溫方法 ..................................................61.3 課題背景、意義及任務內容 ........................................71.3.1 課題背景及意義 .............................................71.3.2 溫度控制系統(tǒng)的功能要求： ...................................81.3.3 溫度控制系統(tǒng)的主要性能指標： ...............................81.4 論文的總體結構 ..................................................8第二章 溫度控制 系統(tǒng)的總體設計 ...........................................92.1 系統(tǒng)總體方案設計 ................................................92.2 現(xiàn)場溫度控制儀表的方案設計 .....................................102.3 編譯調試軟件的選擇 .............................................13第三章 現(xiàn)場溫 度控制儀表的電路設計 ......................................143.1 測量模塊電路設計 ...............................................143.1.1 精密直流電流源電路的設計 ..................................153.1.2 模數(shù)轉換（A/D）模塊電路 ...................................183.2 人機交互模塊 ...................................................283.2.1 液晶顯示模塊電路設計 ......................................283.2.2 按鍵電路設計 ..............................................323.3 輸出控制模塊電路設計 ...........................................333.3.1 8253 定時/計數(shù)器 ..........................................343.3.2 過零檢測電路 ..............................................373.3.3 鎖相環(huán)倍頻電路 ............................................383.3.4 可控硅及脈沖變壓器輸出電路 ................................463.4 電源和主處理器模塊 .............................................473.5 通訊電路設計 ...................................................483.5.1 串行通訊總線標準及其接口 ..................................493.5.2 通信接口電路設計 ..........................................503.5.3 RS-485 總線網(wǎng)絡的設計 .....................................51第四章 現(xiàn)場溫度控制軟件的設計 ..........................................544.1 現(xiàn)場溫度控制儀表的單片機軟件的總體框圖 .........................544.2 單片機系統(tǒng)的初始化程序 .........................................544.2.1 單片機內部資源的初始化 ....................................554.2.2 單 片 機 外 部 資 源 初 始 化 .....................................574.3 溫 度 測 量 數(shù) 據(jù) 處 理 ..............................................584.3.1 零 漂 和 增 益 的 自 動 校 正 原 理 .................................584.3.2 測 量 數(shù) 據(jù) 的 數(shù) 字 濾 波 .......................................594.3.3 熱 電 阻 線 性 化..............................................624.4 溫 度 控 制 程 序 ...................................................66畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 4 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4.5 人 機 交 互 ......................................................674.5.1 按 鍵 程 序 設 計 .............................................674.5.2 液 晶 屏 界 面 程 序 設 計 .......................................694.6串 