圖像采集技術(shù)大作業(yè)

./課程：數(shù)字圖像處理技術(shù)題目：基于PT100溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)：數(shù)媒0902學(xué)號(hào)：0305090205姓名：卉日期：2012.05一．緒論1.1設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)鉑電阻PT100的特性以及測(cè)溫的方法,在此基礎(chǔ)上闡述基于PT100的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)以鉑電阻PT100作為溫度傳感器,采用恒流測(cè)溫的方法,通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制,用放大器、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度信號(hào)的采集。設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路模塊,能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。采用兩線制鉑電阻溫度測(cè)量電路,通過(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì),減小測(cè)量電路及PT100自身的誤差,使溫控精度在0℃～100℃圍達(dá)到±0.1℃。1.3設(shè)計(jì)材料AT89S51單片機(jī),TLC2543A/D轉(zhuǎn)換器,DS1302時(shí)鐘芯片,AD620放大器,鉑電阻PT100及6位數(shù)碼管組成系統(tǒng)。二．設(shè)計(jì)原理 2.1背景隨著科技的發(fā)展和"信息時(shí)代"的到來(lái),作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步,其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,對(duì)其要求越來(lái)越高,需求越來(lái)越迫切。因此,了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng),它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此,不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo),還必須懂得傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求,而且只有通過(guò)對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解,才能將傳感器和信息通信與信息處理結(jié)合起來(lái),適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面,傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效,各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器,于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快,以及其應(yīng)用之廣,并且還有很大潛力。為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解,尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途,基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度測(cè)量系統(tǒng)。文中將傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合,詳細(xì)地講述了利用熱電阻作為溫度傳感器來(lái)測(cè)量實(shí)時(shí)的溫度,以及實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過(guò)程。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng),設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測(cè)量顯示系統(tǒng),如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。本課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)并顯示溫度和實(shí)時(shí)的時(shí)間。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便,控制靈活移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器,信號(hào)放大電路,A/D轉(zhuǎn)換模塊,時(shí)鐘模塊,數(shù)據(jù)處理與控制模塊,溫度、時(shí)間顯示模塊六個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度測(cè)量與顯示,完成了課題所有要求。2.2PT100傳感器介紹溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類,前者是讓溫度傳感器直接與待測(cè)物體接觸,而后者是使溫度傳感器與待測(cè)物體離開一定的距離,檢測(cè)從待測(cè)物體放射出的紅外線,達(dá)到測(cè)溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中,相比運(yùn)用多的是接觸式傳感器,非接觸式傳感器一般在比較特殊的場(chǎng)合才使用,目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器,其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器,將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類,前者簡(jiǎn)稱熱電阻,后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等,它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等,常用的熱電阻如Pt100、Pt1000等。近年來(lái)各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器,如DALLAS公司DS18B20,MAXIM公司的MAX6576、MAX6577,ADI公司的AD7416等,這些芯片的顯著優(yōu)點(diǎn)是與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單,如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術(shù),MAXIM公司的2種溫度傳感器一個(gè)為頻率輸出,一個(gè)為周期輸出,其本質(zhì)均為數(shù)字輸出,而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口則為近年也比較流行的I2C總線,這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來(lái)了極大的方便,但這類器件的最大缺點(diǎn)是測(cè)溫的圍太窄,一般只有-55～+125℃,而且溫度的測(cè)量精度都不高,好的才±0.5℃,一般有±2℃左右,因此在高精度的場(chǎng)合不太滿足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等,各種不同材料的熱電偶使用在不同的測(cè)溫圍場(chǎng)合。