液位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

1、液位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三 數(shù)字式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作 一、目的和要求1.目的（1）通過本次綜合設(shè)計(jì)，進(jìn)一步了解智能傳感與檢測(cè)技術(shù)的基本原理、智能檢測(cè)系統(tǒng)的建立和智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。（2）學(xué)生設(shè)計(jì)制作出數(shù)字式溫度計(jì)，提高學(xué)生有關(guān)工程系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)能力，。（3）進(jìn)一步熟悉掌握單片機(jī)技術(shù)、c 語言、匯編語言等以及在智能檢測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。2.要求（1）充分理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，并獨(dú)立完成綜合設(shè)計(jì)報(bào)告。（2）綜合設(shè)計(jì)報(bào)告要求：綜合設(shè)計(jì)題目，綜合設(shè)計(jì)具體內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)功能，結(jié)果分析、收獲或不足，程序清單，參考資料。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件熱電偶Easypro編程軟件熱電偶或智能傳感器DS18B20Keil c安裝盤PC機(jī)、剝線

2、鉗、面包板、鑷子、導(dǎo)線、電源、示波器、萬用表、頻率計(jì)單片機(jī)及其外圍電路所需元器件烙鐵、焊接板等焊接工具萬用表電源TEKTRONIX TDS1002 60MHZ示波器三、實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容 本實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生了解便攜式數(shù)字儀表的制作，數(shù)字式顯示儀表是一種以十進(jìn)制數(shù)形式顯示被測(cè)量值的儀表，與模擬式的顯示儀表相比較，數(shù)字顯示儀表具有讀數(shù)直觀方便，無讀數(shù)誤差準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，易于和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字式顯示儀表的基本構(gòu)成方式如下，圖中各基本單元可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，以構(gòu)成不同用途的數(shù)字式顯示儀表。將其中一個(gè)或幾個(gè)電路制成專用功能模塊電路，若干個(gè)模塊組裝起來，即可以制成一臺(tái)完整的數(shù)字式顯示儀表

3、。其核心部件是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以A/D轉(zhuǎn)換器為中心，可將顯示儀表內(nèi)部分為模擬和數(shù)字兩大部分。儀表的模擬部分一般設(shè)有信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大電路，模擬切換開關(guān)等環(huán)節(jié)。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和放大電路的作用是將來自各種傳感器或變換器的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定范圍內(nèi)的電壓值并放大到一定幅值，以供后續(xù)電路處理。儀表的數(shù)字部分一般由計(jì)數(shù)器，譯碼器，時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，驅(qū)動(dòng)顯示電路以邏輯控制電路等組成。經(jīng)放大后的模擬信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，譯碼，驅(qū)動(dòng)，送到顯示器件去進(jìn)行數(shù)字顯示。還設(shè)有標(biāo)度變換和線性化電路。標(biāo)度變換電路用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行量綱換算，將儀表顯示的數(shù)字量和被測(cè)的物理量統(tǒng)一起來

4、。而線性化電路的作用是為了克服某些傳感器（如熱電偶，熱電阻等）的非線性特性，使顯示儀表輸出的數(shù)字量與被測(cè)參數(shù)間保持良好的線性關(guān)系。這兩個(gè)環(huán)節(jié)的功能既可以在數(shù)字儀表的模擬部分實(shí)現(xiàn)，也可以在數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)，還可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字溫度測(cè)試儀有許多種，其溫度信號(hào)的敏感元件也有許多種，如：半導(dǎo)體熱敏電阻、金屬熱電阻、集成溫度傳感器、熱電偶等。前幾種熱敏元件測(cè)溫范圍比較窄，一般在負(fù)幾十度至正幾百度左右，測(cè)溫范圍比較大的一般使用熱電偶作為敏感元件，尤其是在高溫測(cè)量的情況下，用熱電偶作為敏感元件是一個(gè)比較理想的選擇，目前市場(chǎng)上出售的熱電偶最高溫度可達(dá)2800°C。這是使用熱電偶測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)之一。使用熱