口 通 信 ........................................................71第五章 上位機 PC 軟件的設計 ............................................745.1 上位機軟件的總體設計 ...........................................745.2 串 口 通 信 程 序 ..................................................755.2.1 打 開 串 口 ...................................................755.2.2 關 閉 串 口 ..................................................765.2.3 串 口 配 置 ..................................................765.2.4 讀 寫 串 口 ..................................................785.2.5 串 口 通 信 程 序 的 具 體 實 現(xiàn) ....................................795.3 實 時 數(shù) 據(jù) 的 存 儲 .................................................815.4打 印 和 打 印 預 覽 ..................................................83第 六 章 系 統(tǒng) 抗 干 擾 技 術 及 措 施 ..........................................856.1印 刷 電 路 的 抗 干 擾 設 計 ............................................856.1.1 印 刷 電 路 板 的 整 體 布 局 和 電 氣 連 線 .............................856.1.2 電 源 和 地 線 設 計 .............................................866.1.3“去 耦 ”電 容 的 配 置 .........................................876.1.4 其 它 抗 干 擾 設 計 .............................................876.2 系 統(tǒng) 的 軟 件 抗 干 擾 設 計 ...........................................876.2.1 指 令 冗 余 法 ................................................876.2.2 軟 件 陷 阱 法 ................................................876.2.3 看 門 狗 技 術 ................................................88總 結 ..................................................................88致 謝 ...................................................................90參 考 文 獻 ...............................................................91畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 5 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章 概述1.1 測溫方法分類及其特點根據(jù)傳感器的測溫方式，溫度基本測量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。 接觸式溫度測量的特點是感溫元件直接與被測對象相接觸，兩者進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，此時感溫元件的溫度與被測對象的溫度必然相等，溫度計就可據(jù)此測出被測對象的溫度。因此，接觸式測溫一方面有測溫精度相對較高，直觀可靠及測溫儀表價格相對較低等優(yōu)點，另一方面也存在由于感溫元件與被測介質直接接觸，從而影響被測介質熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會增加測溫誤差；被測介質具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴重影響感溫元件性能和壽命等缺點。根據(jù)測溫轉換的原理，接觸式測溫又可分為膨脹式、熱阻式、熱電式等多種形式。 非接觸式溫度測量特點是感溫元件不與被測對象直接接觸，而是通過接受被測物體的熱輻射能實現(xiàn)熱交換，據(jù)此測出被測對象的溫度。因此，非接觸式測溫具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設計的很高，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點。兩類測溫方法的主要特點如下表 1-1 所示。 