熱電偶的使用誤差主要來(lái)自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測(cè)物體通過(guò)熱輻射能量來(lái)反映物體溫度的高低,這種測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸,測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng),測(cè)溫圍寬,精度高,反應(yīng)速度快,既可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度,又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價(jià)格相對(duì)較貴,二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問(wèn)題,而且其輸出受與被測(cè)量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測(cè)量的圍為0℃～100℃,測(cè)量的分辨率為±0.1℃,綜合價(jià)格以及后續(xù)的電路,決定采用線性度相對(duì)較好的PT100作為本課題的溫度傳感器,具體的型號(hào)為WZP型鉑電阻,該傳感器的測(cè)溫圍從－200℃～＋650℃。具體在0℃～100℃的分度特性表見附錄A所示。三．設(shè)計(jì)方案3.1系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元,時(shí)間信號(hào)采集單元,單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元,時(shí)間、溫度顯示單元。其中溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號(hào)的獲取電路〔采樣、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。信號(hào)放大調(diào)理電路信號(hào)放大調(diào)理電路PT100溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘電路按鍵控制電路AT89S51單片機(jī)LED數(shù)碼管顯示電路圖3-1系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖3.2系統(tǒng)的工作原理測(cè)溫的模擬電路是把當(dāng)前PT100熱電阻傳感器的電阻值,轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值,經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后送給A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī)AT89S51,單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值,并將數(shù)據(jù)送出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。另外,外接一個(gè)時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制,并將時(shí)間顯示出來(lái),以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。四．硬件設(shè)計(jì)4.1PT100傳感器特性和測(cè)溫原理電阻式溫度傳感器<RTD,ResistanceTemperatureDetector>是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。PT100溫度傳感器是一種以鉑<Pt>做成的電阻式溫度傳感器,屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0～650℃圍：Rt=R0<1+At+Bt2>在-200～0℃圍：Rt=R0<1+At+Bt2+C<t-100>t3>式中A、B、C為常數(shù),A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好,因此在測(cè)量較小圍其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro<1+αT>其中α=0.00392,Ro為100Ω<在0℃的電阻值>,T為華氏溫度,因此鉑做成的電阻式溫度傳感器,又稱為PT100。PT100溫度傳感器的測(cè)量圍廣：-200℃～+650℃,偏差小,響應(yīng)時(shí)間短,還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn),其得到了廣泛的應(yīng)用,本設(shè)計(jì)即采用PT100作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)：1.測(cè)溫圍：-200～650攝氏度；2.測(cè)溫精度：0.1攝氏度；3.穩(wěn)定性：0.1攝氏度Pt100是電阻式溫度傳感器,測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻,通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào),然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再由處理器換算出相應(yīng)溫度。采用Pt100測(cè)量溫度的方案：設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò)Pt100熱電阻,通過(guò)檢測(cè)Pt100上電壓的變化來(lái)?yè)Q算出溫度。4.2信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)變換成前向通道中A/D轉(zhuǎn)換器能識(shí)別的信號(hào),作為本系統(tǒng),由于溫度傳感器是熱電阻PT100,因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。4.3恒流源電路從上述關(guān)于PT100傳感器測(cè)溫原理可知,由PT100構(gòu)成信號(hào)的獲取電路,運(yùn)用恒流源電路,將恒流源通過(guò)溫度傳感器,溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。圖4-3-1恒流源式獲取的結(jié)構(gòu)電路恒流源電路的設(shè)計(jì),有用三極管構(gòu)成的,有用專門的恒流管,也有用價(jià)格低廉的器件通過(guò)比較巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)成的,本系統(tǒng)是采用價(jià)格低廉的運(yùn)放為核心來(lái)構(gòu)成的,恒流效果十分理想,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒流源電路見下圖2-2所示。圖4-3-2由運(yùn)放構(gòu)成的恒流源電路上圖中,由于運(yùn)放虛地的結(jié)果,造成OP-07的反相輸入端為0V,而圖中1.5K電阻的下端由于運(yùn)用精密的電壓源LM336-2.5,外加調(diào)整電路,該點(diǎn)電壓可調(diào)整為2.500V,而由于運(yùn)放的輸入阻抗極高,輸入端可以認(rèn)為不吸入電流,因此從1.5K電阻上流過(guò)的電流大小固定而且一定等于OP-07輸出端流入溫度傳感器PT100的電流,從而達(dá)到恒流的效果,連接PT100兩端的壓差正好反映溫度變化的信號(hào)送入后級(jí)的放大器。