智能溫度采集和顯示系統設計論文

1、摘 要隨著社會的進步和工業(yè)技術的發(fā)展，人們越來越重視溫度因素，許多產品對溫度范圍要求嚴格，而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點測量，同時還有溫度信息傳遞不及時、精度不夠的缺點，不利于工業(yè)控制者根據溫度變化及時做出決定。在這樣的形式下，開發(fā)一種能夠同時測量多點，并且實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫度信息的測量系統就很有必要。本課題以at89c51單片機系統為核心，能對多點的溫度進行實時巡檢。各檢測單元（從機）能獨立完成各自功能，同時能夠根據主控機的指令對溫度進行定時采集，測量結果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機串行口，通過rs-485總線及通信協議將采集的數據傳送到主控機，進行進

2、一步的存檔、處理。主控機負責控制指令的發(fā)送，控制各個從機進行溫度采集，收集測量數據，并對測量結果（包括歷史數據）進行整理、顯示和存儲。主控機與各從機之間能夠相互聯系、相互協調，從而達到系統整體統一、和諧的效果。 關鍵詞：單片機 rs485協議 溫度測量顯示 報警 abstractas the industry and the society developing, the temperature becomes more and more important and a lot of products are sensitive to temperature. however, tempera

3、ture-measuring apparatus in the market now only can check and measure the temperature of one point, at the same time, the temperature information is not real time and the precision is low. it takes a great of troubles for the industry-controllers to make decision .in this situation, design and imple

4、ment one applicable system which can watch measure and control the temperature and the measuring results is real time and the precision is great is more essential. in order to meeting this application, this paper talk about the multiple-points temperature measuring system.this system based on single

5、 chip computer, can inspect and control multiple temperatures in real time. the slaved machine can collect temperature information on its own and display it on the led module. following the master machines command, the slaved machine can up-send the temperature information to the master machine thro

6、ugh the rs-485 bus interface and the communication protocol. the master machine sends commands, controls the slaved computer gathering and up-sending the temperature data including history information, and it manages processes and stores the temperature information. the master and slaved computer wi

7、ll exchange information and correspond to each other, so it works together perfectly.key words single chip computer rs-485 protocol measure-temperature display alarming目 錄摘 要1abstract2第1章 緒論51.1 課題背景51.2 系統整體目標61.3 方案比較61.3.1 設計方案一71.3.2 設計方案二71.3.3 設計方案三7第2章 硬件設計102.1 穩(wěn)壓電源的設計102.1.1 穩(wěn)壓電源的組成102.1.2

8、電源設計102.2 溫度信號的獲取與放大122.2.1 溫度傳感器選用細則122.2.2 溫度信號獲取與放大電路142.3 模數轉換單元162.3.1 12位串行a/d轉換器max187162.3.2 模數轉換單元電路的設計172.4 通信模塊設計192.4.1 rs-485接口簡介192.4.2 電路設計202.4.3 通信協議的建立212.5 鍵盤模塊的設計222.5.1 hd7279a的原理222.5.2 鍵盤電路設計252.6 led顯示模塊的設計262.6.1 led顯示模塊262.6.2 led顯示電路設計282.7 單片機控制電路292.7.1 單片機概論292.7.2 單片機外

9、接電路35第3章 軟件設計393.1 程序設計語言與軟件開發(fā)環(huán)境393.1.1 程序設計語言的選用393.1.2 系統軟件開發(fā)環(huán)境393.2 軟件程序設計403.2.1 鍵盤管理443.2.2 模擬量的采集與處理44第4章 抗干擾設計與誤差分析454.1 抗干擾設計454.1.1 抗干擾技術主要體現464.1.2 用于單片機系統的干擾抑制元件464.1.3 提高單片機系統抗干擾能力的主要手段474.2 誤差分析48結 論50參考資料52第1章 緒論1.1 課題背景在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工

10、業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎%80的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對于工業(yè)如此重要，由此推進了溫度傳感器的發(fā)展。傳感器主要大體經過了三個發(fā)展階段：模擬集成溫度傳感器。該傳感器是采用硅半導體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。此種傳感器具有功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產品有ad590、ad592、tmp17、lm135等；模擬集成溫度控制器。模