5、電偶測(cè)溫的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以直接將敏感到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成熱電勢(shì)，易于信號(hào)的獲取和處理?；趯?shí)驗(yàn)室條件限制，數(shù)字儀表的傳感器采用溫度傳感器，熱電偶或智能傳感器DS18B20，了解其工作原理及應(yīng)用，包括其信號(hào)的獲取和處理；采用微處理器技術(shù)設(shè)計(jì)和制作基于DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)用于鞏固學(xué)生所學(xué)的智能傳感器理論和方法；研究數(shù)據(jù)融合技術(shù)，包括基于知識(shí)型專家系統(tǒng)的原理，采用微處理器技術(shù)設(shè)計(jì)和制作智能體溫計(jì)，應(yīng)用于醫(yī)院的發(fā)燒門診，實(shí)現(xiàn)根據(jù)病人的當(dāng)前體溫特征快速診斷病人疾病和疾病的分類，同時(shí)鞏固學(xué)生所學(xué)的智能傳感器理論和方法，著重于培養(yǎng)智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想、實(shí)際方案和實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)和建立智能系統(tǒng)概念。熱

6、電偶和智能溫度傳感器見教材章節(jié)。 數(shù)據(jù)融合及方法多傳感器數(shù)據(jù)融合的原理是充分利用不同時(shí)間與空間的多個(gè)傳感器資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下加以分析、綜合、支配和使用，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋和描述，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)，使系統(tǒng)獲得比它的各組成部分更優(yōu)越的性能，可見從融合方式上，數(shù)據(jù)融合可以分為時(shí)間融合、空間融合，在本系統(tǒng)運(yùn)用了空間和時(shí)間融合， 即先在同一時(shí)間對(duì)各傳感器的觀測(cè)值進(jìn)行融合，得出各個(gè)不同時(shí)間的目標(biāo)位置估計(jì)，然后進(jìn)行時(shí)間融合得出最終狀態(tài) 空間融合，包括采用參數(shù)估計(jì)理論；時(shí)間融合可采用模糊理論以及基于知識(shí)的專家系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)融合所用到的各種檢測(cè)、分類與

7、識(shí)別算法的分類情況如圖3所示。主要分為基于物理模型的算法、基于特征推理技術(shù)的算法和基于知識(shí)的算法。在最近幾年中，又發(fā)展了基于現(xiàn)代數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)融合方法，主要包括隨機(jī)集合理論、條件代數(shù)、相關(guān)事件代數(shù)等。隨機(jī)集合理論處理的隨機(jī)變量為集合，而不是傳統(tǒng)的隨機(jī)變量。Goodman等人運(yùn)用隨機(jī)集合理論將多傳感器多目標(biāo)估計(jì)問題轉(zhuǎn)換成單傳感器單目標(biāo)估計(jì)問題，還應(yīng)用隨機(jī)集合理論把模糊證據(jù)（例如用自然語言描述的報(bào)表和規(guī)則）引入到多傳感器多目標(biāo)估計(jì)問題中，同時(shí)還應(yīng)用該理論把不同的專家系統(tǒng)模型（例如模糊邏輯和基于規(guī)則的推理邏輯）引入到多傳感器多目標(biāo)估計(jì)問題中。1.基于知識(shí)型專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合2.分布式自適應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融

8、合方法設(shè)被測(cè)對(duì)象由N個(gè)智能傳感器組成的多傳感器共同測(cè)量，各個(gè)智能傳感器具有獨(dú)立的測(cè)量、運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，傳感器向數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)發(fā)送實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)融合的過程如下：（1）網(wǎng)絡(luò)中N個(gè)智能傳感器分別對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量向量值；（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心得到N組測(cè)量值，根據(jù)外部定義的各傳感器測(cè)量精度確定各結(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)范圍；（3）根據(jù)所確定的各傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)范圍，以“表決”方式判別是否存在故障傳感器，如有則將該傳感器對(duì)應(yīng)得測(cè)量數(shù)據(jù)范圍剔出；（4）由“表決”后處于正常工作狀態(tài)的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)范圍推導(dǎo)包含正確測(cè)量值的最優(yōu)范圍； （5）由最優(yōu)范圍中選取本智能傳感器的融合結(jié)果； （6）綜合N個(gè)智能傳感器的融合結(jié)果