這里值得注意的是恒流效果的好壞與下面幾個(gè)因素有關(guān),圖示1.5K電阻的精度及溫度穩(wěn)定性要好,我們采用的是高精度高穩(wěn)定的電阻；還有是一定要選擇輸入阻抗高的運(yùn)放,包括產(chǎn)生虛地處的運(yùn)放〔圖中OP-07和后級(jí)的放大器〔圖中的AD620,否則較大的輸入電流也將直接影響恒流的效果；最后一點(diǎn)是參考電壓〔圖中是－2.5V的穩(wěn)定性要高,這里的參考電壓采用是LM336-2.5V作為參考電壓基準(zhǔn)。4.4放大電路的設(shè)計(jì)放大器的選擇好壞對(duì)提高測(cè)量精度也十分關(guān)鍵,根據(jù)查閱的相關(guān)資料,在放大器電路精選中,一般在首級(jí)放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu),如下圖所示,三運(yùn)放中由A1、A2構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放大器,后級(jí)為差動(dòng)放大器,在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中,要保證放大器高的性能,參數(shù)的對(duì)稱性與一致性顯得尤為重要,不僅包括外圍的電阻元件R1與R2、R3與R4、R5與R6,還包括A1與A2放大器的一致性,因此,要自制高性能的放大器對(duì)器件要求相當(dāng)高。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,市場(chǎng)上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器,它的部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放,但是,采用微電子來(lái)解決剛才的參數(shù)匹配問(wèn)題已不是什么復(fù)雜的問(wèn)題。圖4-4-1三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的高性能放大器原理圖隨著近年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展,市面上出現(xiàn)了不少專用的高性能的芯片,AD620、AD623就是具有上述描述的三運(yùn)放結(jié)構(gòu),在本設(shè)計(jì)中我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了AD620作為放大器電路的首級(jí)放大。AD620是低價(jià)格、低功耗儀用放大器,它只需要一只外部電阻就可設(shè)置1～1000倍的放大增益,它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時(shí)間和較高的精度,特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如稱重和傳感器接口,也非常適合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)〔如ECG檢測(cè)和血壓監(jiān)視、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器使用。AD620的部結(jié)構(gòu)是由OP-07組成的三運(yùn)放結(jié)構(gòu),性能大大優(yōu)于自制的三運(yùn)放IC電路設(shè)計(jì),其基本接法是在1腳與8腳之間外接一RG電阻,增益由式G=1+49.4KΩ/RG確定,由于它的外圍電路十分簡(jiǎn)單,所以它在本系統(tǒng)中的應(yīng)用見下圖2-4所示。由于我們的溫度測(cè)量圍是0～100℃,而此時(shí)的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為100歐姆～138.51歐姆,由于我們?cè)O(shè)計(jì)的恒流源為5/3毫安,因此AD620的輸入端為166.7毫伏,假設(shè)考慮我們的TLC2543的最大輸入為5.000V,我們?cè)O(shè)計(jì)的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件下,則為20倍,假設(shè)我們只用一個(gè)AD620,則AD620的輸出為2V～5V<TLC只能轉(zhuǎn)換5V>,這樣12位的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率則大于題目的要求0.1℃,因此,我們必須將100歐姆以下的值通過(guò)偏置的方法將其減掉,然后通過(guò)增加放大倍數(shù)來(lái)盡量提高分辨率,這里我們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見下圖2-4所示。這里設(shè)計(jì)的首級(jí)放大器的倍數(shù)是20倍,而后級(jí)放大則為4倍,合計(jì)的放大倍數(shù)為80倍,這樣就完全滿足設(shè)計(jì)分辨率的要求。圖4-4-2放大電路4.5A/D轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)電路在我們所測(cè)控的信號(hào)中均是連續(xù)變化的物理量,通常需要用計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理,則需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,A/D轉(zhuǎn)換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字量。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理,常用的A/D轉(zhuǎn)換器可分為兩種,雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。、在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,為了將模擬量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,采用12位開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543,它具有三個(gè)控制輸入端,采用簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接,是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾部分組成。其轉(zhuǎn)換原理為：A/D轉(zhuǎn)換器將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓Ui與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的電壓Ui〔預(yù)定的電壓由逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器中的D/A輸出獲得電壓相比較,根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓Ui是大于還是小于待轉(zhuǎn)換成的模擬輸入電壓Uin來(lái)決定當(dāng)前轉(zhuǎn)換的數(shù)字量是"0"還是"1",據(jù)此逐位比較,以便使轉(zhuǎn)換結(jié)果〔相應(yīng)的數(shù)字量逐漸與模擬輸入電壓相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量接近。2.TLC2543的主要特性TLC2543與外圍電路的連線簡(jiǎn)單,三個(gè)控制輸入端為CS<片選>、輸入/輸出時(shí)鐘<I/O

