DZ257高精度溫度控制器

DZ257高精度溫度控制器,DZ257,高精度,溫度,控制器 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 摘 要 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展，人們對(duì)溫度的過(guò)程控制的要求越來(lái)越高。這就要求計(jì)量部門具有能建立具有更高的精度、穩(wěn)定性和可靠性的恒定的溫度場(chǎng)環(huán)境的溫度控制系統(tǒng)。 本文首先簡(jiǎn)要介紹了測(cè)溫的方法、特點(diǎn)及測(cè)溫鉑電阻的特性。在此基礎(chǔ)上結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際指標(biāo)和要求設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了以單片機(jī)為核心的低成本高精度溫度控制系統(tǒng)。 在硬件上，采用增強(qiáng)型 MCS-51 單片機(jī)（P89C51RD2）作為控制儀的核心控制器件，并選用AD7710 為系統(tǒng)的 AD 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)該器件完成了測(cè)溫通道的自調(diào)零與自校正，使儀表的測(cè)溫精度及準(zhǔn)確度基本上不依賴于零點(diǎn)失調(diào)和增益等因素；同時(shí)采用鎖相環(huán) HEF4046 與分頻器相結(jié)合，跟蹤電網(wǎng)頻率，從硬件上消除了電網(wǎng)頻率變化對(duì)電阻爐輸出的影響；采用 LCD 顯示器件，使人機(jī)交互更加的友好。 在軟件上，溫度控制采用傳統(tǒng)的 PID 控制算法實(shí)現(xiàn)，由于 51 系列的單片機(jī)運(yùn)算能力、運(yùn)算速度較低。在計(jì)算程序設(shè)計(jì)中，全部采用了分段線性插值的方法來(lái)代替復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，以程序代碼空間來(lái)?yè)Q取運(yùn)算的速度以及精度。 溫度控制儀表通過(guò) 485 總線把數(shù)據(jù)傳送到 PC 機(jī)上，上位機(jī)可以彌補(bǔ)下位機(jī)由于單片機(jī)內(nèi)部資源的限制，不能保存大量的數(shù)據(jù)的缺陷。系統(tǒng)的上位機(jī)軟件除了可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)保存的功能之外，還有查看數(shù)據(jù)和打印等功能。 關(guān)鍵詞：溫度控制，單片機(jī)，線性插值 ABSTRACT With the development of moden industry and science research, it is higher of the demand of temperature controlling.The measure department needs a temperature control system which should have higher precision, stability, dependability on founding a temperature entironment. The first briefed on temperature measurement methods, characteristics and introduce the Pt100’s characteristics. On this basis, design a high-precision temperature control system at the refence of the indicators and the actual requirements. System uses 8051 series MCU(P89C51RD2) as the instrument’s controller. And 24 bits AD7710 is chosed as analog to digital convert department. AD7710 has 8 operation modes, by chosing different operation mode, AD7710 can calibration zero-scal and full-scal calibration coefficients. HEF4046 is used to track the electrical frequency. And the change of the AC frequency can’t inflect the electric cooker’s output.LCD is used as output, provide a good man-to- machine interface. PID control method is used in the control system. The float operation can not be run in P89C51RD2, and the MCU’s speed is low. So, using interpolation intead the direct calculate. That’s to say, the program spent more code space to get high speed and high precision. Instrument transfers the data to PC by RS-485.The PC software can save all the data on the hard disk.The sofeware also can review the saved data and print out them. Key word: Temperature control, MCU, Interolation 目錄 第一章 概述 5 1.1 