9、得出最終的融合結(jié)果。在以上測(cè)量中，系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)范圍的推導(dǎo)，首先根據(jù)各智能傳感器的測(cè)量值及其測(cè)量誤差推算測(cè)量數(shù)據(jù)范圍，用戶還可以根據(jù)環(huán)境因素的變化實(shí)時(shí)改變誤差范圍，以進(jìn)一步滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量的需求。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)接收到各智能傳感器傳遞的測(cè)量數(shù)值并確定各數(shù)據(jù)范圍后，將進(jìn)一步推導(dǎo)包含正確測(cè)量值的最優(yōu)范圍，由此得出以下結(jié)論：正確測(cè)量值必然包含在各正常傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)范圍交集內(nèi)；測(cè)量范圍與大部分傳感器不相交的傳感器為故障傳感器。求解包含正確測(cè)量值的最優(yōu)范圍步驟為：將N組數(shù)值范圍以升序排列，依次將排序后各上界與當(dāng)前上界比較，若該值大于當(dāng)前上界，則當(dāng)前上界不變；若該上界小于當(dāng)前上界大于當(dāng)前下界，則將該上界定

10、義為當(dāng)前上界；若該上界小于當(dāng)前下界，則對(duì)應(yīng)傳感器為故障傳感器。若故障傳感器的數(shù)量超過傳感器總數(shù)的一半，則原序列的第一組數(shù)值對(duì)應(yīng)的傳感器為故障傳感器，將其剔出后再次重復(fù)以上過程直至故障傳感器的數(shù)量低于傳感器總數(shù)的一半。最后，用各緯度最優(yōu)范圍與各傳感器測(cè)量范圍交集的大小作為權(quán)重（交集越大則該傳感器所測(cè)得數(shù)值的置信度越高），將加權(quán)平均值作為系統(tǒng)的融合結(jié)果，即基于知識(shí)的系統(tǒng)是將規(guī)則或知名的專家知識(shí)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別。當(dāng)人工推理由于某種原因不能進(jìn)行時(shí)，專家系統(tǒng)可以運(yùn)用專家的知識(shí)進(jìn)行輔助推理?；谟?jì)算機(jī)的專家系統(tǒng)一般包括以下4個(gè)邏輯部分：一個(gè)知識(shí)庫，包括基本事實(shí)、算法和啟發(fā)式規(guī)則等；一個(gè)大型的包

11、含動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫；一個(gè)控制結(jié)構(gòu)或推理機(jī)制；人機(jī)界面。由推理機(jī)制運(yùn)用數(shù)據(jù)、事實(shí)和規(guī)則在知識(shí)庫中進(jìn)行搜索，最后得出推理結(jié)果。 以上計(jì)算過程完成了智能傳感器的局部融合結(jié)果。為了減少計(jì)算量，在保證融合精度的前提下，各智能傳感器局部融合結(jié)果的算術(shù)平均值可作為最終融合結(jié)果。3.基于多點(diǎn)溫度傳感器的數(shù)據(jù)融合方案多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示，可采用一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)等溫度傳感器測(cè)量被測(cè)對(duì)象的不同的溫度采用點(diǎn)的當(dāng)前溫度值，該系統(tǒng)的工作原理是二、三個(gè)DS18B20分布在不同位置用來感受被測(cè)對(duì)象不同位置的溫度，然后經(jīng)單片機(jī)處理，主要是數(shù)據(jù)融合的方法對(duì)不同位置的傳感器溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)融合，獲得有關(guān)溫度的一致性測(cè)

12、量結(jié)果，對(duì)這些測(cè)量結(jié)果在顯示電路實(shí)時(shí)顯示。DS18B20·探測(cè)DS18B20探測(cè)DS18B20探測(cè)特征提取單片機(jī)目標(biāo)狀態(tài)測(cè)量目標(biāo)屬性測(cè)量顯示電路顯示實(shí)時(shí)溫度值特殊狀況處理如報(bào)警四、實(shí)驗(yàn)步驟及方法1）基于E2ROM的數(shù)字溫度儀表 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基于熱電偶的數(shù)字溫度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案如圖6所示。數(shù)碼輸出數(shù)字顯示時(shí)鐘計(jì)數(shù)譯碼邏輯控制電路模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源放大電路信號(hào)轉(zhuǎn)換被測(cè)信號(hào)線性化電路及標(biāo)度變換圖6數(shù)字溫度儀的設(shè)計(jì)方案方框圖系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)選用K型熱電偶測(cè)溫時(shí)，若被測(cè)溫度經(jīng)過熱電偶和數(shù)字溫度補(bǔ)償器后的熱電勢(shì)為20.636mv，經(jīng)過放大器的K型倍數(shù)放大后的A/D輸入電壓為0.394

