智能儀器設(shè)計(jì)

1、第二節(jié) 溫度儀表設(shè)計(jì) 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫 目前國(guó)際上用得較多的溫標(biāo)有、攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。 1華氏溫標(biāo)（oF）在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，中間劃分180等分，每等分為華氏1度，符號(hào)為oF。攝氏溫標(biāo)（）在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分100等分，每等分為攝氏1度，符號(hào)為。熱力學(xué)溫標(biāo)（K）又稱開爾文溫標(biāo)，或稱絕對(duì)溫標(biāo)，規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度，記符號(hào)為K。2一、溫度儀表概念 作用： 把溫度值通過(guò)某種方法轉(zhuǎn)換成可以觀察、記錄、傳輸?shù)牧俊?發(fā)展：

2、模擬式溫度計(jì)、數(shù)字式溫度計(jì)、智能溫度儀表 種類：溫度顯示儀表、溫度控制儀表、溫度變送儀表3溫度儀表的種類玻璃溫度計(jì)數(shù)字式溫度計(jì)紅外溫度計(jì)4 例： 設(shè)計(jì)一個(gè)溫度顯示儀表，溫度變化非常緩慢，如室內(nèi)溫度； 要求測(cè)量范圍0100，精度1，分辨率0.1； 儀表以3位LED顯示溫度值； 傳感器采用熱電阻。 5輸入接口：溫度傳感器、調(diào)理放大、A/D轉(zhuǎn)換微處理器：把信號(hào)處理成相應(yīng)的溫度值輸出接口：實(shí)現(xiàn)溫度的控制通訊接口：實(shí)現(xiàn)溫度值的傳輸人機(jī)接口：溫度值的顯示二、 溫度儀表的基本構(gòu)成由以下五個(gè)部分組成6儀表基本框圖751系列單片機(jī)81、傳感器選擇 （1） 測(cè)量范圍：0100 ， 工作范圍取10110； 銅電阻、

3、鉑電阻、熱電偶都可以滿足 （2） 精度1 鉑電阻、熱電偶都可以滿足，銅電阻比較困難 * 選擇鉑電阻三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理9PT100鉑電阻分度表10工業(yè)鉑熱電阻分度表（分度號(hào)：Pt100） R0=100 a=0.003850溫 度（）0102030405060708090電 阻 值 ()-10060.2556.1952.1148.0043.8739.7135.5331.3227.0822.80-0100.096.0992.1688.2284.2780.3176.3372.3368.3364.300100.00103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.

4、07130.89134.70100138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04164.76168.46172.16200157.84179.51183.17186.82190.45194.07197.69201.29204.88208.45PT100鉑電阻分度表（簡(jiǎn)化）112、信號(hào)調(diào)理要求 （1） 傳感器的輸出為電阻 （2） 傳感器輸出范圍 工作范圍：10110 ； 對(duì)應(yīng)電阻變化：96.09142.29 （3） 信號(hào)調(diào)理的目標(biāo) 把電阻值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓值，供給A/D三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理12電阻電壓的變換 A1. 分壓電路：利用電阻分壓的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)

5、換； A2. 電橋電路：改進(jìn)的分壓方法，改進(jìn)了零點(diǎn)與線性。 三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理13A1. 分壓電路 RRxVoVi 輸出電壓與傳感器的關(guān)系： Vo=Vi * Rx/(R+Rx) Rx為傳感器電阻 Rx范圍： 96.09142.29 假設(shè)：A/D范圍010V，Vi=5V, R=100則Vo的變化范圍為：5*96.09/196.09 5*142.29/242.29 即2.452.93V放大3倍后： 7.358.79V 變化范圍小，不能充分利用A/D量程，分辨率低。 三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理14A2. 電橋電路 輸出電壓與傳感器的關(guān)系： Vo=Vb-Va =ViRx/(Rx+R1)R3

6、/(R3+R2) Rx為傳感器電阻 同樣 Rx：96.09142.29 ， A/D范圍010V，Vi=5V, R1=R2=100, R3=96則Vo的變化范圍為：00.48V 通過(guò)放大20倍，可以把范圍調(diào)整為 0 9.6V，變化范圍大，可以充分利用A/D量程，提高分辨率。 R1RxVaViR2R3Vb三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理15B. 放大電路 目的： 對(duì)電壓Vo=VbVa進(jìn)行放大要求：由足夠大的輸入阻抗，防止電阻分壓，影響電橋的輸出；有良好的線性；有很小的輸出阻抗，保證A/D器件的驅(qū)動(dòng)。 R1RxVaViR2R3Vb三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理16R1RxVaViR2R3Vb溫度 1011

7、0時(shí)，電阻Rx變化： 96.09142.29 ， 取Vi = 5V, R1=R2=100 , R3=96 ，則：Vo00.48V若A/D范圍010V，則需放大20倍，把范圍調(diào)整為 0 9.6V即取放大倍數(shù)K=20放大電路參數(shù): 三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理17R1RxVaViR2R3Vb采用差動(dòng)放大三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理18放大倍數(shù)K=20取R1=R3, R2=R4則：V0=(V2-V1)(R1+R2)/R1?。篟1=20K，則R2=380K運(yùn)放電路參數(shù)設(shè)置：三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理19濾波抗干擾電路C的取值和濾波強(qiáng)度有關(guān)一般取 0.10.47uF三、儀表設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理20Pt

