畢業(yè)設(shè)計(jì)149基于單片機(jī)的數(shù)字溫度表設(shè)計(jì).pdf

圖 1 某 型 溫 度 表 原 理 框 圖基 于 單 片 機(jī) 的 數(shù) 字 溫 度 表 設(shè) 計(jì)劉 愛 元 , 姜 靜 , 皮 之 軍(海 軍 航 空 工 程 學(xué) 院 控 制 工 程 系 , 山 東 煙 臺(tái) 264001)摘 要 :在 介 紹 某 型 機(jī) 電 式 溫 度 表 組 成 及 工 作 原 理 的 基 礎(chǔ) 上 ,論 述 了 基 于 MCS - 51單 片 機(jī) 的 數(shù) 字 溫度 表 的 設(shè) 計(jì) 方 法 ,給 出 了 硬 件 電 路 設(shè) 計(jì) 、 模 擬 電 源 與 放 大 器 電 路 設(shè) 計(jì) 及 軟 件 設(shè) 計(jì) ,用 AEDK51仿 真器 完 成 了 硬 軟 件 調(diào) 試 。 該 設(shè) 計(jì) 克 服 了 機(jī) 電 式 溫 度 表 摩 擦 、 溫 度 變 化 等 因 素 引 起 的 指 示 誤 差 大 的 弊端 ,提 高 了 溫 度 表 的 指 示 精 度 。關(guān) 鍵 詞 :溫 度 表 ; 單 片 機(jī) ; 硬 件 ; 軟 件中 圖 分 類 號(hào) : TP274 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 : A 文 章 編 號(hào) : 1671O654X (2007) 03O0074O03引 言某 型 飛 行 器 上 的 溫 度 表 用 于 測 量 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 燃 燒 室 的溫 度 ,該 溫 度 值 過 高 會(huì) 燒 壞 發(fā) 動(dòng) 機(jī) ,過 低 則 說 明 燃 料 未得 到 充 分 燃 燒 而 導(dǎo) 致 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 推 力 減 少 。 以 前 的 溫 度 表大 都 采 用 機(jī) 電 式 溫 度 表 ,由 于 測 量 回 路 的 總 阻 值 R隨 環(huán) 境 溫 度 變 化 易 產(chǎn) 生 溫 差 ,且 接 觸 電 阻 的 增 大 、 摩擦 、 空 中 震 動(dòng) 等 因 素 的 變 化 ,均 會(huì) 導(dǎo) 致 溫 度 表 指 示 精 度降 低 。 為 了 提 高 溫 度 表 工 作 的 可 靠 性 和 指 示 精 度 ,本文 結(jié) 合 某 型 溫 度 表 的 工 作 原 理 ,從 硬 件 和 軟 件 兩 個(gè) 方面 設(shè) 計(jì) 了 一 種 基 于 MCS - 51單 片 機(jī) 的 數(shù) 字 溫 度 表 。1 機(jī) 電 式 溫 度 表該 型 溫 度 表 由 傳 感 器 和 指 示 器 兩 部 分 構(gòu) 成 ,其 工作 原 理 如 框 圖 1所 示 。圖 中 ,傳 感 器 為 一 個(gè) 熱 電 偶 ,用 來 測 量 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 燃 燒室 的 溫 度 。 當(dāng) 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 工 作 時(shí) ,熱 電 偶 的 熱 端 感 受 燃 燒室 的 溫 度 值 T,產(chǎn) 生 相 應(yīng) 的 熱 電 勢 。 熱 電 勢 的 大 小為 1, 2 :E ( t, t0 ) = Ke t0ln N aNbdt (1)式 中 , N a , N b :表 示 熱 電 偶 兩 根 不 同 導(dǎo) 體 a、 b的 自由 電 子 密 度 ;e:單 位 電 荷 量 ,其 值 為 1. 602 10 - 19 C ;K:波 爾 茲 曼 常 數(shù) ,其 值 為 1. 38 10 - 23 J K ;t, t0 :表 示 熱 電 偶 熱 端 和 冷 端 溫 度 。