11、擬集成溫度控制器主要包括溫控開關、可編程溫度控制器，典型產品有l(wèi)m56、ad22105和max6509。某些增強型集成溫度控制器(例如tc652/653)中還包含了a/d轉換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別；智能溫度傳感器。能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ate)的結晶。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、a/d轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器(cpu)、隨機存取存儲器(ram)和只讀存

12、儲器(rom)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(mcu)；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。溫度傳感器的發(fā)展趨勢。進入21世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發(fā)展。傳感器在溫度測控系統中的應用。目前市場主要存在單點和多點兩種溫度測量儀表。對于單點溫測儀表，主要采用傳統的模擬集成溫度傳感器，其中又以熱電阻、熱電偶等傳感器的測量精度高，測量范圍大，而得到了普遍的應用。此種產品測溫范圍大都在-200800之間，分辨

13、率12位，最小分辨溫度在0.0010.01之間。自帶led顯示模塊，顯示4位到16位不等。有的儀表還具有存儲功能，可存儲幾百到幾千組數據。該類儀表可很好的滿足單個用戶單點測量的需要。多點溫度測量儀表，相對與單點的測量精度有一定的差距，雖然實現了多路溫度的測控，但價格昂貴。針對目前市場的現狀，本課題提出了一種可滿足要求、可擴展的并且性價比高的單片機多路測溫系統。1.2 系統整體目標本系統的實現目標：1. 實時巡檢功能本系統能夠同時檢測4路溫度，檢測溫度范圍0400。根據實際需要，檢測點數是可以擴展的。2. 高精度應用12位ad轉換芯片，采用過采樣和工頻周期求均值技術，分辨率達到16位，檢測溫度變

14、化最小值達到0.007。3. 傳輸距離遠使用rs-485串行總線進行傳輸，max485驅動芯片進行電平轉換，傳送距離大于1200m，抗干擾能力強。4. 功能完善(1) 由主控機統一設置系統時間和溫度修正值。(2) 可由主控機分別設置各從機的溫度報警上下限，主機、從機均具有聲光報警功能。(3) 具有定時、整點收集各從機數據功能，使用i2c串行e2prom，可保存各從機以往24小時的數據，具有數據更新與掉電保護功能。(4) 具有數據存儲功能，可查詢各從機以往24小時的溫度情況。從機可顯示當前溫度、時間、報警閾值等信息。主從機均采用中文點陣式液晶顯示器，人機界面友好。(5) 自帶+5v和+12v直流

15、穩(wěn)壓電源。1.3 方案比較溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。對于控制系統可以采用計算機、單片機等。1.3.1 設計方案一采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線形元件，實現多點溫度的測量及顯示，該方案設計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數字化，而且測量誤差大。1.3.2 設計方案二采用pc機作為主控機，單片機構成信號采集單元。通過溫度傳感器采集溫度信號，經信號放大器放大后，送到a/d轉換芯片，經過含有單片機的檢測系統的進一步分析處理，通過通信線路將信息上行到pc機，在pc機上我們可對溫度信號進行任

16、何分析、處理。 單片機控制的檢測系統溫度傳感器a/d轉換器pc機控制的主控制器lcd顯示器變送器總線多路開關圖1-1 方案二的框圖采用該方案技術已經成熟，而且通過將溫度信息上傳到pc機，利用pc機強大的數據處理能力和相應的輔助軟件，可以多角度、多需求的分析處理溫度數據，但這在工業(yè)上大多不是必須的。而且目前pc的機價格的原因，制造出這樣的系統，不會得到普遍的應用。所以我不準備采用此種方案。1.3.3 設計方案三本方案以at89c51單片機系統為核心，對多點的溫度進行實時控制巡檢。各檢測單元（從機）能獨立完成各自功能，根據主控機的指令對溫度進行實時或定時采集，測量結果不僅能在本地儲存、顯示，而且可