CLOCK>以及串行數(shù)據(jù)輸入端<DATA

INPUT>。片的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)部自測(cè)試電壓中的一個(gè),采樣－保持是自動(dòng)的,轉(zhuǎn)換結(jié)束,EOC輸出變高。其特性有：<1>11個(gè)模擬輸入通道；

<2>66ksps的采樣速率；

<3>最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs；<4>SPI串行接口；

<5>線性度誤差最大為±1LSB；

<6>低供電電流<1mA典型值>；

<7>掉電模式電流為4μA。

TLC2543的引腳排列如圖所示。圖4-5-1TLC2543的引腳AIN0～AIN10：模擬輸入端,由部多路器選擇。對(duì)4.1MHz的I/O

CLOCK,驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50Ω。CS：片選端,CS由高到低變化將復(fù)位部計(jì)數(shù)器,并控制和使能DATA

OUT、DATA

INPUT和I/O

CLOCK。CS由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間禁止DATA

INPUT和I/O

CLOCK。DATA

INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端,串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/O

CLOCK的前4個(gè)上升沿移入4位地址,用來(lái)選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓,之后I/O

CLOCK將余下的幾位依次輸入。DATA

OUT：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端,在CS為高時(shí),該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時(shí),該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置成相應(yīng)的邏輯電平。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/O

CLOCK下降沿之后,EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。VCC、GND：電源正端、地。REF＋、REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。通常REF＋接VCC,REF－接GND。最大輸入電壓圍取決于兩端電壓差。I/O

CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。TLC2543每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16個(gè)時(shí)鐘周期,且在每次傳送周期之間插入CS的時(shí)序。根據(jù)TLC2543時(shí)序圖可以看出,在TLC2543的CS變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過(guò)程,I/O

CLOCK的前8個(gè)上升沿將8個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器,同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATA

OUT端,在I/O

CLOCK下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。當(dāng)CS為高時(shí),

I/O

CLOCK和DATA

INPUT被禁止,DATA

OUT為高阻態(tài)。TLC2543與單片機(jī)的連接如圖2-6所示。A0A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A1012R-13R+14/CS15DO16DI17CLOK18EOC19VCC20TLC2543VCC5VCLOKD1D0/CSA0圖4-5-2TLC2543電路4.6DS1302時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路,它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí),具有閏年補(bǔ)償功能,工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信,并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品,與DS1202兼容,但增加了主電源/后背電源雙電源引腳,同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。本設(shè)計(jì)中采用DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理控制,并顯示出實(shí)時(shí)的時(shí)間,可以用于對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。1.引腳功能及結(jié)構(gòu)DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源,VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下,也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋0.2V時(shí),Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí),DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源,外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線,通過(guò)把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先,RST接通控制邏輯,允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次,RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí),所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化,允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過(guò)程中RST置為低電平,則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送,I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí),在Vcc≥2.5V之前,RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí),才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端<雙向>,后面有詳細(xì)說(shuō)明。SCLK始終是輸入端。DS1302的引腳功能圖如圖2-7所示。圖4-6-1DS1302引腳圖2.DS1302的控制字節(jié)控制字節(jié)的最高有效位<位7>必須是邏輯1,如果它為0,則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中,位6如果為邏輯0,則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù),為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址輸入或輸出。最低有效位<位0>如為0表示要進(jìn)行寫操作,為1表示進(jìn)行讀操作,控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。3.數(shù)據(jù)輸入輸出<I/O>在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí),數(shù)據(jù)被寫入DS1302,數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣,在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù),讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。4.DS1302的寄存器DS1302有12個(gè)寄存器,其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān),存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字見圖2.8所示。圖4-6-4DS1302的控制字節(jié)此外,DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時(shí)鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器容。DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個(gè)RAM單元,共31個(gè),每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié),其命令控制字為C0H～FDH,其中奇數(shù)為讀操作,偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器,此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié),命令控制字為FEH〔寫和FFH〔讀。5.DS1302與單片機(jī)的連接DS1302與CPU的連接需要三條線,即SCLK<7>、I/O<6>、RST<5>。這三條線分別接到CPU的I/O線上。4.7單片機(jī)控制電路本設(shè)計(jì)是采用AT89S51單片機(jī)作為主控電路,其中P1口為A/D轉(zhuǎn)換器和DS1302時(shí)鐘芯片的通信端口,P3.0,P3.1,P3.2為按鍵控制,P0口接數(shù)碼管的段碼,P2口接數(shù)碼管的片選端,用于對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行片選。如圖所示。圖4-7-1單片機(jī)控制電路4.8按鍵和顯示電路1.按鍵電路本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)3個(gè)按鍵,用來(lái)設(shè)置和修改時(shí)間。設(shè)置鍵,接單片機(jī)的P3.2腳用于申請(qǐng)中斷,以執(zhí)行鍵盤中斷修改設(shè)置時(shí)間；加鍵,用于修改時(shí)間使時(shí)間按增形式調(diào)整；減鍵,用于修改時(shí)間使時(shí)間按減形式調(diào)整。其電路圖如下圖所示。圖4-8-1按鍵電路2.顯示電路本設(shè)計(jì)采用6個(gè)LED共陽(yáng)極數(shù)碼通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行時(shí)間溫度數(shù)據(jù)的顯示。其中數(shù)碼管的段碼位分別接單片機(jī)的P0口,公共端通過(guò)三極管接到單片機(jī)P2.0～P2.5端對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行位選。其電路圖如下圖所示。圖4-8-2數(shù)碼管顯示電路五．軟件設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明進(jìn)行微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外,大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)測(cè)量對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此,軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng),軟件設(shè)計(jì)更為重要。