表 1-1 兩類測溫方法特點方式 接 觸 式 非 接 觸 式測量 條件感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度;被測對象不對感溫元件產(chǎn)生腐蝕 需準確知道被測對象表面發(fā)射率；被測對象的輻射能充分照射到檢測元件上測量 范圍特別適合 1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，對高于 l 300℃以上的溫度測量較困難原理上測量范圍可以從超低溫到極高溫，但 1000℃以下，測量誤差大，能測運動物體和熱容小的物體溫度畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 6 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊精 度 工業(yè)用表通常為 1.0、0.5、0.2 及 0.1 級，實驗室用表可達 0.01 級 通常為 1.0、1.5、2.5 級響應 速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘 快，通常為 2～3 秒鐘 其它 特點整個測溫系統(tǒng)結構簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測物體實際溫度；可方便地組成多路集中測量與控制系統(tǒng)整個測溫系統(tǒng)結構復雜、體積大、調整麻煩、價格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測物體表現(xiàn)溫度(需進一步轉換 )；不易組成測溫、控溫一體化的溫度控制裝置1.2 熱阻式測溫方法基于熱電阻測溫原理是根據(jù)金屬導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質，將電阻值的變化轉換為電信號，從而達到測溫的目的。 用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關系最好近于線性；另外，材料的物理、化學性質要穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，易提純，同時價格盡可能便宜。 熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠傳（與熱電偶相比）、無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。熱電阻主要缺點是需要電源激勵、有自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。常用鉑電阻傳感器。 鉑電阻的電阻率較大，電阻—溫度關系呈非線性，但測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復現(xiàn)性好；在氧化性介質中，甚至高溫下，其物理、化學性質都很穩(wěn)定。國標 ITS 一 90 規(guī)定，在 -259．34～630．74℃溫度范圍內，以鉑電阻溫度計作為基準溫度儀器。 目前工業(yè)用鉑電阻分度號為 Pt100 和 Pt10，其中 Pt100 更為常用；鉑電阻范圍通常最大為-200℃～850 ℃。鉑電阻與溫度的關系： 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 7 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊式中 R0 為溫度為零時鉑熱電阻的電阻值（ Ptl00 為 100，Ptl0 為 10）； R（ t） 為溫度為 t 時鉑熱電阻的電阻值； 顯然鉑電阻適合用于高精度、較寬溫度范圍的測量。 1.3 課題背景、意義及任務內容 1.3.1 課題背景及意義隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的發(fā)展，人們對溫度測量及控制的要求越來越高，具體表現(xiàn)在溫度測量控制的精度、穩(wěn)定性、可靠性等方面。特別是在高性能、高精度的器件的生產(chǎn)、標準檢測領域的應用、高要求的實驗環(huán)境的建立等方面，都有高精度溫度控制儀表的需求。高精度的溫度控制儀表實現(xiàn)就必然離不開前端電路中高質量的溫度傳感器的使用。然而即使是同種條件、工藝下生產(chǎn)出來的傳感器件，它們的性能指標也不盡相同。這就要通過對溫度傳感器的檢定來實現(xiàn)。 我國從 1991 年 7 月 1 日起開始對各級標準溫度計進行改值，整個工業(yè)測溫儀表的改值在 1993 年年底前全部完成，并從 1994 年元旦開始全面推行 ITS 一 90 新溫標。 對溫度計（或傳感器）的檢定，有標準值法和標準表法兩種方法。標準值法就是用適當?shù)姆椒ń⑵鹨幌盗袊H溫標定義的固定溫度點(恒溫) 作標準值，把被標定溫度計(或傳感器)依次置于這些標準溫度值之下，記錄下溫度計的相應示值 (或傳感器的輸出)，并根據(jù)國際溫標規(guī)定的內插公式對溫度計( 傳感器)的分度進行對比記錄，從而完成對溫度計的檢定；被檢定后的溫度計可作為標準溫度計來測溫度。 常用的另一種檢定方法是把被檢定溫度計(傳感器 )與已被檢定好的更高一級精度的溫度計(傳感器)，緊靠在一起，共同置于可調節(jié)的恒溫槽中，分別把槽溫調節(jié)到所選擇的若干溫度點，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲得一系列對應差值，經(jīng)多次重復測試，若這些差值穩(wěn)定，就成了對被檢定溫度計的檢定。 本論文主要討論高精度的恒溫槽的溫度控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)能用于熱電阻溫度器件的檢定。 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 8 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1.3.2 溫度控制系統(tǒng)的功能要求： 溫度控制系統(tǒng)主要分為兩大部分：現(xiàn)場溫度控制儀表和上位機程序?