17、以利用單片機串行口，通過rs-485總線及通信協議將將采集的數據傳送到主控機，進行進一步的分析、存檔、處理。主控機負責控制指令發(fā)送，控制各個從機進行溫度采集，收集測量數據，并對測量結果（包括歷史數據）進行整理、顯示和打印。主控機與各從機之間能夠相互聯系、相互協調，從而達到了系統整體統一和諧的控制效果。溫度測點1溫度測點2溫度測點3溫度測點4從機1從機2從機3從機4主控機89c51鍵盤led模塊聲光報警圖1-2 方案三的系統框圖該方案主控機和從機完全由單片機實現，采用該方案完全可滿足工業(yè)上大部分需求，而且相對與第二種方案價格更加容易讓人接受。上圖中，從機部分實現的功能幾乎和主機是對等的，但會接受

18、主機發(fā)送過來的命令的指示。溫度測點1傳感器adcmculed聲光報警rs-485接口電路圖1-3 從機部分的框圖 該方案采用熱電阻pt100做為溫度傳感器、ad620作為信號放大器max187作為a/d轉換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點。相對與方案1，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。相對與方案3，具有更高的性價比，更大的市場。所以我采用方案3完成本設計。第2章 硬件設計2.1 穩(wěn)壓電源的設計2.1.1 穩(wěn)壓電源的組成電源變壓器是將交流電網220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?。交流電經過二極管整流之后，方向單一了，但是大小（電流強度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流

19、一般是不能直接用來給集成電路供電的，而要通過整流電路將交流電變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。但這樣的電壓還隨電網電壓波動（一般有%左右的波動），負載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。電容器是一個儲存電能的倉庫。在電路中，當有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容器充電，把電能儲存在電容器中；當外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲存的電能再

20、放出來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越大，負載電阻值越大，充電和放電所需要的時間越長。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔濾波的任務。 穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟?。經濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。 2.1.2 電源設計工作原理：圖中為t1電源變壓器，它的作用是將交流電網電壓v1變?yōu)檎麟娐芬蟮慕涣麟妷?，四只整流二極管d1 d4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。先計

21、算文件參數：二極管d1、d3和d2、d4兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為id=ic=0.45。二極管在截止時管子兩端承受的最大反向電壓可以從圖1中看出。在正半周時d1、d3導通，d2、d4截止。此時d2、d2所承受的最大反向電壓均為的最大值。即=同理，在的負半周，d、d也承受到同樣大小的反向電壓。圖21 +12v電源示意圖橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高 ，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因為電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。濾波電路：我們采用電容濾波電路。因為本設計

22、為小功率電源,初始時電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當為正半周時，通過d1、d3向電容器c充電；當為負半周時，通過d2、d4向電容器c充電。充電時間常數為。包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管d的正向電阻。由于一般很少，電容器很快就達到了交流電壓的的最大值。由于電容器無放電回路，故輸出電壓保持在，輸出為一個恒定的直流。電容濾波電路的特點：1. 二極管的導電角，流過二極管的瞬時電流很大，電流的有效值和平均值的關系與波形有關。在平均值相同的情況下，波形越尖，有效值越大，在純電阻負載時，變壓器副邊電流的有效值而有電容濾波時2. 負載平均電壓升高，紋波(交流成分)漸少，且rc越大，電容放電速率越

23、慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取 d=rlc(35)t/2 （21）其中t為電源交流電壓的周期。3. 負載直流電壓隨負載直流電流增加二減少。隨的變化關系稱為輸出特性或者外特性。 c值一定，當rl=，即空載時當c=0，即無電容時4. 在整流電路的內組不太大(幾歐)和放電時間常數滿足式（21）的 關系時，電容濾波電路的負載電壓和的關系約為總之，電容濾波電路簡單，負載直流電壓vl較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。+5v電源電路如圖所示。圖2-2 5v電源示意圖2.2 溫度信號的獲取與放大2.2.1 溫度

24、傳感器選用細則現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1. 根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方

25、式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。2. 靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的串擾信號3. 頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻

26、率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。4. 線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。5. 穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)

27、定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。6. 精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必