測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn) 5 1.2 熱阻式測(cè)溫方法 6 1.3 課題背景、意義及任務(wù)內(nèi)容 7 1.3.1 課題背景及意義 7 1.3.2 溫度控制系統(tǒng)的功能要求： 8 1.3.3 溫度控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)： 8 1.4 論文的總體結(jié)構(gòu) 8 第二章 溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 9 2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 9 2.2 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的方案設(shè)計(jì) 10 2.3 編譯調(diào)試軟件的選擇 13 第三章 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的電路設(shè)計(jì) 14 3.1 測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì) 14 3.1.1 精密直流電流源電路的設(shè)計(jì) 15 3.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊電路 18 3.2 人機(jī)交互模塊 28 3.2.1 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 28 3.2.2 按鍵電路設(shè)計(jì) 32 3.3 輸出控制模塊電路設(shè)計(jì) 33 3.3.1 8253 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 34 3.3.2 過(guò)零檢測(cè)電路 37 3.3.3 鎖相環(huán)倍頻電路 38 3.3.4 可控硅及脈沖變壓器輸出電路 46 3.4 電源和主處理器模塊 47 3.5 通訊電路設(shè)計(jì) 48 3.5.1 串行通訊總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口 49 3.5.2 通信接口電路設(shè)計(jì) 50 3.5.3 RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 51 第四章 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制軟件的設(shè)計(jì) 54 4.1 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的單片機(jī)軟件的總體框圖 54 4.2 單片機(jī)系統(tǒng)的初始化程序 54 4.2.1 單片機(jī)內(nèi)部資源的初始化 55 4.2.2 單片機(jī)外部資源初始化 57 4.3 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)處理 58 4.3.1 零漂和增益的自動(dòng)校正原理 58 4.3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波 59 4.3.3 熱電阻線性化 62 4.4 溫度控制程序 66 4.5 人機(jī)交互 67 4.5.1 按鍵程序設(shè)計(jì) 67 4.5.2 液晶屏界面程序設(shè)計(jì) 69 4.6 串口通信 71 第五章 上位機(jī) PC 軟件的設(shè)計(jì) 74 5.1 上位機(jī)軟件的總體設(shè)計(jì) 74 5.2 串口通信程序 75 5.2.1 打開(kāi)串口 75 5.2.2 關(guān)閉串口 76 5.2.3 串口配置 76 5.2.4 讀寫串口 78 5.2.5 串口通信程序的具體實(shí)現(xiàn) 79 5.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 81 5.4 打印和打印預(yù)覽 83 第六章 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)及措施 85 6.1 印刷電路的抗干擾設(shè)計(jì) 85 6.1.1 印刷電路板的整體布局和電氣連線 85 6.1.2 電源和地線設(shè)計(jì) 86 6.1.3“去耦”電容的配置 87 6.1.4 其它抗干擾設(shè)計(jì) 87 6.2 系統(tǒng)的軟件抗干擾設(shè)計(jì) 87 6.2.1 指令冗余法 87 6.2.2 軟件陷阱法 87 6.2.3 看門狗技術(shù) 88 總 結(jié) 88 致謝 90 參考文獻(xiàn) 91 第一章 概述 1.1 測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn) 根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，溫度基本測(cè)量方法通常可分成接觸式和非接觸式兩大類。 接觸式溫度測(cè)量的特點(diǎn)是感溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，此時(shí)感溫元件的溫度與被測(cè)對(duì)象的溫度必然相等，溫度計(jì)就可據(jù)此測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度。因此，接觸式測(cè)溫一方面有測(cè)溫精度相對(duì)較高，直觀可靠及測(cè)溫儀表價(jià)格相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，另一方面也存在由于感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，從而影響被測(cè)介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會(huì)增加測(cè)溫誤差；被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件性能和壽命等缺點(diǎn)。