13、V，那么A/D轉(zhuǎn)換器的輸出讀數(shù)為：N=Ux / UR*2000=0.394/2*2000=394A/D轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼是0011 1001 0100，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應(yīng)的4511上，它將輸入BCD碼轉(zhuǎn)換成七段輸出，直接驅(qū)動(dòng)共陰極型七段數(shù)碼管，進(jìn)行讀數(shù)顯示。 當(dāng)選用E型熱電偶測(cè)溫時(shí)，若被測(cè)溫度經(jīng)過熱電偶和數(shù)字溫度補(bǔ)償器后的熱電勢(shì)為27.452mv，經(jīng)過放大器的E型倍數(shù)放大后的A/D輸入電壓為0.450V，那么A/D轉(zhuǎn)換器的輸出讀數(shù)為：N=Ux / UR*2000=0.450/2*2000=450A/D轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼是0100 0101 0

14、000，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應(yīng)的4511上，它將輸入BCD碼轉(zhuǎn)換成七段輸出，直接驅(qū)動(dòng)共陰極型七段數(shù)碼管，進(jìn)行讀數(shù)顯示。 可以用上述方法編制出K型和E型的分度表格，其它的測(cè)量參數(shù)表格的編制方法與這種表格方式類同。被測(cè)信號(hào)與信號(hào)轉(zhuǎn)換：采用K型和E型兩種熱電偶采集溫度信號(hào)，溫度源使用烘箱。放大電路：采用ICL7650作為放大器，它具有極低的輸入失調(diào)電壓，溫漂、時(shí)漂也較低。A/D轉(zhuǎn)換器：采用MC14433作為A/D轉(zhuǎn)換器，它的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度非常適用于溫度測(cè)量系統(tǒng)。線性補(bǔ)償：利用查詢EEPROM的非線性補(bǔ)償方法，可以將非線性補(bǔ)償和標(biāo)度變換一起完成，簡(jiǎn)化電路

15、設(shè)計(jì)。計(jì)數(shù)譯碼：整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率由A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘電路決定，在段碼轉(zhuǎn)換時(shí)采用了4511七段碼轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)字顯示與數(shù)碼輸出：最終的溫度值顯示使用LED數(shù)碼管輸出，也可以將其輸入計(jì)算機(jī)中做進(jìn)一步運(yùn)算處理。硬件電路設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)在全局上是采用集成電路芯片組建的模擬/數(shù)字混合電路系統(tǒng)，這些芯片都是市場(chǎng)上常見的芯片，而且價(jià)格適中，主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行選購(gòu)，使用的集成電路芯片有：(1) 熱電偶：K型（鎳鉻-鎳硅）和E型（鎳鉻-銅鎳）兩種型號(hào)熱電偶(2) 前置放大器：ICL7650 CMOS斬波穩(wěn)零單片集成運(yùn)算放大器(3) A/D轉(zhuǎn)換器：MC14433 3.5位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(4) 鎖存器：74系列

16、的74LS373(5) EEPROM線性化器：MC28C64(6) 七段數(shù)碼管轉(zhuǎn)換器：BCD碼到七段碼轉(zhuǎn)換器4511開發(fā)環(huán)境如下：(1) PC機(jī)一臺(tái)(2) 示波器一臺(tái)(3) 萬用表一個(gè)(4) 頻率計(jì)一個(gè)(5) 高精度電源一臺(tái)(6) 面包板一塊(7) 剝線鉗，鑷子各一個(gè)(8) 導(dǎo)線，不同阻值電阻若干熱電偶微弱電壓信號(hào)的提取與放大：熱電偶輸出的熱電勢(shì)信號(hào)，其大小只有毫伏級(jí)，不能做為后續(xù)電路的輸入信號(hào)，必須進(jìn)入前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大。因此選用ICL7650作為放大器，它具有極低的輸入失調(diào)電壓（典型值為±1uV），失調(diào)電壓的溫漂和時(shí)漂也極低，分別為0.01mV/°C和3.33nV/