28、須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。2.2.2 溫度信號獲取與放大電路本設計要檢測溫度范圍0400，可選用的常用溫度傳感器有集成溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等。 集成溫度傳感器（如ad590、ds1820等）使用方便，信號易于調理，但它們的測溫范圍普遍窄，一般在200以下，不能滿足要求。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，其優(yōu)點是測量精度高、測量范圍廣，常用的熱電偶從-50至+1600均可連續(xù)測量。但需采用電路或軟件設計等修正方法來補償冷端溫度t00時對測溫的影響，使用不便。

29、熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測量范圍為-200600，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測量精確度是最高的，所以我們最終選擇鉑電阻pt100作為傳感器。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。所以通常將其放在電橋橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器ad620的輸入端，經過儀器放大器放大后的電壓輸出送給a/d轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數字量。電路原理圖如圖3所示。 圖2-3 熱電阻測溫電路原理圖對信號放大，我們使用了低價格、高精度的儀器放大器ad620，它運用方便，可以通過外接電阻方便的

30、進行各種增益（1-1000）的調整。其增益計算公式為：溫度值計算過程：由于a/d檢測到的模擬電壓值計算可到的rt值，然后利用如下公式求出溫度值：其中 ，實際測量中，為提高測量精度，我們分兩擋進行測量，當溫度處于0210時，繼電器j2所在橋臂電阻為r32，繼電器j1選擇ad620的反饋電阻r5，溫度處于195400時，控制繼電器j2將電阻r31串接上，并相應控制繼電器j1選擇r6作為ad620的反饋電阻，在切換橋臂電阻時同步改變放大倍數，從而達到自動改變量程、提高測量精度的目的。2.3 模數轉換單元2.3.1 12位串行a/d轉換器max187 max187是美信公司推出的12位a/d轉換芯片，

31、內部含有采樣/保持電路，單5v操作電源，轉換速度為8.5s，具有片上4.096 v參考電壓，模擬量輸入范圍為0vbef。三線串行接口，兼容spi，qspi，microwire總線。1. max187的引腳功能說明max187有8腳dip封裝和16腳so封裝2種，圖1給出dip封裝的引腳排列。表1是引腳功能說明。 圖2-4 max187引腳圖2. max187操作時序用采樣/保持電路和逐位比較寄存器將輸入的模擬信號轉換為12位的數字信號，其采樣/保持電路不需要外接電容。max187有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將shdn置為低電平進入休眠模式，這時的電流消耗降到10a以下。shdn置為高電

32、平或懸空進入正常操作模式。表2-1 max187 引腳功能表引腳名稱功能1vcc+5v電源2ain模擬量輸入，范圍0-vref3shdn操作模式選擇，低電平休眠模式4ref參考電壓5gnd地6dout數據輸出7cs片選端8sclk時鐘，最高為5mhz 完整的操作時序如圖2所示。使用內參考時，在電源開啟后，經過20 ms后參考引腳的4.7f電容充電完成，可進行正常的轉換操作。a/d轉換的工作過程是：當cs為低電平時，在下降沿max187的t/h電路進入保持狀態(tài)，并開始轉換，8.5s后dout輸出為高電平作為轉換完成標志。這時可在sclk端輸入一串脈沖將結果從dout端移出，讀入單片機中處理。數據

33、讀取完成后將cs置為高電平。要注意的是：在cs置為低電平啟動a/d轉換后，檢測到dout有效（或者延時8.5s以上），才能發(fā)sclk移位脈沖讀數據，sclk至少為13個。發(fā)完脈沖后應將cs置為高電平。圖2-5 max187時序圖2.3.2 模數轉換單元電路的設計 a/d轉換的好與壞直接關系到整個系統的精確度。由于本系統測量的是溫度信號，響應時間長，滯后大，不要求快速轉換，因此選用12位串行admax187。max187具有12位的分辨力，其基準電壓為4.096v，故最小分辨電壓為能分辨的最小溫度變化為能達到設計的基本要求。為進一步提高精度，可以直接采用16位ad轉換器，也可以采用過采樣和求均值