由 (1)式 可 知 ,當(dāng) 熱 電 偶 材 料 一 定 、 冷 端 溫 度 保 持不 變 時(shí) ,熱 電 勢 大 小 取 決 于 熱 端 溫 度 ,即 :E ( t, t0 ) = K ( t - t0 ) = f ( t) - f ( t0 ) (2)式 中 K = Ke ln N aNb當(dāng) 熱 電 偶 冷 端 溫 度 保 持 不 變 ,即 f ( t0 ) = C (常 數(shù) )時(shí) ,則 :E ( t, t0 ) = f ( t) - C = ( t) (3)由 (3)式 可 知 ,熱 電 偶 產(chǎn) 生 的 熱 電 勢 的 大 小 與 熱端 溫 度 (即 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 燃 燒 室 的 溫 度 )成 單 值 函 數(shù) 關(guān) 系 。溫 度 越 高 ,產(chǎn) 生 的 熱 電 勢 越 大 ,溫 度 一 定 時(shí) ,熱 電 勢 的大 小 也 一 定 。指 示 器 是 一 個(gè) 靈 敏 毫 伏 表 。 熱 電 偶 產(chǎn) 生 的 熱 電 勢加 到 指 示 器 線 框 兩 端 后 ,線 框 中 便 有 電 流 通 過 ,該 電 流產(chǎn) 生 的 磁 場 與 永 久 磁 鐵 產(chǎn) 生 的 磁 場 相 互 作 用 產(chǎn) 生 電 磁轉(zhuǎn) 矩 M電 ,使 線 框 帶 動(dòng) 指 示 器 指 針 轉(zhuǎn) 動(dòng) ,同 時(shí) ,游 絲 也跟 隨 轉(zhuǎn) 動(dòng) 而 產(chǎn) 生 反 轉(zhuǎn) 力 矩 M反 ,當(dāng) 反 轉(zhuǎn) 力 矩 與 電 磁 力矩 達(dá) 到 平 衡 時(shí) ,線 框 停 止 轉(zhuǎn) 動(dòng) ,指 針 在 刻 度 盤 上 指 示 相應(yīng) 的 溫 度 值 。2 數(shù) 字 溫 度 表 硬 件 電 路 設(shè) 計(jì)依 據(jù) 上 述 機(jī) 電 式 溫 度 表 工 作 原 理 ,設(shè) 計(jì) 數(shù) 字 溫 度表 由 模 擬 電 源 、 運(yùn) 算 放 大 器 、 A D轉(zhuǎn) 換 器 、 8031芯 片 、收 稿 日 期 : 2006O10O17 修 訂 日 期 : 2007O05O19作 者 簡 介 :劉 愛 元 (1960O) ,男 ,山 東 招 遠(yuǎn) 人 ,副 教 授 ,研 究 方 向 為 航 空 電 子 氣 儀 表 與 飛 控 。第 37卷 第 3期 航 空 計(jì) 算 技 術(shù) Vol. 37 No. 32007年 5月 Aeronautical Computing Technique May. 20078155可 編 程 I O接 口 、 EOROM2764和 LED顯 示 器 等構(gòu) 成 ,其 硬 件 電 路 如 框 圖 2所 示 。圖 2 數(shù) 字 溫 度 表 硬 件 電 路 框 圖圖 2中 ,用 模 擬 電 源 模 擬 熱 電 偶 產(chǎn) 生 的 1. 8mV45. 7mV可 調(diào) 電 壓 信 號(hào) 。 考 慮 該 電 壓 信 號(hào) 為 毫 伏 級 ,易 受 干 擾 ,影 響 系 統(tǒng) 精 度 ,因 此 設(shè) 計(jì) 中 將 模 擬 電 源 輸 出的 毫 伏 級 電 壓 信 號(hào) 進(jìn) 行 放 大 。 放 大 后 的 電 壓 信 號(hào) 加 到ADC0809的 模 擬 輸 入 通 道 IN0進(jìn) 行 A D 轉(zhuǎn) 換 。 當(dāng)ADC0809的 START端 為 高 電 平 時(shí) , A D 開 始 轉(zhuǎn) 換 ,在 時(shí) 鐘 控 制 下 ,逐 位 逼 近 。 由 于 逐 次 逼 近 需 要 一 定 過程 ,在 此 期 間 模 擬 電 源 產(chǎn) 生 的 電 壓 信 號(hào) 應(yīng) 保 持 不 變 。ADC0809逐 次 比 較 ,直 到 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束 ,此 時(shí) , 8031發(fā) 出 一個(gè) 輸 出 允 許 命 令 (OE端 呈 高 電 位 ) ,則 可 讀 出 相 應(yīng) 的數(shù) 據(jù) 。 設(shè) 計(jì) 中 將 ADC0809作 為 外 部 擴(kuò) 展 并 行 I O口 ,采 用 線 選 法 尋 址 ;地 址 譯 碼 器 引 腳 A、 B、 C分 別 與地 址 總 線 的 低 三 位 A0、 A1、 A2 相 連 ,以 選 通 IN0 IN7中 的 一 個(gè) 通 道 ;將 P2. 