17、d。也可選用OP-07超低失調(diào)運(yùn)算放大器作為前置放大器，但是失調(diào)電壓比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作為放大器。ICL7650的使用方法比較簡(jiǎn)單，它和其他的運(yùn)算放大器的使用方法類似，為了更好得起到放大的作用，需要對(duì)該芯片有一個(gè)電容補(bǔ)償元件，電容的型號(hào)為104即可，ICL7650的芯片資料如下面所示：Cextb： 外接電容1Cexta： 外接電容2-Input： 反向輸入端+Input：同向輸入端V-： 負(fù)電源端Cretn： 外接電容的公共端Output：輸出端V+： 正電源端Int/clk： 時(shí)鐘輸出端Ext/clk：時(shí)鐘輸入端圖7 ICL7650為了更好的抑制共模輸入，在

18、運(yùn)放的輸入方式上選擇同向輸入，放大倍數(shù)是這樣考慮的，K型熱電偶的測(cè)溫范圍定在0到1299，E型熱電偶的測(cè)溫范圍定在0到799，然后將微弱的毫伏電壓放大到0到1伏的范圍，用于后面的A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。那么運(yùn)放的放大倍數(shù)如下：A=1+R2/R1選用鎳鉻鎳硅（分度號(hào)為K）的熱電偶，要求測(cè)量范圍為01299，滿度1299時(shí)的熱電勢(shì)值為51.612mV，前置放大器的放大倍數(shù)A應(yīng)為 A1=A-1=1000/51.612-1=18.4若選用鎳鉻銅鎳（分度號(hào)為E）的熱電偶，要求測(cè)量范圍為0799，滿度799時(shí)的熱電勢(shì)值為59.825mV，放大器的放大倍數(shù)A1應(yīng)為 A1=A-1=1000/59.825-1=15.7

19、本數(shù)字儀表選用兩種型號(hào)的熱電偶測(cè)溫，則可通過切換開關(guān)改變放大器的放大倍數(shù)，使之滿度時(shí)的放大器輸出為1V。 A/D轉(zhuǎn)換的選用與設(shè)計(jì)：考慮到本設(shè)計(jì)屬于是一定范圍內(nèi)的溫度測(cè)量系統(tǒng)，溫度變化過程比較平穩(wěn)，不需要高速的A/D變換器，所以采用3.5位的雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器MC14433。MC14433是美國(guó)Motorola公司推出的單片3.5位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：(1) 精

20、度：讀數(shù)的±0.05%±1字(2) 模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔(3) 轉(zhuǎn)換速率：2-25次/S(4) 輸入阻抗：大于1000M(5) 電源電壓：± 4.8V± 8V(6) 功耗：8mW（± 5V電源電壓時(shí)，典型值）(7) 采用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位BCD碼分時(shí)在Q0Q3輪流輸出，同時(shí)在DS1DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)顯示。 (8) MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計(jì)等各類數(shù)字化儀表及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。Pin1(VAG)模擬地，為高阻輸入

21、端，被測(cè)電壓和基準(zhǔn)電壓的接入地。Pin2( VR )基準(zhǔn)電壓，此引腳為外接基準(zhǔn)電壓的輸入端。MC14433只要一個(gè)正基準(zhǔn)電壓即可測(cè)量正、負(fù)極性的電壓。此外，VR端只要加上一個(gè)大于5個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖(VR)，就能夠復(fù)為至轉(zhuǎn)換周期的起始點(diǎn)。Pin3( Vx)被測(cè)電壓的輸入端，MC14433屬于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，因而被測(cè)電壓與基準(zhǔn)電壓有以下關(guān)系：輸出讀數(shù)Vx/VR*1999因此，滿量程的Vx=VR。當(dāng)滿量程選為1.999V。VR可取2.000V，而當(dāng)滿量程為199.9mV時(shí)，VR取200.0mV，在實(shí)際的應(yīng)用電路中，根據(jù)需要，VR值可在200mV2.000V之間選取。Pin4-Pin6(R1/