根據(jù)測(cè)溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測(cè)溫又可分為膨脹式、熱阻式、熱電式等多種形式。 非接觸式溫度測(cè)量特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過(guò)接受被測(cè)物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換，據(jù)此測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度。因此，非接觸式測(cè)溫具有不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)的很高，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點(diǎn)。兩類測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)如下表 1-1 所示。 表 1-1 兩類測(cè)溫方法特點(diǎn) 方式 接 觸 式 非 接 觸 式 測(cè)量 條件 感溫元件要與被測(cè)對(duì)象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對(duì)象的溫度；被測(cè)溫度不超過(guò)感溫元件能承受的上限溫度;被測(cè)對(duì)象不對(duì)感溫元件產(chǎn)生腐蝕 需準(zhǔn)確知道被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率；被測(cè)對(duì) 象的輻射能充分照射到檢測(cè)元件上 測(cè)量 范圍 特別適合 1200℃以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，對(duì)高于 l 300℃以上的溫度測(cè)量較困難 原理上測(cè)量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測(cè)量誤差大，能測(cè)運(yùn)動(dòng)物體和熱容小的物體溫度 精 度 工業(yè)用表通常為 1.0、0.5、0.2 及 0.1 級(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá) 0.01 級(jí) 通常為 1.0、1.5、2.5 級(jí) 響應(yīng) 速度 慢，通常為幾十秒到幾分鐘 快，通常為 2～3 秒鐘 其它 特點(diǎn) 整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測(cè)物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng) 整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測(cè)物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測(cè)溫、控溫一體化的溫度控制裝置 1.2 熱阻式測(cè)溫方法 基于熱電阻測(cè)溫原理是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。 用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性；另外，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，易提純，同時(shí)價(jià)格盡可能便宜。 熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量、可以遠(yuǎn)傳（與熱電偶相比）、無(wú)需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)、有自熱現(xiàn)象以及測(cè)量溫度不能太高。常用鉑電阻傳感器。 鉑電阻的電阻率較大，電阻—溫度關(guān)系呈非線性，但測(cè)溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。國(guó)標(biāo) ITS 一 90 規(guī)定，在-259．34～630．74℃溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作為基準(zhǔn)溫度儀器。 目前工業(yè)用鉑電阻分度號(hào)為 Pt100 和 Pt10，其中 Pt100 更為常用；鉑電阻范圍通常最大為-200℃～850℃。鉑電阻與溫度的關(guān)系： 式中 R0為溫度為零時(shí)鉑熱電阻的電阻值（Ptl00 為 100，Ptl0 為 10）； R（ t） 為溫度為 t 時(shí)鉑熱電阻的電阻值； 顯然鉑電阻適合用于高精度、較寬溫度范圍的測(cè)量。 1.3 課題背景、意義及任務(wù)內(nèi)容 1.3.1 課題背景及意義 隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展，人們對(duì)溫度測(cè)量及控制的要求越來(lái)越高，具體表現(xiàn)在溫度測(cè)量控制的精度、穩(wěn)定性、可靠性等方面。特別是在高性能、高精度的器件的生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用、高要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立等方面，都有高精度溫度控制儀表的需求。高精度的溫度控制儀表實(shí)現(xiàn)就必然離不開(kāi)前端電路中高質(zhì)量的溫度傳感器的使用。然而即使是同種條件、工藝下生產(chǎn)出來(lái)的傳感器件，它們的性能指標(biāo)也不盡相同。這就要通過(guò)對(duì)溫度傳感器的檢定來(lái)實(shí)現(xiàn)。 