，F(xiàn)場溫度控制儀表主要用于建立標準的高精度溫度場，并在標準溫度下測量標準熱電阻和被檢定熱電阻的阻值然后傳送到上位機。上位機程序負責接受下位機的數(shù)據(jù)并以文件形式保存以供其它熱電阻分析軟件使用。 1、現(xiàn)場溫度控制儀表： (1) 溫度的測量和顯示功能：對于恒溫槽的溫度的實時測量，顯示實際的測量溫度以及目標控制溫度的值。 (2) 工作參數(shù)的設定功能：溫度控制現(xiàn)場儀表的工作參數(shù)可以重新設定，方便根據(jù)實際的工作環(huán)境選擇最佳的工作參數(shù)。 (3) 溫度控制功能：輸出控制采用可控硅調相調功方式，確保恒溫槽建立的溫度精度能滿足要求的指標； (4) 遠程通信功能：現(xiàn)場溫度控制儀表可以把測得的溫度的值、工作參數(shù)、被測鉑電阻的電阻值傳送給上位機。 (5) 現(xiàn)場故障診斷及故障顯示功能：傳感器和被測鉑電阻開路或其它故障時，溫度控制儀表能診斷出實際故障并顯示出來。 2、上位機程序： (1) 串口通信功能：從 PC 機串口讀取現(xiàn)場儀表傳送上來的各項數(shù)據(jù)。 (2) 界面顯示：顯示每臺表的工作狀態(tài)以及每臺表所測量得到的溫度值。 (3) 歷史數(shù)據(jù)的保存：把下位機傳送上來的數(shù)據(jù)按年、月、日保存在 PC 機中可以供以后調檔查看 (4) 打印功能：可以打印歷史數(shù)據(jù)，溫度曲線。 1.3.3 溫度控制系統(tǒng)的主要性能指標： (1) 輸入種類：PT100 標準熱電阻 (2) 輸入點數(shù)：1 個測點、4 個被測點 (3) 溫度控制范圍：0.00℃～200.00℃ (4) 測量誤差：(5) 溫控穩(wěn)定性：(6) 顯示：LCD 顯示 (7) 通信接口：RS485 1.4 論文的總體結構 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 9 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊論文的總體章節(jié)安排如下：首先簡要的介紹相關的背景以及論文的主要內容；第二章介紹了系統(tǒng)的總體方案；第三章介紹現(xiàn)場溫度控制儀表的硬件電路；第四章介紹了現(xiàn)場溫度控制儀表的軟件設計；第五章介紹了上位機軟件的設計；第六章介紹了系統(tǒng)抗干擾設計。第二章 溫度控制系統(tǒng)的總體設計 2.1 系統(tǒng)總體方案設計 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 10 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊系統(tǒng)可以分為兩個部分：上位機軟件以及現(xiàn)場溫度控制儀表。 現(xiàn)場溫度控制儀表主要功能是測量控制恒溫槽的溫度、測量待檢定熱電阻的阻值并可以通過 485 總線傳送到上位機上。 上位機實現(xiàn)的主要功能是接收下位機的數(shù)據(jù)，并在 PC 機上顯示和保存，同時還能提供歷史數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)圖表的打印等功能。 2.2 現(xiàn)場溫度控制儀表的方案設計 現(xiàn)場溫度控制儀表的總體設計框圖如圖 2-2 所示，主要可以分為五個模塊：前端測量模塊、LCD+ 按鍵的人機交互模塊、后端可控硅輸出控制模塊、電源主處理器模塊、通信模塊。 1、 測量模塊方案的選擇[4]常用的鉑電阻測量的方法主要有 2 種：利用單電橋來測量電阻的阻值的變化；利用高精度的恒流源電位壓將法來測量電阻的變化。 利用電橋測量可以實現(xiàn)較高準確度的溫度的測量，但是在實現(xiàn)±0.01℃以上的精度的話，電橋本身的非線性，以及被測電阻接入單電橋作為一個橋臂以后，該橋臂中的接線電阻和接觸電阻的數(shù)值可能與引起最小溫度變化所對應的阻值在同一數(shù)量畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 11 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊級，甚至還要大些。因此，如果采用單電橋的測量方法得到的測量結果將是極不可信的。 恒流源壓降法是一個恒流源與一個被測電阻相串聯(lián)，通過測量電阻兩端的壓降就可以計算出被測電阻的阻值。這個測量的精度主要決定于電流源的精度。現(xiàn)在的帶隙電壓源以及齊納穩(wěn)壓二極管都能生成很高精度的電壓源能夠滿足實際的測量要求的精度，所以前端測量模塊電路采用選用恒流源壓降法。2、人機交互模塊的選擇[5]準確、清晰、可靠的參數(shù)顯示對于任何一種儀器來說都非常重要。一般來講，常用的顯示器件有：發(fā)光二極管顯示器（LED ）和液晶顯示器（ LCD）。 發(fā)光二極管顯示器是全固態(tài)型顯示器件，具有極高的可靠性和極長的壽命，在智能化測量與控制儀表中普遍使用。它又可分為 LED 數(shù)碼管顯示器和 LED 點陣顯示器兩種。LED 數(shù)碼管顯示器常用的一般為 8 字型，通常主要用來顯示數(shù)字。LED 點陣顯示器常用 8×8 點陣圖形來顯示字符，可顯示的內容比 LED 數(shù)碼管顯示器豐富。而 LED 點陣顯示器雖然可以實現(xiàn)各種字符的顯示，但其體積過大，功耗太高。 液晶顯示器是利用液晶的物理特性來實現(xiàn)顯示的。在通電時導通，使液晶排列變的有秩序，光線容易通過；不通電時，排列變的混亂，阻止光線通過。按照顯示性能，液晶顯示器可分為段行顯示、點陣顯示、字符顯示等。段行顯示依靠長條形像素進行顯示，只能顯示數(shù)字和個別字符；點陣顯示依靠矩形點像素進行顯示，可畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 12 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊以顯示任何字符、數(shù)字、圖形；字符顯示是只能顯示分割開的字符的點陣式產(chǎn)品。