22、C1，C1)外接積分元件端,次三個(gè)引腳外接積分電阻和電容，積分電容一般選0.1uF聚脂薄膜電容，如果需每秒轉(zhuǎn)換4次，時(shí)鐘頻率選為66kHz，在2.000V滿量程時(shí)，電阻R1約為470k，而滿量程為200mV時(shí)，R1取27k。Pin7-Pin8( C01 C02 )外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，電容一般也選0.1uF聚脂薄模電容。Pin9(DU)更新顯示控制端，此引腳用來控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。如果在積分器反向積分周期之前，DU端輸入一個(gè)正跳變脈沖，該轉(zhuǎn)換周期所得到的結(jié)果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開關(guān)選擇后輸出。否則繼續(xù)輸出上一個(gè)轉(zhuǎn)換周期所測(cè)量的數(shù)據(jù)。這個(gè)作用可用于保存測(cè)量數(shù)據(jù)，若不需要保存數(shù)據(jù)而是直接輸出測(cè)

23、量數(shù)據(jù)，將DU端與EOC引腳直接短接即可。Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)時(shí)鐘外接元件端，MC14433內(nèi)置了時(shí)鐘振蕩電路，對(duì)時(shí)鐘頻率要求不高的場(chǎng)合，可選擇一個(gè)電阻即可設(shè)定時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率為66kHz時(shí)，外接電阻取300k即可。Pin12（Vee）負(fù)電源端Vee，是整個(gè)電路的電壓最低點(diǎn)，此引腳的電流約為0.8mA，驅(qū)動(dòng)電流并不流經(jīng)此引腳，故對(duì)提供此負(fù)電壓的電源供給電流要求不高。Pin13(Vss)數(shù)字電路的負(fù)電源引腳。Vss工作電壓范圍為VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有輸出端均以Vss為低電平基準(zhǔn)。Pin14(EOC)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志位。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，EOC將輸

24、出一個(gè)正脈沖信號(hào)。Pin15(OR)過量程標(biāo)志位，當(dāng)|Vx|>VREF時(shí)，OR輸出為低電平。Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路選通脈沖輸出端。DS1、DS2、DS3和DS4分別對(duì)應(yīng)千位、百位、十位、個(gè)位選通信號(hào)。當(dāng)某一位信號(hào)有效（高電平）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)從Q0、Q1、Q2和Q3輸出，兩個(gè)選通脈沖之間的間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期，以保證數(shù)據(jù)有充分的穩(wěn)定時(shí)間。Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD碼數(shù)據(jù)輸出端。該A/D轉(zhuǎn)換器以BCD碼的方式輸出，通過多路開關(guān)分時(shí)選通輸出個(gè)位、十位、百位和千位的BCD數(shù)據(jù)。同時(shí)在DS1期間輸出的千位BCD碼，還包含

25、過量程、欠量程和極性標(biāo)志信息。Pin24(VDD)正電源電壓端。MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計(jì)等各類數(shù)字化儀表及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。至此，已經(jīng)將溫度信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖9 Et 的量化曲線圖 地址鎖存器：MC14433 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果采用BCD碼動(dòng)態(tài)掃描輸出，因此每位數(shù)字要增加一個(gè)四位的鎖存器74LS373，把經(jīng)過多路組合的數(shù)據(jù)分離出來，并寄存在相應(yīng)的鎖存器內(nèi)，由MC14433的多路調(diào)制選通脈沖DS4，DS3，DS2控制Q0，Q1，Q2，Q3BCD碼三位數(shù)據(jù)的輸出，經(jīng)個(gè)位，十位和百位鎖存器鎖存，輸出個(gè)，十，百三位BCD碼，在下一步中，以這十二位BCD