我國(guó)從 1991 年 7 月 1 日起開(kāi)始對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行改值，整個(gè)工業(yè)測(cè)溫儀表的改值在 1993年年底前全部完成，并從 1994 年元旦開(kāi)始全面推行 ITS 一 90 新溫標(biāo)。 對(duì)溫度計(jì)（或傳感器）的檢定，有標(biāo)準(zhǔn)值法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法。標(biāo)準(zhǔn)值法就是用適當(dāng)?shù)姆椒ń⑵鹨幌盗袊?guó)際溫標(biāo)定義的固定溫度點(diǎn)(恒溫)作標(biāo)準(zhǔn)值，把被標(biāo)定溫度計(jì)(或傳感器)依次置于這些標(biāo)準(zhǔn)溫度值之下，記錄下溫度計(jì)的相應(yīng)示值(或傳感器的輸出)，并根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定的內(nèi)插公式對(duì)溫度計(jì)(傳感器)的分度進(jìn)行對(duì)比記錄，從而完成對(duì)溫度計(jì)的檢定；被檢定后的溫度計(jì)可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來(lái)測(cè)溫度。 常用的另一種檢定方法是把被檢定溫度計(jì)(傳感器)與已被檢定好的更高一級(jí)精度的溫度計(jì)(傳感器)，緊靠在一起，共同置于可調(diào)節(jié)的恒溫槽中，分別把槽溫調(diào)節(jié)到所選擇的若干溫度點(diǎn)，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲得一系列對(duì)應(yīng)差值，經(jīng)多次重復(fù)測(cè)試，若這些差值穩(wěn)定，就成了對(duì)被檢定溫度計(jì)的檢定。 本論文主要討論高精度的恒溫槽的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能用于熱電阻溫度器件的檢定。 1.3.2 溫度控制系統(tǒng)的功能要求： 溫度控制系統(tǒng)主要分為兩大部分：現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表和上位機(jī)程序。現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表主要用于建立標(biāo)準(zhǔn)的高精度溫度場(chǎng)，并在標(biāo)準(zhǔn)溫度下測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)熱電阻和被檢定熱電阻的阻值然后傳送到上位機(jī)。上位機(jī)程序負(fù)責(zé)接受下位機(jī)的數(shù)據(jù)并以文件形式保存以供其它熱電阻分析軟件使用。 1、現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表： (1) 溫度的測(cè)量和顯示功能：對(duì)于恒溫槽的溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，顯示實(shí)際的測(cè)量溫度以及目標(biāo)控制溫度的值。 (2) 工作參數(shù)的設(shè)定功能：溫度控制現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作參數(shù)可以重新設(shè)定，方便根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境選擇最佳的工作參數(shù)。 (3) 溫度控制功能：輸出控制采用可控硅調(diào)相調(diào)功方式，確保恒溫槽建立的溫度精度能滿足要求的指標(biāo)； (4) 遠(yuǎn)程通信功能：現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表可以把測(cè)得的溫度的值、工作參數(shù)、被測(cè)鉑電阻的電阻值傳送給上位機(jī)。 (5) 現(xiàn)場(chǎng)故障診斷及故障顯示功能：傳感器和被測(cè)鉑電阻開(kāi)路或其它故障時(shí)，溫度控制儀表能診斷出實(shí)際故障并顯示出來(lái)。 2、上位機(jī)程序： (1) 串口通信功能：從 PC 機(jī)串口讀取現(xiàn)場(chǎng)儀表傳送上來(lái)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 (2) 界面顯示：顯示每臺(tái)表的工作狀態(tài)以及每臺(tái)表所測(cè)量得到的溫度值。 (3) 歷史數(shù)據(jù)的保存：把下位機(jī)傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)按年、月、日保存在 PC 機(jī)中可以供以后調(diào)檔查看 (4) 打印功能：可以打印歷史數(shù)據(jù)，溫度曲線。 1.3.3 溫度控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)： (1) 輸入種類：PT100 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻 (2) 輸入點(diǎn)數(shù)：1 個(gè)測(cè)點(diǎn)、4 個(gè)被測(cè)點(diǎn) (3) 溫度控制范圍：0.00℃～200.00℃ (4) 測(cè)量誤差： (5) 溫控穩(wěn)定性： (6) 顯示：LCD 顯示 (7) 通信接口：RS485 1.4 論文的總體結(jié)構(gòu) 論文的總體章節(jié)安排如下：首先簡(jiǎn)要的介紹相關(guān)的背景以及論文的主要內(nèi)容；第二章介紹了系統(tǒng)的總體方案；第三章介紹現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的硬件電路；第四章介紹了現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的軟件設(shè)計(jì)；第五章介紹了上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)；第六章介紹了系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)。 