34、技術來提高測量分辨率。本系統采用了后一種方法。所謂過采樣技術是指以高于奈奎斯特頻率的采樣頻率進行采樣，也就是說當adc以高于系統所需采樣頻率fs的速率對信號采樣時，能增加有效位數。每增加一位分辨率，信號必須被以4倍的速率過采樣，即其中w希望增加的分辨率位數；fs初始采樣頻率要求；fos過采樣頻率。圖2-6 模數轉換電路假設每秒鐘輸出一個溫度值（1hz）。為了將測量分辨率增加到16位，按下式計算過采樣頻率，即：因此，如果以fs=256hz的采樣頻率對溫度信號進行采樣，則將在所要求的采樣周期內采集到足夠的樣本，對這些樣本求均值便可得到16位的輸出數據。為此，先累加（將256個連續(xù)樣本加在一起），然

35、后將總和除以16。這樣得到的結果便是16位的有效數據，增加了4位有效數據。用過采樣和求均值技術后，新的ad分辨率計算如下：最小分辨電壓為這樣，可以測量的最小溫度變化為在采用過采樣和求均值技術的情況下，用同一個12位adc可以測量的最小溫度變化為0.0061，就允許了以高于0.01的精度對溫度進行測量。另外，為了減小工頻信號引起的誤差，我們設計了在40ms（20ms的兩倍）時間內采樣，然后再取平均值，將工頻信號誤差濾除。2.4 通信模塊設計2.4.1 rs-485接口簡介在自動化領域，隨著分布式控制系統的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠距離的數字通信。在rs-422標準的基礎上，eia研究出了一種

36、支持多節(jié)點、遠距離和接收高靈敏度的rs-485總線標準。 rs-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來驅動總線，具體規(guī)格要求如下：（1）接收器的輸入電阻rin大于等于12k（2）驅動器能輸出7v的共模電壓（3）輸入端的電容小于等于50pf （4）在節(jié)點數為32個，配置了120的終端電阻的情況下，驅動器至少還能輸出電壓1.5v（5）接收器的輸入靈敏度為200mv因為rs-485的遠距離、多節(jié)點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得eia rs-485成為工業(yè)應用中數據傳輸的首選標準。 rs-485串行接口的電氣標準實際上是rs-422的變型，它屬于七層osi（open system

37、 interconnection，開放系統互連）模型物理層的協議標準。由于性能優(yōu)異、結構簡單、組網容易，rs-485總線標準得到了越來越廣泛的應 用。其互連方式如圖2-8所示。圖2-7 rs-485互連方式圖rs -485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現通信：在發(fā)送端txd將串行口的ttl電平信號轉換成差分信號a、b兩路輸出，經傳輸后在接收端將差分信號還原 成ttl電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。同時，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大 大提高。如果以10kbps速率傳輸數據時傳輸距離可達12m，而用100kbps時傳輸距離可達1

38、.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。 另外rs-485實現了多點互連，最多可達32臺驅動器和32接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實現半雙工通信，而且可以實現全雙工通信。2.4.2 電路設計由于單片機串行口輸出的是ttl電平，要想實現多機通訊，必須要將其轉換成常用的串行通信總線標準接口電平，如rs-232或rs-485。其中rs-232適于短距離或帶調制解調器的通信場合，其邏輯電平與ttl、mos邏輯電平完全不同，需要用max232驅動芯片進行電平轉換。其主要缺點是數據傳輸速率慢、傳送距離短（不超過30m），抗干擾能力差，不能滿足題目的要求。rs-485標準接口為差分驅動結構

39、，它通過傳輸線驅動器把邏輯電平變換為電位差，完成信號的傳遞，具有傳輸速率快、傳送距離長（可傳1200m）、抗干擾能力強等優(yōu)點，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅動多個負載設備。所以本系統使用rs-485總線進行傳輸，采用max485驅動芯片進行電平轉換。原理圖如下：圖2-8 從機與max485接口電路圖圖2-9 主機部分與max485接口電路圖2.4.3 通信協議的建立作為一種具有分布式控制思想的溫度測控系統，本系統首先要解決的是主機與從機之間的數據通訊問題，除了建立硬件電路基礎外，還要定義系統的軟件通訊協議。協議規(guī)定如下：（1）主、從雙方波特率均設置為9600bpt；（2）主從雙方初始狀態(tài)均設置為