8、100采用三線制連接運(yùn)放電路放大倍數(shù)20傳感器與運(yùn)放電路21 引線電阻補(bǔ)償方法示意圖(a) 二線連接方法；(b) 三線連接法221. A/D的要求：1）精度與分辨率 0100度的溫度，分辨率0.1度，即1/1000； 因此A/D的數(shù)字量應(yīng)該在1024以上，即10位以上；2）速度 室溫變化較慢，A/D取 315次/秒 *可以選擇AD574四、儀表設(shè)計(jì) A/D的選擇23圖3.31 AD57A的管腳圖2、AD574回顧引腳圖242、AD574回顧單極性輸入連接252、AD574回顧控制狀態(tài)262、AD574回顧 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)時(shí)序 27 3、AD574A與8051的接口 281）啟動(dòng)AD狀態(tài)CE=

9、0,CS=1,R/C=1（1）CS 置為0（2）R/C 置為0（3）CE 置為1（4）CS 置為1（5）R/C 置為1（6）CE 置為012bit A/D等待25us后A/D結(jié)束或等待STS變低 4、AD574工作時(shí)序分析292）讀取AD數(shù)據(jù) 4、AD574工作時(shí)序分析狀態(tài)CE=0,CS=1,R/C=0（1）CS 置為0（2）R/C 置為1（3）CE 置為1（4）讀取低8位數(shù)據(jù)（5）讀取高4位數(shù)據(jù)（7）CE 置為0（8）R/C 置為0（9）CS 置為130 5、AD采樣程序AD子程序的基本功能： 啟動(dòng)AD，讀取A/D的值； 把AD的值存放到指定的位置；AD的基本過(guò)程如下： 啟動(dòng)AD 等待AD結(jié)

10、束 讀取AD值到指定的單元 返回1）AD子程序基本功能31 5、AD采樣程序子程序名稱： AD574_sample子程序功能：?jiǎn)?dòng)AD574轉(zhuǎn)換12BIT轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換結(jié)果 保存到AD_highvalue, AD_lowvalue ； 子程序涉及控制信號(hào)與存儲(chǔ)單元的宏說(shuō)明： AD_highvalue: AD的數(shù)據(jù)的高4位 AD_lowvalue: AD的數(shù)據(jù)的低8位 AD574_CS: AD574的 CS對(duì)應(yīng)控制信號(hào) AD574_CE: AD574的 CE對(duì)應(yīng)控制信號(hào) AD574_RC: AD574的 R/C對(duì)應(yīng)控制信號(hào) AD574_STS: AD574的 STS對(duì)應(yīng)控制信號(hào) AD574_low

11、port: AD574的低8位對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)口 AD574_highport: AD574的高4位對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)口2）子程序說(shuō)明32 5、AD采樣程序3）子程序流程框圖開始保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)AD等待AD結(jié)束讀取AD值并保存恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)束保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)： 把子程序中所有用到的寄存器和存儲(chǔ)單元保存到堆棧中；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)： 把堆棧中的值恢復(fù)到的寄存器和存儲(chǔ)單元中。33 5、AD采樣程序4）子程序開始：AD574_sample；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)：寄存器和 存儲(chǔ)單元堆入堆棧；啟動(dòng)AD：等待AD結(jié)束： if AD574_STS=1 繼續(xù) 等待，否則結(jié)束等待；讀取AD值： 把AD數(shù)據(jù)保存到 AD_lowvalue， AD_highvalue

12、中；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)： 把堆棧中的值恢復(fù)到 寄存器和存儲(chǔ)單元中；AD結(jié)束返回啟動(dòng)AD過(guò)程：設(shè)置初時(shí)狀態(tài) AD574_CS=1; AD574_RC=1; AD574_CE=0 啟動(dòng)AD AD574_CS=0; AD574_RC=0; AD574_CE=1 啟動(dòng)完成 AD574_CS=1; AD574_RC=1; D574_CE=0讀取AD數(shù)據(jù)過(guò)程：設(shè)置初時(shí)狀態(tài) AD574_CS=1; AD574_RC=0; AD574_CE=0 設(shè)置AD574為讀狀態(tài) AD574_CS=0; AD574_RC=1; AD574_CE=1 讀數(shù)據(jù) AD574_lowport數(shù)據(jù)送給 AD_lowvalue； AD574_

13、highport數(shù)據(jù)送給 AD_highvalue； 讀數(shù)據(jù)完成 AD574_CS=1; AD574_RC=0; AD574_CE=034四、儀表設(shè)計(jì) LED顯示1、LED顯示的要求 1）顯示位數(shù) 3位LED顯示，顯示范圍0100度； 2）顯示方式 動(dòng)態(tài)掃描顯示35 2、LED與8051的接口 段選信號(hào)：P1口；位選信號(hào)：十位P3.0， 個(gè)位P3.1，小數(shù)位P3.2；段驅(qū)動(dòng)：74HC245；位驅(qū)動(dòng)：ULN2003；36 3、溫度值的顯示過(guò)程分析溫度顯示過(guò)程如下： 1）啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，讀取AD的數(shù)值； 2）根據(jù)AD的值進(jìn)行計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的溫度值； 3）根據(jù)得到的溫度值，轉(zhuǎn)換成LED顯示的顯示碼；

14、4）把LED的顯示碼送到LED中顯示； 5）延時(shí)等待 6）重復(fù)1）5）的過(guò)程37因此，可以把程序分成5個(gè)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)： 子程序1：AD574_sample 把采樣值放在AD_highvalue, AD_lowvalue中；子程序2：TEMP_compute 根據(jù)AD_highvalue, AD_lowvalue的值，計(jì)算對(duì)應(yīng)的溫度值， 計(jì)算結(jié)果放在TEMP_high, TEMP_middle, TEMP_low中； 子程序3：LEDCODE_compute 根據(jù)TEMP_high, TEMP_middle, TEMP_low的值，換算成LED顯示碼，存放在LEDDISP_high, LEDDISP_middle, LEDDISP_low中； 子程序4：LED_display 把LEDDISP_high, LEDDISP_middle, LEDDISP_low的數(shù)據(jù)送往LED中顯示； 子程序5：T