第二章 溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分：上位機(jī)軟件以及現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表。 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表主要功能是測(cè)量控制恒溫槽的溫度、測(cè)量待檢定熱電阻的阻值并可以通過(guò)485 總線傳送到上位機(jī)上。 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能是接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)，并在 PC 機(jī)上顯示和保存，同時(shí)還能提供歷史數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)圖表的打印等功能。 2.2 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的方案設(shè)計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 2-2 所示，主要可以分為五個(gè)模塊：前端測(cè)量模塊、LCD+按鍵的人機(jī)交互模塊、后端可控硅輸出控制模塊、電源主處理器模塊、通信模塊。 1、 測(cè)量模塊方案的選擇[4] 常用的鉑電阻測(cè)量的方法主要有 2 種：利用單電橋來(lái)測(cè)量電阻的阻值的變化；利用高精度的恒流源電位壓將法來(lái)測(cè)量電阻的變化。 利用電橋測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確度的溫度的測(cè)量，但是在實(shí)現(xiàn)±0.01℃以上的精度的話，電橋本身的非線性，以及被測(cè)電阻接入單電橋作為一個(gè)橋臂以后，該橋臂中的接線電阻和接觸電阻的數(shù)值可能與引起最小溫度變化所對(duì)應(yīng)的阻值在同一數(shù)量級(jí)，甚至還要大些。因此，如果采用單電橋的測(cè)量方法得到的測(cè)量結(jié)果將是極不可信的。 恒流源壓降法是一個(gè)恒流源與一個(gè)被測(cè)電阻相串聯(lián)，通過(guò)測(cè)量電阻兩端的壓降就可以計(jì)算出被測(cè)電阻的阻值。這個(gè)測(cè)量的精度主要決定于電流源的精度?，F(xiàn)在的帶隙電壓源以及齊納穩(wěn)壓二極管都能生成很高精度的電壓源能夠滿足實(shí)際的測(cè)量要求的精度，所以前端測(cè)量模塊電路采用選用恒流源壓降法。 2、人機(jī)交互模塊的選擇[5] 準(zhǔn)確、清晰、可靠的參數(shù)顯示對(duì)于任何一種儀器來(lái)說(shuō)都非常重要。一般來(lái)講，常用的顯示器件有：發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示器（LCD）。 發(fā)光二極管顯示器是全固態(tài)型顯示器件，具有極高的可靠性和極長(zhǎng)的壽命，在智能化測(cè)量與控制儀表中普遍使用。它又可分為 LED 數(shù)碼管顯示器和 LED 點(diǎn)陣顯示器兩種。LED 數(shù)碼管顯示器常用的一般為 8 字型，通常主要用來(lái)顯示數(shù)字。LED 點(diǎn)陣顯示器常用 8×8 點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符，可顯示的內(nèi)容比 LED 數(shù)碼管顯示器豐富。而 LED 點(diǎn)陣顯示器雖然可以實(shí)現(xiàn)各種字符的顯示，但其體積過(guò)大，功耗太高。 液晶顯示器是利用液晶的物理特性來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的。在通電時(shí)導(dǎo)通，使液晶排列變的有秩序，光線容易通過(guò)；不通電時(shí)，排列變的混亂，阻止光線通過(guò)。按照顯示性能，液晶顯示器可分為段行顯示、點(diǎn)陣顯示、字符顯示等。段行顯示依靠長(zhǎng)條形像素進(jìn)行顯示，只能顯示數(shù)字和個(gè)別字符；點(diǎn)陣顯示依靠矩形點(diǎn)像素進(jìn)行顯示，可以顯示任何字符、數(shù)字、圖形；字符顯示是只能顯示分割開(kāi)的字符的點(diǎn)陣式產(chǎn)品。與其他顯示器件相比較，液晶顯示器有以下特點(diǎn)： z 由于液晶的像素可以做的很小、很精細(xì)，因此顯示同樣的參數(shù)，液晶顯示器的體積更小、更??； z 工作電壓低，功耗小。有些液晶顯示器只要 2V～3V 即可工作，而工作電流僅幾個(gè)毫安，這是其它任何顯示器件無(wú)法比擬的； z 壽命長(zhǎng)。液晶材料是有機(jī)高分子合成材料，具有極高的純度，而且其他材料也都是高純物質(zhì)，在極凈化的條件下制造而成。而且液晶的驅(qū)動(dòng)電壓又低，驅(qū)動(dòng)電流更是微乎其微，因此，其劣化效應(yīng)幾乎沒(méi)有，壽命很長(zhǎng)； z 無(wú)輻射、無(wú)污染，對(duì)于人身安全和信息保密都非常理想。 由于液晶顯示器，顯示比較靈活，與 LED 相比能夠?qū)崿F(xiàn)更加友好的人機(jī)對(duì)話，而且液晶顯示器的功耗更小所以在現(xiàn)場(chǎng)溫控儀表中選用 LCD 作為人機(jī)交互的界面顯示。 3、可控硅輸出控制模塊 輸出控制接口電路要求具有弱電控制、強(qiáng)電輸出的特點(diǎn)，只需要較小的電流、電壓就可以控制較大的電流。滿足這個(gè)要求的常用的是機(jī)械繼電器輸出控制電路和可控硅輸出控制電路。