26、碼作為EEPROM的地址線，對(duì)其進(jìn)行尋址。在最初設(shè)計(jì)中，EEPROM的尋址應(yīng)該使用二進(jìn)制碼進(jìn)行，但是由于BCD碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換芯片已經(jīng)停產(chǎn)，所以直接用BCD碼做為EEPROM的地址線，所以，就要在相應(yīng)的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)相應(yīng)的溫度值?？刂凭€轉(zhuǎn)換的頻率是由A/D轉(zhuǎn)換芯片的頻率決定的，通過選定外圍電路的電阻值來控制頻率的高低，在地址鎖存的時(shí)候本應(yīng)該在控制信號(hào)到來時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的，由于我將A/D轉(zhuǎn)換的頻率設(shè)置在70赫茲，這樣在后續(xù)電路顯示的時(shí)候，人眼是分辨不出來的。 EEPROM線性化器：AD轉(zhuǎn)換器的輸出作為地址碼訪問EEPROM時(shí)，EEPROM存放的表格內(nèi)容將被取出，送入顯示器以顯示被測(cè)的溫度。表格的編制

27、方法如下：首先根據(jù)熱電偶的Et 特性曲線，在E坐標(biāo)上進(jìn)行有限等分。K型的鎳鉻鎳硅熱電偶用于測(cè)量01299。設(shè)量化單位為q。Et 的量化曲線如圖4-3所示。這種線性化的精度取決于劃分的程度，劃分得越細(xì)，越多，則精度越高，不過還取決于實(shí)際電路所能達(dá)到的程度，也就是芯片的分辨率，A/D轉(zhuǎn)換的分辨率越高，就可以分的越高，這樣也就跟熱電偶分度表的真實(shí)性越接近。線性化的結(jié)果是在一定程度上模擬熱電偶的分度表曲線，但不是完全符合，而是允許在一定的誤差范圍之內(nèi)。這樣做，可以在不搭建復(fù)雜模擬電路系統(tǒng)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的非線性特性補(bǔ)償。此種做法的不足之處是，在計(jì)算新的分度表時(shí)，過程較繁瑣，但相對(duì)于復(fù)雜的模擬電路

28、來說，還是有很大改進(jìn)的。顯然，AD轉(zhuǎn)換器的量化誤差d是與量化單位q、輸入函數(shù)x(t)有關(guān)。以K分度號(hào)熱電偶表格編制方法為例加以說明，溫度測(cè)量范圍0至1299，1299時(shí)的熱電勢(shì)查表為51.612mV。01299內(nèi)平均熱電勢(shì)為0.0516mV，即量化單位q0.0516mV。當(dāng)溫度為0時(shí)，熱電勢(shì)為0.000mV，AD轉(zhuǎn)換器輸出地址（16進(jìn)制，下同）為0000，EEPROM內(nèi)寫入000.0數(shù)。經(jīng)過這種線性化的補(bǔ)償方法，可以把熱電偶的溫度特性曲線進(jìn)行擬合，擬合的結(jié)果如圖4-4所示： 藍(lán)色：熱電偶溫度特性曲線紅色：擬合溫度特性曲線綠色：線性化輔助曲線圖10 K型熱電偶溫度曲線擬合圖K型熱電偶的溫度特性曲

29、線是非線性的，為了在數(shù)字轉(zhuǎn)換部分使電路簡(jiǎn)化，就應(yīng)當(dāng)在這里對(duì)非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從它的溫度特性曲線可以看出，采用通常的折線法或是最小二乘法都可以，不過就加大了計(jì)算的復(fù)雜程度，而且在后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整個(gè)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)成本，為此，采用了這種借助線性化輔助曲線的方法，詳述如下：首先將K型熱電偶在1299時(shí)其轉(zhuǎn)換電壓是51.612mv，將其分成一千份，那么其最小分度就是q0.0561mv，分得越小，其精度越高，不過要受后續(xù)器件的精度影響。其次，在熱電偶的溫度特性表上每隔10找一個(gè)參考點(diǎn)，它的作用在于使線性化補(bǔ)償之后的擬合曲線始終在原溫度曲線附近，不會(huì)偏差太多，也可以選擇