與其他顯示器件相比較，液晶顯示器有以下特點： z 由于液晶的像素可以做的很小、很精細，因此顯示同樣的參數(shù)，液晶顯示器的體積更小、更??； z 工作電壓低，功耗小。有些液晶顯示器只要 2V～3V 即可工作，而工作電流僅幾個毫安，這是其它任何顯示器件無法比擬的； z 壽命長。液晶材料是有機高分子合成材料，具有極高的純度，而且其他材料也都是高純物質，在極凈化的條件下制造而成。而且液晶的驅動電壓又低，驅動電流更是微乎其微，因此，其劣化效應幾乎沒有，壽命很長； z 無輻射、無污染，對于人身安全和信息保密都非常理想。 由于液晶顯示器，顯示比較靈活，與 LED 相比能夠實現(xiàn)更加友好的人機對話，而且液晶顯示器的功耗更小所以在現(xiàn)場溫控儀表中選用 LCD 作為人機交互的界面顯示。 3、可控硅輸出控制模塊 輸出控制接口電路要求具有弱電控制、強電輸出的特點，只需要較小的電流、電壓就可以控制較大的電流。滿足這個要求的常用的是機械繼電器輸出控制電路和可控硅輸出控制電路。機械繼電器輸出控制接口電路簡單，但是機械繼電器的開關響應時間長，觸點的壽命較短，不適合用于頻繁開關的場合?？煽毓栎敵隹刂平涌陔娐废鄬碗s，其優(yōu)點就是開關無觸點，壽命長、開關響應時間短，控制方式靈活，可以根據(jù)不同的情況選用不同的觸發(fā)方式來進行控制。在溫度控制系統(tǒng)中廣泛應用。4、電源主處理器模塊 根據(jù)各模塊的電壓需求，一共需要 4 組直流電源：+12V*2，+5V*2 。其中 12V 的一組用于前端的測量模塊的穩(wěn)壓芯片供電電源，另一組為可控硅控制模塊供電。5V 電源中的一組為測量模塊供電，另一組用于其他各個模塊。電源設計方案是常用的設計方案：先將 220V 交流電通過變壓器分別變壓（AC9V 二線，AC14 三線）；在分別通過整流橋和二級管對降壓后的交流信號整流；最后經(jīng)過電容和穩(wěn)壓芯片（7805*2，7812*2）后輸出所需的 4 路直流信號。 8051 單片機是目前國內外工業(yè)測量控制領域內使用極為廣泛的一類 8 位微控制器，它的特點是使用方便靈活，外圍硬件支持十分豐富，世界上許多大半導體廠畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 13 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊商，如：Atmel、Analog Device、Dallas 、Infineon、Philips 、SST、TI 等公司都推出了具有各自特點的增強型 8051 系列單片機，現(xiàn)共有 100 多種的型號可供選擇?，F(xiàn)場溫度控制儀表的處理器選用的是飛利浦的增強型 51 單片機 P89C51RD2，該單片機片內資源豐富（RAM1K+ROM64K）這就無需再進行片外擴展就可以滿足系統(tǒng)的設計需要。而且 P89C51RD2 片內自帶了看門狗，這不僅節(jié)約了芯片的外部接口，而且還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2.3 編譯調試軟件的選擇 1、下位機軟件編譯調試環(huán)境的選擇[6]現(xiàn)場溫度控制儀表的單片機軟件采用 C 語言開發(fā)。實際調試采用 MICETEK 的 EasyProbe 8052F Plus 仿真頭，所以調試軟件只能選用 CodeCruiser For 51，但是 CodeCruiser For 51 軟件僅能較好的支持匯編語言的編譯調試，對于 C 語言的編譯則相當?shù)牟?，而且效率低。Keil 公司的 Keil C51 是絕大部分 8051 系列單片機開發(fā)者的首選，它將項目管理器（Project ）、Cx51 編譯器、Ax51 匯編器、BL51/Lx 連接定位器、RTX51 實時操作系統(tǒng)、Simulator 模擬器以及 Mornitor51 目標調試器的功能全部集成在單一而靈活的 μVision2 中，為用戶提供了極為簡便的操作環(huán)境。μVision2 具有強大的項目管理功能，項目中包括源程序文件、開發(fā)工具選項以及編程說明等。μVision2 內部還集成了一個數(shù)據(jù)庫文件（Device Database ），其中存儲了各種型號單片機的片上存儲器和集成外圍功能信息，通過器件數(shù)據(jù)庫可以自動設置 Cx51 編譯器、Ax51 匯編器、BL51/Lx51 連接定位器、 Debug 調試器等開發(fā)工具的功能選項，充分滿足用戶使用特定的起始地址及代碼大小規(guī)模。 Keil C 編譯器具有如下優(yōu)越性： 1． C51 源程序經(jīng)過優(yōu)化后生成的代碼，其效率接近于匯編語言生成的代碼。 2． 支持所有的 8051 系列單片機，提供對所有外圍硬件部件的操作。 3． 無論在有無工作寄存器區(qū)轉換的情況下，編譯器都能產(chǎn)生快速中斷代碼。 4． 能夠在整個應用程序中執(zhí)行全局寄存器優(yōu)化。 5． 支持再入功能和寄存器區(qū)的獨立代碼，便于中斷服務程序和多任務應用程序的執(zhí)行。在進行調試時，先選用 Keil C 編譯環(huán)境生成 OMF 文件，然后在 CodeCruiser For 51 中調用 OMF 文件進行調試。 下位機的調試軟件選用 Keil C 與 CodeCruiser For 51 相配合使用。 2、 上位機軟件編程調試軟件的選擇 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 14 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊PC 機的編程軟件較多，在 Windows 環(huán)境下常用的有 VB、VC 、Delphi 、Broland C++ 等。