機(jī)械繼電器輸出控制接口電路簡(jiǎn)單，但是機(jī)械繼電器的開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，觸點(diǎn)的壽命較短，不適合用于頻繁開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合?？煽毓栎敵隹刂平涌陔娐废鄬?duì)復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)就是開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)、開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間短，控制方式靈活，可以根據(jù)不同的情況選用不同的觸發(fā)方式來(lái)進(jìn)行控制。在溫度控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 4、電源主處理器模塊 根據(jù)各模塊的電壓需求，一共需要 4 組直流電源：+12V*2，+5V*2。其中 12V 的一組用于前端的測(cè)量模塊的穩(wěn)壓芯片供電電源，另一組為可控硅控制模塊供電。5V 電源中的一組為測(cè)量模塊供電，另一組用于其他各個(gè)模塊。電源設(shè)計(jì)方案是常用的設(shè)計(jì)方案：先將 220V 交流電通過(guò)變壓器分別變壓（AC9V 二線，AC14 三線）；在分別通過(guò)整流橋和二級(jí)管對(duì)降壓后的交流信號(hào)整流；最后經(jīng)過(guò)電容和穩(wěn)壓芯片（7805*2，7812*2）后輸出所需的 4 路直流信號(hào)。 8051 單片機(jī)是目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域內(nèi)使用極為廣泛的一類 8 位微控制器，它的特點(diǎn)是使用方便靈活，外圍硬件支持十分豐富，世界上許多大半導(dǎo)體廠商，如：Atmel、Analog Device、Dallas 、Infineon、Philips、SST、TI 等公司都推出了具有各自特點(diǎn)的增強(qiáng)型 8051 系列單片機(jī)，現(xiàn)共有 100 多種的型號(hào)可供選擇?，F(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的處理器選用的是飛利浦的增強(qiáng)型 51 單片機(jī)P89C51RD2，該單片機(jī)片內(nèi)資源豐富（RAM1K+ROM64K）這就無(wú)需再進(jìn)行片外擴(kuò)展就可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。而且 P89C51RD2 片內(nèi)自帶了看門狗，這不僅節(jié)約了芯片的外部接口，而且還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2.3 編譯調(diào)試軟件的選擇 1、下位機(jī)軟件編譯調(diào)試環(huán)境的選擇[6] 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的單片機(jī)軟件采用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。實(shí)際調(diào)試采用 MICETEK 的 EasyProbe 8052F Plus 仿真頭，所以調(diào)試軟件只能選用 CodeCruiser For 51，但是 CodeCruiser For 51 軟件僅能較好的支持匯編語(yǔ)言的編譯調(diào)試，對(duì)于 C 語(yǔ)言的編譯則相當(dāng)?shù)牟?，而且效率低。Keil 公司的 Keil C51是絕大部分 8051 系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)者的首選，它將項(xiàng)目管理器（Project）、Cx51 編譯器、Ax51 匯編器、BL51/Lx 連接定位器、RTX51 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、Simulator 模擬器以及 Mornitor51 目標(biāo)調(diào)試器的功能全部集成在單一而靈活的μVision2 中，為用戶提供了極為簡(jiǎn)便的操作環(huán)境。μVision2 具有強(qiáng)大的項(xiàng)目管理功能，項(xiàng)目中包括源程序文件、開(kāi)發(fā)工具選項(xiàng)以及編程說(shuō)明等。μVision2 內(nèi)部還集成了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件（Device Database），其中存儲(chǔ)了各種型號(hào)單片機(jī)的片上存儲(chǔ)器和集成外圍功能信息，通過(guò)器件數(shù)據(jù)庫(kù)可以自動(dòng)設(shè)置 Cx51 編譯器、Ax51 匯編器、BL51/Lx51 連接定位器、Debug調(diào)試器等開(kāi)發(fā)工具的功能選項(xiàng)，充分滿足用戶使用特定的起始地址及代碼大小規(guī)模。 Keil C 編譯器具有如下優(yōu)越性： 1． C51 源程序經(jīng)過(guò)優(yōu)化后生成的代碼，其效率接近于匯編語(yǔ)言生成的代碼。 2． 支持所有的 8051 系列單片機(jī)，提供對(duì)所有外圍硬件部件的操作。 3． 無(wú)論在有無(wú)工作寄存器區(qū)轉(zhuǎn)換的情況下，編譯器都能產(chǎn)生快速中斷代碼。 4． 能夠在整個(gè)應(yīng)用程序中執(zhí)行全局寄存器優(yōu)化。 5． 支持再入功能和寄存器區(qū)的獨(dú)立代碼，便于中斷服務(wù)程序和多任務(wù)應(yīng)用程序的執(zhí)行。 