30、20，或更高，參考點(diǎn)相距越近，測(cè)量精度就越高。最后，在測(cè)量的時(shí)候，將實(shí)際測(cè)量的轉(zhuǎn)換電壓與特性表中的參考點(diǎn)比較，這里以向下尋找為標(biāo)準(zhǔn)，找到一個(gè)和實(shí)際電壓最接近的一個(gè)參考點(diǎn)，這時(shí)，就以改參考點(diǎn)為基準(zhǔn)溫度值，然后計(jì)算出二者的電壓差，在將該電壓差除以最小分度q，得出一個(gè)在10之內(nèi)的溫度值，最終顯示溫度為：最終顯示溫度參考點(diǎn)基準(zhǔn)溫度附加溫度值按照這種方法制作EPPROM內(nèi)的溫度表格，這樣把主要的精力用在尋找非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄉ?，?jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，只需把計(jì)算出的溫度表格輸入到存儲(chǔ)器中即可，而且這種利用線性化輔助曲線進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)姆椒?，?jì)算簡(jiǎn)單，易行，精度高(根據(jù)參考點(diǎn)和最小分度值的選取)，分辨率高，不僅適

31、用于溫度補(bǔ)償系統(tǒng)還可以在近似的情況中應(yīng)用。只要后續(xù)轉(zhuǎn)化器件的精度高，就允許將參考點(diǎn)選取的更近，將最小分度值選取的更小。測(cè)量結(jié)果就更接近實(shí)際溫度值。LED顯示部分：從EEPROM線性化器讀出的數(shù)分別送到四個(gè)七段碼的譯碼器之中，從里面送出的數(shù)碼是BCD碼，然后把BCD數(shù)碼通過4511轉(zhuǎn)換為七段碼，若采用的是共陰極的數(shù)碼管，可以直接把4511的輸出接到數(shù)碼管的限流電阻上，然后接到七段碼上，但通常使用的是共陽極的數(shù)碼管，這時(shí)就需要把4511輸出的七段碼經(jīng)過非門74HC04做一下反向，然后再通過限流電阻接到七段碼上，限流電阻一般可以根據(jù)具體情況來選擇，這里選擇240歐姆的阻值。在此采用的是靜態(tài)顯示方法，

32、沒有采用動(dòng)態(tài)顯示,所以將所有的數(shù)碼管的選通管腳都接到高電平，雖然比較耗費(fèi)電源，但是沒有加入動(dòng)態(tài)顯示部分，節(jié)省了一部分成本。從理論分析到設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大約需要3個(gè)星期的時(shí)間。其性能可以達(dá)到測(cè)量溫度范圍：0+800，0+1300 測(cè)量精度：±0.5（0+500），±1（500+1300）外形尺寸：可以根據(jù)不同使用環(huán)境定制。采用的設(shè)計(jì)芯片均屬于常見芯片，在市場(chǎng)上都可以買到，而且價(jià)格適中，成本較低，批量生產(chǎn)后，成本可進(jìn)一步下降，適用范圍廣，使用簡(jiǎn)單，將其制成電路板后，攜帶方便，測(cè)量精度高，易于推廣。將熱電偶與非線性補(bǔ)償方法結(jié)合，二者成熟度很高，熱電偶在實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛，久經(jīng)實(shí)際考驗(yàn)。非

33、線性補(bǔ)償?shù)姆椒◤浹a(bǔ)了熱電偶溫度特性的非線性缺點(diǎn)，有很大的應(yīng)用價(jià)值。用線性化輔助曲線進(jìn)行非線性補(bǔ)償，并用查詢固化在EEPROM里的校正值的非線性補(bǔ)償方法，提供了一種新的非線性補(bǔ)償用的電路設(shè)計(jì)途徑。這種校正方法的最大特點(diǎn)是對(duì)測(cè)溫傳感器的全量程實(shí)現(xiàn)線性化校正，因而具有較高的校正精確度。被測(cè)變量與傳感器輸出電壓之間沒有確定的關(guān)系式，而只能利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，此時(shí)，這種查表法就更顯示其優(yōu)越性。EEPROM校正方法不僅適合于熱電偶、熱電阻等測(cè)溫傳感器的非線性補(bǔ)償，也適用于其他方面的非線性補(bǔ)償。該法不僅實(shí)現(xiàn)了全量程的非線性補(bǔ)償，而且標(biāo)度變換也通過查表一起完成，故簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。 區(qū)別于傳統(tǒng)的冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ捎玫臄?shù)字式補(bǔ)償，