5作 為 片 選 信 號(hào) ,在 啟 動(dòng) A D轉(zhuǎn) 換 時(shí) ,由 8031的 寫 信 號(hào) 和 P2. 5控 制 ADC0809的 地 址鎖 存 和 轉(zhuǎn) 換 啟 動(dòng) ,使 選 中 ADC0809的 IN0通 道 地 址 為DFF8H。 8031的 P0口 輸 出 的 低 8位 直 接 與 8155的AD0 AD7 相 連 ,既 作 為 低 8位 地 址 總 線 ,又 作 為 數(shù) 據(jù)總 線 ,其 地 址 直 接 用 ALE在 8155中 鎖 存 ;高 8位 地 址由 CE和 IO M的 地 址 控 制 線 決 定 。 設(shè) 計(jì) 中 將 8031的 P2. 7和 P2. 6分 別 與 8155的 CE和 IO M端 相 連 ,因此 8155 的 RAM 地 址 為 3F00H 3FFFH, 8155 的 命令 狀 態(tài) 寄 存 器 、 PA 口 、 PB 口 、 PC口 的 地 址 分 別 為7F00H、 7F01H、 7F02H、 7F03H, 8155的 定 時(shí) 器 計(jì) 數(shù)器 高 、 低 字 節(jié) 寄 存 器 地 址 分 別 為 7F05H 和 7F04H。8031從 ADC0809讀 取 的 相 應(yīng) 電 壓 信 號(hào) 通 過 擴(kuò) 展 I O接 口 芯 片 8155實(shí) 現(xiàn) 3位 LED顯 示 ,顯 示 出 相 應(yīng) 的 發(fā)動(dòng) 機(jī) 燃 燒 室 溫 度 。模 擬 電 源 與 運(yùn) 算 放 大 器 的 電 路 如 圖 3所 示 。圖 中 R1、 R2、 R3、 R4 應(yīng) 選 用 高 精 度 電 阻 ,運(yùn) 算 放 大器 選 用 專 用 儀 表 放 大 器 INA118,取 RG = 505 ,則 放 大倍 數(shù) 為 100倍 。 實(shí) 驗(yàn) 證 明 采 用 該 電 路 可 精 密 地 放 大 微弱 電 壓 信 號(hào) ,可 以 滿 足 系 統(tǒng) 的 精 度 設(shè) 計(jì) 要 求 。 采 用 該電 路 的 部 分 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 如 下 表 所 示 。圖 3 模 擬 電 源 與 放 大 器 電 路模 擬 電 源 與 放 大 器 電 路 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 表溫 度( )理 論 電 壓(mV)實(shí) 測 電 壓(mV)放 大 后 電 壓(V)放 大 誤 差( % )300 1. 8 1. 79 0. 176 1. 1600 21. 6 21. 59 2. 159 0900 45. 7 45. 70 4. 57 03 數(shù) 字 溫 度 表 軟 件 設(shè) 計(jì)數(shù) 字 溫 度 表 軟 件 設(shè) 計(jì) 采 用 了 順 序 程 序 設(shè) 計(jì) 的 方法 。 本 設(shè) 計(jì) 中 ADC0809與 8031采 用 中 斷 方 式 連 接 ,0809的 EOC端 與 8031的 INT1相 連 ,軟 件 編 程 允 許8031響 應(yīng) 外 部 中 斷 1,并 將 其 設(shè) 置 為 高 中 斷 優(yōu) 先 級 ,且設(shè) 置 響 應(yīng) 方 式 為 邊 沿 觸 發(fā) 。 整 個(gè) 系 統(tǒng) 軟 件 包 括 主 程序 、 中 斷 服 務(wù) 子 程 序 和 動(dòng) 態(tài) 顯 示 子 程 序 等 。 系 統(tǒng) 主 程序 和 中 斷 服 務(wù) 程 序 框 圖 如 圖 4所 示 。圖 4 主 程 序 與 中 斷 服 務(wù) 程 序 框 圖主 程 序 和 中 斷 服 務(wù) 程 序 之 間 的 信 息 交 換 采 用 數(shù) 據(jù)572007年 5月 劉 愛 元 等 :基 于 單 片 機(jī) 的 數(shù) 字 溫 度 表 設(shè) 計(jì) 緩 沖 器 和 軟 件 標(biāo) 志 (置 位 或 清 零 位 尋 址 區(qū) 的 某 一 位 )的 方 法 。 