在進(jìn)行調(diào)試時(shí)，先選用 Keil C 編譯環(huán)境生成 OMF 文件，然后在 CodeCruiser For 51 中調(diào)用 OMF文件進(jìn)行調(diào)試。 下位機(jī)的調(diào)試軟件選用 Keil C 與 CodeCruiser For 51 相配合使用。 2、 上位機(jī)軟件編程調(diào)試軟件的選擇 PC 機(jī)的編程軟件較多，在 Windows 環(huán)境下常用的有 VB、VC、Delphi、Broland C++ 等。VC 是微軟推出的在 Windows 操作系統(tǒng)上建立應(yīng)用程序的編程軟件。VC++使用方便，可以借助于其生成代碼的向?qū)?，就能在?shù)秒內(nèi)生成可運(yùn)行的 Windows應(yīng)用程序的基本外殼。VC++自帶的類庫(kù)，即 Microsoft Foundation Classes（MFC）已經(jīng)成為許多 C++編譯器進(jìn)行 Windows 軟件開(kāi)發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。選用 VC++能夠很好的利用 Windows API 對(duì)底層硬件操作，所以上位機(jī)的編程軟件選用 VC++6.0。 第三章 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的電路設(shè)計(jì) 本章主要介紹現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的硬件電路設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的硬件電路共分為 5 個(gè)模塊：前端測(cè)量模塊、LCD+按鍵的人機(jī)交互模塊、后端可控硅輸出控制模塊、電源主處理器模塊和通信模塊。 3.1 測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì) 測(cè)量模塊在整個(gè)溫度控制儀表甚至整個(gè)溫度控制系統(tǒng)中處于最基礎(chǔ)的地位。測(cè)量模塊的測(cè)溫精度決定了整個(gè)系統(tǒng)的精度；測(cè)量的結(jié)果又是溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的依據(jù)，也是檢驗(yàn)溫度控制效果的依據(jù)。這個(gè)模塊設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著決定性的作用。 3.1.1 精密直流電流源電路的設(shè)計(jì) 3.1.1.1 精密直流電流源電路[7] 測(cè)量電路首先的任務(wù)就是把前端熱電阻變化（ΔRt）線性的轉(zhuǎn)換成電壓的變化（ΔVt）即： 由式（3-1）可以看出當(dāng) It為常數(shù)時(shí)，電壓的變化（ΔVt）只與電阻變化（ΔRt）相關(guān)，所以這就需要一個(gè)高精度的、穩(wěn)定性好的恒流源 It。 精密直流電流源電路如圖 3-1 所示 恒流源基本實(shí)現(xiàn)是：由電壓基準(zhǔn)芯片生成恒定電壓 Vref(t)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放 MAX430 跟隨輸出Vin=Vref(t) ，此時(shí) Is(t) =Vref(t)/R7(t) ；；當(dāng)電壓 Vref(t)和 R7(t)都為恒定值時(shí)輸出時(shí)Is(t)=Vref(t)/R7(t) 也一定為固定不變的值。電阻 R7(t)采用高精度、低溫漂的標(biāo)準(zhǔn)電阻，其阻值基本固定，所以 Is(t)的輸出質(zhì)量的優(yōu)劣基本上取決于 Vin-(t)。Q1 選用 N 溝道 2SK30 場(chǎng)效應(yīng)管。電壓基準(zhǔn)芯片的精度是整個(gè)系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)。 3.1.1.2 電壓基準(zhǔn)芯片簡(jiǎn)介[8] 電壓芯片選用 MAXIM 公司的 2.5V 電壓基準(zhǔn)芯片 MAX6325（封裝見(jiàn)圖 3-2）。 MAX6325 幾項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)： 1． 低溫漂，1ppm/℃ 2． 低噪聲，1.5μVpp 的噪聲（0.1-10 赫茲）（見(jiàn)圖 3-3） 3． 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性好，30ppm/1000hr 4． 低功耗，18hw 功耗 5． 初始化精度±0.02％ MAX6325 在這個(gè)系統(tǒng)中既是恒流源的生成參考電壓也是 AD 芯片的參考電壓。所以 MAX6325 的精度是這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)精度的保證。而 MAX6325 的溫漂小，紋波噪聲?。ㄒ?jiàn)圖 3-3 ），精度高，所以穩(wěn)壓芯片選用 MAX6325。 當(dāng) MAX6325 工作在頻率 10Hz- 10kHz 區(qū)間時(shí)，NR 腳接電容Cnr與否直接影響了輸出電壓的輸出噪聲（見(jiàn)圖 3-4 所示）。在接電容(Cnr=1μf)后，在 10Hz 時(shí)輸出噪聲與未接電容（Cnr=0μf）時(shí)相差不大，但是到了 30Hz 處，Cnr=1μf 的輸出噪聲為30 /nV Hz 而 Cnr=0μf 的輸出噪聲是 45 /nV Hz ；當(dāng)頻率>100Hz 時(shí)，Cnr=1μf 的輸出噪聲為 15 /nV Hz< 而 Cnr=0μf的輸出噪聲是 40 /nV Hz ，顯然當(dāng)在 NR 腳接上 1μF 的電容Cnr能很好的改善 MAX6325 的輸出噪聲。MAX6325 噪聲抑制電容參考電路如圖 3-5 所示。實(shí)際使用時(shí)，MAX6325 的電路見(jiàn)圖 3-1 所示。