在單片機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)中,大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算,然后再輸出,以便達(dá)到測(cè)量控制目的。軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫度進(jìn)行采集、顯示,通過(guò)按鍵操作,進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置與修改。因此,整個(gè)軟件可分為溫度采集子程序、時(shí)鐘讀取程序、按鍵子程序、顯示子程序、及系統(tǒng)主程序。5.2軟件的有關(guān)算法1.最小二乘理論獲取溫度―電阻公式將整個(gè)測(cè)量圍分了3段,分別為0－49℃、50－70℃、71－100℃,利用分度表進(jìn)行離線的數(shù)學(xué)擬合,得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。同時(shí),可通過(guò)再將標(biāo)度值代入可粗略估計(jì)在各個(gè)測(cè)量段的最大誤差值。通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性擬合,得到如下的數(shù)學(xué)模型為：T1=2.5772R-257.77080-49℃T2=2.6366R-267.0150－70℃T3=2.7206R-281.9071－100℃上述3個(gè)數(shù)學(xué)模型中,最大的理論誤差值都小于0.1℃,能夠滿足精度要求,若有足夠的時(shí)間,可以分得再細(xì)一些,這樣理論的誤差將會(huì)變得更小。2.標(biāo)變換公式的獲取根據(jù)上述的線性擬合結(jié)果：T=A·R-B,這里的A、B是上述不同溫度段的系數(shù),而R值由于在輸出為0V時(shí),實(shí)際上有個(gè)對(duì)應(yīng)于100歐姆的偏置電路,因此根據(jù)R-R0=U/I,而I=2.500V/1.500K,而AD/U/G=4096/4.900V,這里的AD值為A/D轉(zhuǎn)換得結(jié)果G為放大器的增益,本設(shè)計(jì)中的二級(jí)放大器放大的倍數(shù)為80倍。將上述條件代入得：T=A·<4.9·AD/4096/G/I+100>-B5.3軟件的流程圖開始開始系統(tǒng)初始化DS1302時(shí)鐘信號(hào)采集PT100溫度數(shù)據(jù)采集處理讀到的數(shù)據(jù)結(jié)束圖5-3-1系統(tǒng)總流程圖KKey1=0?NYYNNY開始初始化按鍵掃描調(diào)用加鍵調(diào)時(shí)調(diào)用顯示程序調(diào)用減鍵調(diào)時(shí)調(diào)用顯示程序返回主程序Key2=0?Key3=0?圖5-3-2按鍵流程圖開始初始化函數(shù)開始初始化函數(shù)DS1302數(shù)據(jù)的寫入DS1302數(shù)據(jù)的讀取返回開始初始化函數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換后的電壓轉(zhuǎn)換為溫度返回圖5-3-3DS1302時(shí)鐘流程圖圖5-3-4溫度轉(zhuǎn)換流程圖開始系統(tǒng)初始化開始系統(tǒng)初始化調(diào)用時(shí)間、溫度子程序調(diào)用顯示子程序調(diào)用掃描按鍵程序開始將時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)寫入到數(shù)碼管讀取時(shí)間、溫度值顯示時(shí)間、溫度值返回圖5-3-5顯示流程圖圖5-3-6主函數(shù)流程圖5.4部分設(shè)計(jì)模塊1.時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集模塊先向DS1302中寫入數(shù)據(jù),再根據(jù)DS1302時(shí)間信號(hào)的地址讀取數(shù)據(jù)。程序如下：voidwrite_byte<uchardat>//1302寫入一字節(jié){ uchara; ACC=dat; for<a=8;a>0;a--> { IO=ACC0; SCLK=0; //delayus<10>; SCLK=1; ACC=ACC>>1; }}ucharread_byte<>//向1302讀出一字節(jié){ uchara; for<a=8;a>0;a--> { ACC7=IO; SCLK=1; SCLK=0; ACC=ACC>>1; }return<ACC>;}voidwrite_1302<ucharadd,uchardat>//向1302寫入數(shù)據(jù){ RST=0; SCLK=0; //delayus<5>; RST=1; write_byte<add>; write_byte<dat>; //delayus<5>; SCLK=1; RST=0;}ucharread_1302<ucharadd>//向1302讀出數(shù)據(jù){ uchartemp; RST=0; SCLK=0; //delayus<5>; RST=1; write_byte<add>; temp=read_byte<>; //delayus<5>; SCLK=1; RST=0; return<temp>;}ucharBCD_Decimal<ucharbcd>{ucharDecimal;Decimal=bcd>>4;return<Decimal=Decimal*10+<bcd&=0x0F>>;}2.溫度采集模塊通過(guò)恒流源電路采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行放大后,送入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再送到單片機(jī)進(jìn)行處理,將電壓轉(zhuǎn)換溫度。程序如下：voiddelay<ucharn>//延時(shí)程序{uchari;for<i=0;i<n;i++>;}uintread2543<ucharport>//TLC2543驅(qū)動(dòng)程序{uintad=0,i;CLOCK=0;_CS=0;port<<=4;for<i=0;i<12;i++>{if<D_OUT>ad|=0x01;D_IN=<bit><port&0x80>;CLOCK=1;delay<6>;CLOCK=0;delay<6>;port<<=1;ad<<=1;}_CS=1;ad>>=1;return<ad>;}uintRead_Temp<>// 電壓轉(zhuǎn)換函數(shù){uintj;floatm1,m2,m3,m4,m5;j=read2543<0>;m1=2.76243;m2=4.9;m3=2.5;m5=276.243;m4=m1*<m2*1500*j/4096/80/m3+100>-m5;m4=m4*10;/*m1=j*231;m2=m1+2576700;m3=m2-2570200;m4=m3/10000;*/returnm4;}六．電路設(shè)計(jì)與分析6.1電路仿真設(shè)計(jì)啟動(dòng)Proteus軟件,按本次設(shè)計(jì)的原理圖畫出電路仿真圖,根據(jù)元件屬性設(shè)置相應(yīng)元件參數(shù)。由于PT100溫度傳感器在仿真過(guò)程中波動(dòng)較大,使得顯示的溫度跳躍變化,不易于溫度顯示與測(cè)量。因此在本次仿真中用一個(gè)電阻來(lái)代替PT100熱電阻,通過(guò)改變電阻阻值來(lái)反映PT100溫度測(cè)量。另外,由于在Proteus軟件中不能仿真LM336恒壓源,所以在本次仿真過(guò)程中采用軟件自帶的-2.5V的恒壓原代替。對(duì)于數(shù)碼管顯示電路,在仿真過(guò)程中沒(méi)有用三級(jí)管來(lái)驅(qū)動(dòng)是為了畫圖的方便,這對(duì)仿真結(jié)果沒(méi)多大影響,但在實(shí)際電路連接中必須在數(shù)碼管加上三極管驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)電路仿真圖如圖所示。圖6-1電路仿真圖6.2仿真分析Proteus軟件的仿真是依靠單片機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此先將程序通過(guò)第三方KeilC51軟件編譯,連接,執(zhí)行后產(chǎn)生一個(gè)HEX文件,再與Proteus仿真軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)仿真。本