例 如 ,調(diào) 整 圖 3中 的 模 擬 電 源 電 位 計(jì) ,使 其 輸出 一 個(gè) 響 應(yīng) 溫 度 的 電 壓 信 號(hào) ,經(jīng) 放 大 器 放 大 后 送 至0809,此 時(shí) ,主 程 序 初 始 化 以 后 置 位 8031的 中 斷 控 制位 EA,使 CPU開 放 中 斷 ,然 后 啟 動(dòng) 0809對 IN0通 道的 模 擬 輸 入 量 進(jìn) 行 A /D轉(zhuǎn) 換 。 轉(zhuǎn) 換 完 畢 后 , 0809向8031的 IN1送 入 一 個(gè) 信 號(hào) , 8031接 到 該 信 號(hào) 響 應(yīng) 中斷 ,調(diào) 用 中 斷 服 務(wù) 程 序 ,先 壓 棧 保 護(hù) 現(xiàn) 場 ,讀 取 來 自0809輸 出 的 8位 數(shù) 字 量 ,然 后 調(diào) 用 EPROM2764中 的查 表 程 序 ,取 出 與 輸 入 信 號(hào) 相 對 應(yīng) 的 溫 度 值 ,并 將 其 轉(zhuǎn)換 為 BCD碼 送 入 顯 示 緩 沖 器 ,接 著 出 棧 恢 復(fù) 現(xiàn) 場 。 最后 將 顯 示 緩 沖 區(qū) 的 首 地 址 送 入 R0,位 選 指 向 百 位LED,掃 描 模 式 指 向 8155的 PB口 ,選 通 百 位 ;段 數(shù) 據(jù)送 到 8155的 PA 口 ,百 位 LED 顯 示 百 位 數(shù) 據(jù) ,延 時(shí)1m s后 ,掃 描 口 轉(zhuǎn) 到 十 位 LED ,顯 示 十 位 數(shù) 據(jù) ,依 次 類推 ,逐 次 燃 亮 一 位 LED ,在 三 個(gè) LED上 即 可 顯 示 出 相應(yīng) 的 溫 度 值 。4 結(jié) 束 語數(shù) 字 溫 度 表 硬 、 軟 件 設(shè) 計(jì) 在 實(shí) 驗(yàn) 室 用 AEDK51仿真 器 進(jìn) 行 了 調(diào) 試 ,實(shí) 現(xiàn) 了 對 飛 行 器 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 燃 燒 室 溫 度的 采 集 、 放 大 、 數(shù) /模 轉(zhuǎn) 換 、 信 號(hào) 處 理 及 顯 示 。 設(shè) 計(jì) 中 將毫 伏 電 壓 信 號(hào) 進(jìn) 行 放 大 ,提 高 了 抗 干 擾 能 力 ;設(shè) 計(jì) 摒 棄了 傳 統(tǒng) 的 機(jī) 電 式 結(jié) 構(gòu) ,避 免 了 摩 擦 ;所 選 用 元 器 件 不 受溫 度 影 響 ,減 小 了 溫 度 誤 差 。 使 系 統(tǒng) 精 度 得 到 了 較 大提 高 。 設(shè) 計(jì) 過 程 中 應(yīng) 注 意 以 下 三 點(diǎn) : a. 設(shè) 計(jì) 電 路 和 片選 時(shí) ,要 考 慮 芯 片 和 電 路 的 驅(qū) 動(dòng) 能 力 ,以 免 造 成 工 作 不正 常 或 設(shè) 計(jì) 失 敗 ; b. 模 擬 電 源 電 路 中 構(gòu) 成 電 橋 的 電 阻值 不 易 過 大 ,且 應(yīng) 采 用 精 密 電 阻 ; c. LED動(dòng) 態(tài) 顯 示 應(yīng) 采用 軟 件 掃 描 顯 示 方 式 ,因 人 眼 的 視 覺 暫 留 時(shí) 間 約 為100m s,因 此 每 位 顯 示 時(shí) 間 間 隔 不 能 超 過 20m s,且 注 意段 選 碼 、 位 選 碼 每 送 入 一 次 應(yīng) 延 時(shí) 1m s,這 樣 人 眼 看 上去 每 個(gè) LED總 在 亮 。參 考 文 獻(xiàn) : 1 朱 家 海 . 航 空 儀 表 M . 西 安 :空 軍 工 程 學(xué) 院 出 版 社 ,1997. 2 劉 元 揚(yáng) . 自 動(dòng) 檢 測 和 過 程 控 制 M . 北 京 :冶 金 工 業(yè) 出 版社 , 1998.Design of a D igital Thermometer Based on SCML IU A iOyu