VC 是微軟推出的在 Windows 操作系統(tǒng)上建立應用程序的編程軟件。VC++使用方便，可以借助于其生成代碼的向導，就能在數(shù)秒內生成可運行的 Windows 應用程序的基本外殼。 VC++自帶的類庫，即 Microsoft Foundation Classes（MFC）已經(jīng)成為許多 C++編譯器進行 Windows 軟件開發(fā)的工業(yè)標準。選用 VC++能夠很好的利用 Windows API 對底層硬件操作，所以上位機的編程軟件選用 VC++6.0。 第三章 現(xiàn)場溫度控制儀表的電路設計 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 15 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊本章主要介紹現(xiàn)場溫度控制儀表的硬件電路設計，現(xiàn)場溫度控制儀表的硬件電路共分為 5 個模塊：前端測量模塊、LCD+按鍵的人機交互模塊、后端可控硅輸出控制模塊、電源主處理器模塊和通信模塊。 3.1 測量模塊電路設計 測量模塊在整個溫度控制儀表甚至整個溫度控制系統(tǒng)中處于最基礎的地位。測量模塊的測溫精度決定了整個系統(tǒng)的精度；測量的結果又是溫度控制系統(tǒng)進行控制的依據(jù)，也是檢驗溫度控制效果的依據(jù)。這個模塊設計對整個系統(tǒng)起著決定性的作用。 3.1.1 精密直流電流源電路的設計 3.1.1.1 精密直流電流源電路[7]測量電路首先的任務就是把前端熱電阻變化（ΔRt）線性的轉換成電壓的變化（Δ Vt）即：由式（3-1）可以看出當 It 為常數(shù)時，電壓的變化（ ΔVt）只與電阻變化（ΔRt）相關，所以這就需要一個高精度的、穩(wěn)定性好的恒流源 It。 精密直流電流源電路如圖 3-1 所示 恒流源基本實現(xiàn)是：由電壓基準芯片生成恒定電壓 Vref(t)，經(jīng)過運放 MAX430 跟隨輸出 Vin=Vref(t) ，此時 Is(t) =Vref(t)/R7(t) ；；當電壓 Vref(t)和 R7(t)都為恒定值時輸出時 Is(t)=Vref(t)/R7(t) 也一定為固定不變的值。電阻 R7(t)采用高精度、低溫漂的標準電阻，其阻值基本固定，所以 Is(t)的輸出質量的優(yōu)劣基本上取決于 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 16 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊Vin-(t)。Q1 選用 N 溝道 2SK30 場效應管。電壓基準芯片的精度是整個系統(tǒng)精度的基礎。3.1.1.2 電壓基準芯片簡介[8]電壓芯片選用 MAXIM 公司的 2.5V 電壓基準芯片 MAX6325（封裝見圖 3-2）。MAX6325 幾項重要技術指標： 1． 低溫漂，1ppm/℃ 2． 低噪聲，1.5μVpp 的噪聲（0.1-10 赫茲）（見圖 3-3） 3． 長時間穩(wěn)定性好，30ppm/1000hr 4． 低功耗，18hw 功耗 5． 初始化精度±0.02％ 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 17 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊MAX6325 在這個系統(tǒng)中既是恒流源的生成參考電壓也是 AD 芯片的參考電壓。所以 MAX6325 的精度是這個測量系統(tǒng)精度的保證。而 MAX6325 的溫漂小，紋波噪聲小（見圖 3-3 ），精度高，所以穩(wěn)壓芯片選用 MAX6325。 當 MAX6325 工作在頻率 10Hz- 10kHz 區(qū)間時，NR 腳接電容 Cnr 與否直接影響了輸出電壓的輸出噪聲（見圖 3-4 所示）。在接電容 (Cnr=1μf)后，在 10Hz 時輸出噪聲與未接電容（Cnr=0μf）時相差不大，但是到了 30Hz 處，Cnr=1μf 的輸出噪聲為 30 /nV Hz 而 Cnr=0μf 的輸出噪聲是 45 /nV Hz ；當頻率>100Hz 時，Cnr=1μf 的輸出噪聲為 15 /nV Hz readad[max]){max = i;}if(readad[i] tempom[mid])low = mid+1;else {i = mid;find = 1;}}if (find)return mid*10000;//在 表中找到即返回else{return(om-tempom[high])*10000/(tempom[low]-tempom[high])+(unsigned long)high*10000;}//介 乎兩個表格數(shù)據(jù)之間，則作線性插值后返回。實際測溫精度見表 4-4 所示（測溫鉑電阻由標準電阻箱代替） 。測溫精 度滿足系統(tǒng)要求的測量精度。表 4-4 實際 測溫輸出測試電阻阻值理論溫度值 實際測量顯示溫度值 誤差100.00Ω 0.000℃ 0.000℃ 0.000℃105.00Ω 12.821℃ 12.823℃ 0.002℃110.00Ω 25.682℃ 25.681℃ -0.001℃115.00Ω 38.605℃ 38.607℃ 0.002℃120.00Ω 57.574℃ 57.572℃ -0.002℃4.4 溫 度 控 制 程 序溫度控制采用 PID 控制技術即按偏差的比例、 積分和微分進行控制。 這是控制理論中技術最成熟，應用最廣泛的一種控制技術。它結構簡單，參數(shù)調整方便，是在長期的工程實踐中總結出來的 一套控制方法。在實際控制時，由于難以建立精確的數(shù)學模型，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，可以采用 PID 控制技術，根據(jù)經(jīng)驗進行在線調整，最終得到滿意的結果。