40、串行口中斷方式；（3）主機發(fā)送的格式為：起始符從機地址命令字數據數據/命令字校驗地址校驗當從機接受到主機發(fā)送的命令時，從機先檢驗是否為自己的地址，如果是則回復主機且執(zhí)行相應命令，否則不做響應。（4）從機應答的格式為：起始符本機地址命令字 數據數據/命令字校驗地址校驗主機接受到從機應答后，知道從機完成響應。則去干其它事情；否則繼續(xù)發(fā)送。發(fā)送3次不響應則視為線路故障；（5）從機發(fā)送與從機應答基本相同，主機發(fā)送與主機應答基本相同。（6）從機不主動發(fā)送命令或數據，一切都由主機控制。系統進行溫度檢測工作的過程是這樣的：首先，主控機針對需要檢測的從機發(fā)出巡檢指令，通過串口送出，經接口電路加載至通訊長線電纜

41、端口，成功確認應答信號后轉為數據接收狀態(tài)；各從單片機同時接收到經通訊接口輸入的巡檢指令，并與自身地址編碼比較，若編碼一致則產生應答信號，然后將采集到的數據發(fā)送回主機，發(fā)送完畢在切換至采集信號并等待響應接收中斷狀態(tài)；主機將接收到的全部數據經校驗判斷無誤后，送數據處理機構計算、顯示，如數據傳輸有誤，則指令從機重發(fā)數據。2.5 鍵盤模塊的設計2.5.1 hd7279a的原理1. 主要特性hd7279a是比高公司生產的單片具有串行接口、可同時驅動8位共陰式數碼管（或64只獨立led）的智能顯示驅動芯片，該芯片同時可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，一片即可完成led顯示及鍵盤接口的全部功能。hd7279a和微

42、處理器之間采用串行接口，其接口和外圍電路比較簡單，且占用接口線少，加之它具有較高的性能價格比，因此，在微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等領域獲得了日益廣泛的應用。hd7279a的主要特點如下：（1）帶有串行接口，無需外圍元件便可直接驅動led；（2）各位可獨立控制譯碼/不譯碼、消隱和閃爍等屬性；（3）具有（循環(huán)）左移/（循環(huán)）右移指令；（4）具有段尋址指令，可方便地用來控制獨立的led顯示管；（5）64鍵鍵盤控制器內含去抖動電路。2. 引腳說明hd7279a一共有28個引腳，各引腳的主要功能如下：reset：復位端。當該端由低電平變成高電平，并保持25ms后，復位過程結束。通常，該端接

43、+5v電源；dig0dig7：8個led管的位驅動輸出端；sasg：led數碼管的a段g段的輸出端；dp：小數點的驅動輸出端；rc：外接振蕩元件連接端，其中電阻的典型值為1.5電容的典型值為15pf。3. 控制指令和接口時序hd7279a的控制指令分為純指令和帶有數據的指令兩大類，以下分別給予介紹。1. 純指令hd7279a控制指令中的純指令有復位（清除）指令a4h、左移指令a1h和右移指令a0h。其中，復位（清除）指令a4h用于清除所有的顯示，同時清除所有設置的字符消隱和閃爍等屬性。執(zhí)行該指令后，芯片所處的狀態(tài)與系統上電后所處的狀態(tài)一樣。左移指令a1h可使所有的顯示自右向左（從第1位向第8位

44、）移動一位（包括處于消隱狀態(tài)的顯示位），但對各位所設置的消隱及閃爍屬性不起作用。右移指令a0h與左移指令類似，但所做移動為自左向右（從第8位向第1位）移動，移動后，最左邊一位為空。2. 帶有數據的指令帶有數據的指令包括以下5種：d7d6d5d4d3d2d1d010000a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dpxxxd3d2d1d0（1）下載數據且按方式0譯碼這種指令的格式為：該命令由二字節(jié)組成，前半部分為指令，其中a2a0為位地址，d0d3為數據，收到此指令時，hd7279a將按照以下規(guī)則（譯碼方式0）進行譯碼。即：0000：顯示0 ； 1001：顯示91010：顯示 ； 1111：顯

45、示空白（2）下載數據且按方式1譯碼此指令與上一條指令基本相同，所不同的只是譯碼方式。該指令的譯碼方式為：d0d3的值對應于09和af。格式如下:d7d6d5d4d3d2d1d011001a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dpxxxd3d2d1d0（3）下載數據但不譯碼該指令的格式如下：d7d6d5d4d3d2d1d010010a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dpabcdefg在該指令格式中，a2，a1，a0為位地址，ag和dp為顯示數據分別對應7段led數碼管的各段。當相應的數據位為1時，該段點亮，否則，該段不亮。實際上，此指令是比較靈活的，設計時可以通過造字形表來顯示用

46、戶所需的字符。（4） 閃爍控制88h此命令用于控制各個數碼管的閃爍屬性，d1d8分別對應數碼管18。在相應的各位中0表示閃爍，1表示不閃爍。開機后的缺省狀態(tài)為各位均不閃爍。具體指令格式如下:d7d6d5d4d3d2d1d010001000d7d6d5d4d3d2d1d0d8d7d6d5d4d3d2d1（5）讀鍵盤數據指令15h該指令的格式如下：d7d6d5d4d3d2d1d000010101d7d6d5d4d3d2d1d0d7d6d5d4d3d2d1d0該指令主要用于從hd7279a讀出當前的按鍵代碼。與其它指令不同的是，此命令的前一個字節(jié)00010101b為微控制器傳送到hd7279a的指令

47、，而后一個字節(jié)d0d7才是hd7279a返回的按鍵代碼，該代碼的具體范圍是03fh（當無鍵按下時，為0xff）。當hd7279a檢測到有效按鍵時，key引腳從高電平變?yōu)榈碗娖?，并一直保持到按鍵結束。在此期間，如果hd7279a接收到“讀鍵盤數據指令”，則輸出當前按鍵的鍵盤代碼；而如果在接收到“讀鍵盤指令”時沒有有效按鍵被按下時，hd7279a則輸出ffh（11111111b）。3. 串行接口時序綜上所述在hd7279a的指令結構類型中不帶數據的純指令的指令寬度為8bit，即微處理器需發(fā)送8個clk脈沖。而帶有數據的指令寬度為16bit，即微處理器需發(fā)送16個clk脈沖。但其中的讀取鍵盤數據指令

48、,寬度也16bit,前8個bit為微處理器發(fā)送到hd7279a的指令，后8個bit為hd7279a返回的鍵盤代碼。執(zhí)行此指令時，hd7279a的data端在第9個clk脈沖的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，并于第16個脈沖的下降沿恢復為輸入狀態(tài)，以等待接收下一個指令。2.5.2 鍵盤電路設計在本設計中，由于采用led模塊進行溫度數據的顯示，所以并不會連接數碼管。由此電路顯得非常簡單，為了增加hd7279a的驅動能力，在sasd管腳上增加了4個100 k的下拉電阻。為了調節(jié)通過鍵盤的電流植，使得hd7279a讀出的鍵值更加準確增加了4只10k和4只200的電阻。圖2-10 鍵盤電路原理圖hd7279a與微處

49、理器接口非常簡單，僅需4條接口線，其中cs為片選信號（低電平有效）。data為串行數據端，當向hd7279a發(fā)送數據時，data為輸入端；當hd7279a輸出鍵盤代碼時，data為輸出端。clk為數據串行傳送的同步時鐘輸入端，時鐘的上升沿表示數據有效。key為按鍵信號輸出端，該端在無鍵按下時為高電平；而在有鍵按下時變?yōu)榈碗娖剑⒁恢北３值桨存I釋放為止。2.6 led顯示模塊的設計2.6.1 led 顯示模塊顯示系統是單片機控制系統的重要組成部分，主要用于顯示各種參數的值，以便使現場工作人員能夠及時掌握生產過程。 工業(yè)控制系統中常用的顯示器件有crt、led、lcd等。crt不僅可以進行字符顯示