PID 控制回 路如圖 4-6 所 示。圖中 y(t)是被控變量，R 是 y(t)的設定值，e (t ) ??R ??y(t ) 。畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 67 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊e(t)是調節(jié)器的輸入偏差，P out (t) 是調節(jié)器輸出的控制量。實際溫度控制的 PID 算式為Pout (t ) ??K p * e(t ) ??Ki * ?e(t ) ??Kd * (e(t ) ??e(t ??1)) 　　　　　　　?。?-8 ）式（4-8 ）中K p 是比例調節(jié)參數(shù)；Ki 是積分調節(jié)參數(shù)；Kd 是微分調節(jié)參數(shù)；這三個基本參數(shù)K p 、K i 、K d 在實際控制中的作用：1、 比 例 調 節(jié) 作 用 ： 是 按 比 例 反 應 系 統(tǒng) 的 偏 差 ， 系 統(tǒng) 一 旦 出 現(xiàn) 了 偏 差 ， 比 例 調 節(jié)立 即 產(chǎn) 生 調 節(jié) 作 用 用 以 減 少 偏 差 。 比 例 作 用 大 ， 可 以 加 快 調 節(jié) ， 減 少 誤 差 ，但 是 過 大 的 比 例 ， 使 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 下 降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定2、 積 分 調 節(jié) 作 用 ： 是 使 系 統(tǒng) 消 除 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 ， 提 高 無 差 度 。 因 為 有 誤 差 ， 積 分 調節(jié) 就 進 行 ， 直 至 無 差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti（Ki=1 /Ti），T i 越小， 積 分作用越強， 反之 Ti 大 則積分作用弱， 加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降， 動態(tài)響應變慢。3、微 分 調 節(jié) 作 用 ： 微 分 作 用 反 映 系 統(tǒng) 偏 差 信 號 的 變 化 率 ， 具 有 預 見 性 ， 能 預 見 偏 差變 化 的 趨 勢 ， 因 此 能 產(chǎn) 生 超 前 的 控 制 作 用 ， 在 偏 差 還 沒 有 形 成 之 前 ， 已 被 微 分調 節(jié) 作 用 消 除 。 因 此 ， 可 以 改 善 系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 性 能 。 在 微 分 時 間 選 擇 合 適 的 情 況畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 68 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊下 ， 可 以 減 小 超 調 ， 減 少 調 節(jié) 時 間 。 微 分 作 用 對 噪 聲 干 擾 有 放 大 作 用 ， 因 此 過強 的 加 微 分 調 節(jié) ， 對 系 統(tǒng) 抗 干 擾 不 利 。 此 外 ， 微 分 反 應 的 是 變 化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。在 實 際 計 算 時 應 該 注 意 的 是 有 些 參 數(shù) 如 積 分 項 的 累 加 熟 過 大 時 會 起 反 作 用 ， 使調 節(jié) 失 靈 ， 或 者 引起大幅震蕩，為此在程序中引入一個數(shù)值最大界限，當結果超出約定界限時，則不再增加（或減 少） 。 對于調壓法控制輸出， 由于正弦波相對于延時導通的相位角輸出的電壓有效值是非線性的， 而 且三角函數(shù)計算也很費時，所以，在這里的處理方法也是采用查表加線性差值來獲得移相的數(shù)據(jù)。4.5 人 機 交 互4.5.1 按 鍵 程 序 設 計由于按鍵沒有硬件防抖動， 所以這一功能就需要由軟件來實現(xiàn)， 延時 10 毫秒后看按鍵是否保持。 按鍵去抖動以及按鍵判斷的程序如下：if (FUN == 0){ delaylong(20000);//延 時去抖動if (FUN == 0){ fun = 1;//FUN 按鍵按下 ,置位 fun return 1;//有鍵按下，要求處理菜單}}if (IN == 0){ delaylong(20000); //延 時去抖動if (IN == 0){ in = 1; //IN 按鍵按下,置位 inreturn 1; //有鍵按下， 要求處理菜單}}if (JIAN == 0){ delaylong(20000); //延 時去抖動if (JIAN == 0){ jian = 1; //JIAN 按 鍵 按 下 ,置 位 jian 畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 69 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊return 1; //有鍵按下， 要求處理菜單}}if (JIA == 0){ delaylong(20000); //延 時去抖動if (JIA == 0){ jia = 1; //JIA 按鍵按下 ,置位 jia return 1; //有鍵按下， 要求處理菜單}}return 0;//沒有按鍵操作 由上面的程序段可以看出按鍵是有優(yōu)先級的，當有多個按鍵同時給按下，程序只響應優(yōu)先級最高的一個按鍵，其它按鍵則不作出按鍵響應，也不會作相應的按鍵處理。