50、，而且可以進行畫面顯示，和計算機配合使用，可十分方便地實現生產過程的管理和監(jiān)視。但由于crt體積大，價格昂貴，所以只適用于大型微機控制系統。在中小型的控制過程中，為了使工作人員能夠在現場直接看到生產情況和報警信號，經常選用led和lcd作為顯示器件。led和lcd都具有體積小，功耗低，響應速度快，易于匹配，可靠性高和壽命高等優(yōu)點。lcd是一種功耗極低的顯示元件，在儀表和低功耗應用系統中的使用較多，而led成本低廉，培植靈活，多用于單片機控制系統中，所以選用led顯示。2.6.1 led顯示器件的工作原理led是一種電流發(fā)光器件它既可以工作在恒定電流狀態(tài)，又可以工作在脈沖電流狀態(tài)。在平均電流相同

51、的情況下，脈沖工作狀態(tài)可產生比直流工作狀態(tài)較強的亮度，一般每秒鐘可導通100500次，每次為幾個毫秒：led有單個發(fā)光二極管、七段(或八段)led顯示器和led點陣顯示器等類型。發(fā)光顏色有紅、綠、黃等。lld顯示器每段正常發(fā)光需直流電流1020ma，發(fā)光二極管發(fā)光時其正向導通壓降為1.7v左右。 七段led顯示器是由7個led按定的圖形排列組成，如圖4-1(a)所示，七段led顯示器的各個二極管分別稱為a、b、c、d、e、f、g段，有些七段顯示器增加一個dp段表示小數點，也稱為八段led顯示器。七段led顯示器有兩種結構：共陰極七段led顯示器和共陽極七段led顯示器，如圖4-1(b)、(c)

52、所示。所有二極管的陰極接在一起的稱為共陰極七段led顯示器；所有二極管的陽極接在一起的稱為共陽極七段lld顯示器。共陽極七段led顯示器工作時，二極管的公共陽極接向電平“1”各段的陰極接與共陽七段碼相對應的電平。共陰極七段led顯示器工作時，其公共極接到低電平，各段的陽級接與共陰七段碼相對應的電平。在實際應用中，除公共極外，其他各極應串接一個電阻后再接到相應電平。電阻的作用是限制流過led中的電流以 （a） (b) (c)圖2-11七段led顯示器的結構原理（a）典型的七段led器件（b）共陽極led顯示器（c）共陰極led顯示器保證在發(fā)光時二極管不因電流過大而被燒壞。將數碼管的引腳和單片機的

53、數據輸出口相連，控制輸出的數據可以使數碼管顯示不同的數字和字符，通常稱控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數據為段選碼。7段led段選碼如表4-1所示。可以看出，共陽極和共陰極的段選碼互為補數。表2-2 7段led段選碼2.6.2 led顯示電路設計led的顯示份靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式在靜態(tài)顯示方式下，n塊顯示器件都處于選通狀態(tài)；每一塊顯示器件的段選線和一個8位的并行口相連，只要控制顯示位的段選碼，就可顯示出相應的字幅。由于顯示器件由不同的i/o控制，所以靜態(tài)顯示方式中的每一位都可以獨立顯示，在同一時刻每一位顯示的字符可以各不相同。led動態(tài)顯示就是將所有顯示位的段選線并聯在一起，有一個8位i/o口控

54、制，而位選線則有其他的i/o口控制，通過程序控制，不斷循環(huán)輸出相應的段選碼和位選碼，由于人的視覺暫留效應，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。本設計選用的是串行口動態(tài)掃描顯示，其電路圖如4-2所示。圖4-2 串行動態(tài)led掃描電路圖4-2是電原理圖，采用mcs-8051單片機，同時用廉價易得的74ls164和74ls138作為擴展芯片。74ls164是一個8位串入并出的移位寄存器，其此處的功能是將c2051串行通信口輸出的串行數據譯碼并在其并口線上輸出，從而驅動led數碼管。74ls138是一個3-8譯碼器，它將單片機輸出的地址信號譯碼后動態(tài)驅動相應的led。但74ls138電流驅動能力較小，為此，使用了未級驅動三極管2sa1015作為地址驅動。2.7 單片機控制電路2.7.1 單片機概論1. 8051系列單片機的特點單片機（microcontroller，有稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器cpu、數據存儲器ram、程序存儲器rom、定時器/計數器和