按鍵的優(yōu)先級順序由高到 低為：FUN、 IN、 JIAN、 JIA。4.5.2 液 晶 屏 界 面 程 序 設 計 [14]HXMG128064 顯示模塊內 置有液晶控制芯片。該芯片具有 8 位并行數(shù)據(jù)總線和一組控制總線。 通過這些總線，可以很方便地與多種微控制器進行指令或數(shù)據(jù)的傳遞，可以直接和單片機相連。單 片機通過總線讀寫數(shù)據(jù)和命令。液晶模塊控制芯片的指令：1、顯示開/關指令當 D 為 1 時 ，液晶顯示 RAM 中的內 容；D 為 0 時，關閉顯示。2、顯示起始行（RAM）設置 指令R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0Code 0 0 1 1 Ａ Ａ Ａ Ａ Ａ Ａ該指令設置了對應的液晶屏上的顯示 RAM 的行號 AAAAAA（二進制０－６４） ，有R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0Code0 0 0 0 1 1 1 1 1 D畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 70 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊規(guī)律的改變起始行，可以使液晶屏實現(xiàn)顯示垂直滾屏的效果。３、頁（RAM）設置指令R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0Code 0 0 1 ０ １ １ １ Ａ Ａ Ａ該指令設置了對應的液晶屏上的顯示 RAM 的Ｘ地址 AAA（ 二進制０－８） ，一共８頁，每頁８ 行。４、列地址設置指令R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0Code 0 0 ０ １ Ａ Ａ Ａ Ａ Ａ Ａ設置了頁地址和列地址，就唯一確定了顯示 RAM 中的一個 單元，這樣單片機就可以用讀／寫指令讀出該單元中的內容或向該單元寫進一個字節(jié)數(shù)據(jù)。５、讀狀態(tài)指令R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0Code １ 0 BUSY 0 ON/OFF RESET 0 0 0 0該指令用來查詢列啟動控制器的狀態(tài)，各參量含義如下：BUSY: 1-“忙”狀態(tài)，禁止操作， 0 -正常狀 態(tài)ON/OFF: 1- 顯示關閉 0 -顯示打開RESET: 1- 復位狀態(tài) 0 正常狀態(tài)在 BUSY 和 RESET 狀 態(tài)時，除讀狀態(tài)指令外，其它指令均不產(chǎn)生作用。在對列控制驅動器 操作之前要查詢 BUSY 狀態(tài)，以確定是否可以進行操作。６、寫數(shù)據(jù)指令R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0Code ０ １ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ該操作將８位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲器的單元內。 操作完成后列地址計數(shù)器自動加一。７、讀數(shù)據(jù)指令R/W D/I DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0Code １ １ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ該操作將列控制驅動器的輸出寄存器的內容讀出，列地址計數(shù)器自動加一。必須注意的是，進 行讀操作之前，必須有一次空讀操作，緊接著再讀才會讀出所要讀的單元中的數(shù)據(jù)。液晶顯示程序流程圖如圖 4-7 所示。畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 71 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊根絕頁面的實際應用情況， 液晶屏的刷新分為三種刷新方式： 整頁刷新、 整行刷新、單字刷新 ； 分 別 設 置 整頁 刷 新 位 、整 行 刷 新 位、 單 字 刷 新位 。 如 進 入菜 單 的 選 項，整 頁 內 容都 需 要 改 變， 可 以 通 過 設 置 整頁 刷 新 位 來指 示 刷 新 方式 ； 溫 度 動態(tài) 顯 示通 過設 置 整 行 刷新 位 來 指 示刷 新 方 式 ；而 修 改 參 數(shù) 時 ， 每次 僅 能 修 改單 獨 一 位 數(shù)字 ，所 以 可以 通 過 設 置單 字 刷 新 位來 指 示 刷 新方 式 。 通 過這 三 種 刷 新 方 式 的 共 同 使 用 ，可 以 合 理 的 安 排 CPU 在 顯 示 器 處 理 上 消 耗 的 時 間 。 液 晶 屏 刷 新 程 序 流 程 圖 如 圖 4-8所示：畢業(yè)設計（論文）報告紙共 94 頁 第 72 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊雖 然 這 里 分別 給 出 了 按鍵 和 液 晶 的程 序 ， 但 是在 人 機 交 互的 程 序 中 按鍵 和 液 晶屏顯 示 程 序 不是 相 互 分 離 的， 它 們 兩 者的 狀 態(tài) 是 相 互 影 響 的 。按 鍵 在 不 同的 顯 示 頁面下 實 現(xiàn) 的 操作 是 不 同 的， 同 樣 液晶屏的顯示頁面也受到按鍵的影響。4.6串 口 通 信 [24]51 單片機內 部集成有一個功能很強的全雙工串行通訊口， 設有兩個互相獨立的接收、發(fā)送