在實(shí)際電路中，用六位半電壓表在運(yùn)放輸出端測(cè)量所得的電壓值為2.50001V（穩(wěn)定不變）；通過(guò)示波器測(cè)量得到的電壓的紋波為 2.5uV，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求精度。 3.1.1.3 斬波穩(wěn)零低漂移運(yùn)放 MAX430[9] [10] 在微弱信號(hào)的測(cè)量時(shí)，常常需要放大微伏級(jí)的電信號(hào)。這時(shí)，普通的運(yùn)算放大器已無(wú)法使用了，因?yàn)樗鼈兊妮斎胧д{(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，而失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點(diǎn)幾微伏以上。固然輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，但其漂移則是難以消除的。MAXIM 公司生產(chǎn)的斬波穩(wěn)零型運(yùn)算放大器MAX430 提供了一種解決微信號(hào)放大問(wèn)題的方案。斬波穩(wěn)零的工作方式使 MAX430 具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小，MAX430 非常適合用于微信號(hào)的放大。 MAX430 內(nèi)部主要的功能單元有：主放大器、校零放大器、時(shí)鐘開(kāi)關(guān)電路、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、校零記憶電容、箝位電路。MAX430 的內(nèi)部簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示。斬波穩(wěn)零運(yùn)放可以分為兩個(gè)主要的時(shí)鐘周期：校零周期和放大周期。主放大器一直與電路的輸入端和輸出端相連，而校零放大器則在兩個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)自己和主放大器校零。在校零周期內(nèi)，開(kāi)關(guān) A 閉合、開(kāi)關(guān) C 閉合，使校零放大器的兩個(gè)輸入端短路，通過(guò)自身的反饋，校零放大器的失調(diào)電壓被減到最小。同時(shí)，外接記憶電容 C1 中儲(chǔ)存了這一失調(diào)電壓，使校零放大器在放大周期內(nèi)仍保持校零。在放大周期內(nèi)，開(kāi)關(guān) A 打開(kāi)、開(kāi)關(guān)B 閉合，把校零放大器的輸出與主放大器的同相輸入端連接起來(lái)，使主放大器被校零。同時(shí)，外接記憶電容 C2 中儲(chǔ)存了校零電壓，使主放大器在下一個(gè)校零周期內(nèi)仍保持校零。在 MAX430 中，內(nèi)部時(shí)鐘使放大器以 400Hz 的固定頻率校零。在這種連續(xù)校零的機(jī)制下，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小。 由于 MAX430 片內(nèi)自帶有記憶電容和內(nèi)部時(shí)鐘，所以實(shí)際應(yīng)用電路較為簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖 3-1）。通過(guò)六位半的電壓表測(cè)量等到的輸出電壓等于 MAX6325 的輸出參考電壓。 3.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是前向通道中的關(guān)鍵器件。它實(shí)現(xiàn)了被測(cè)控對(duì)象的模擬信號(hào)（溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受處理的數(shù)字量信號(hào)。目前，A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)在不斷的更新發(fā)展，功能越來(lái)越強(qiáng)，精度越來(lái)越高，只有對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換芯片的工作原理和各項(xiàng)性能有一個(gè)綜合的了解，才能在實(shí)用中選擇正確的 A/D 轉(zhuǎn)換器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，目前常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器有四種類型：并行式轉(zhuǎn)換型、雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器和新型 ∑?ΔA/D 轉(zhuǎn)換器。 3.1.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理[11] [12] 并行式轉(zhuǎn)換型亦稱為瞬時(shí)比較-編碼式 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，是一種轉(zhuǎn)換速度最快、轉(zhuǎn)換原理最直觀的A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)。并行式 A/D 所有位的數(shù)據(jù)理論上在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)全部轉(zhuǎn)換完成。并行式 A/D 轉(zhuǎn)換需要大量的低漂移電壓比較器，工程上較難實(shí)現(xiàn)。它的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速度最快，但轉(zhuǎn)換精度低，價(jià)格高，它一般用于待轉(zhuǎn)換量是高速變化的模擬量的場(chǎng)合（如：瞬態(tài)信號(hào)分析、高速數(shù)據(jù)采集以及視頻信號(hào)量化等）。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率最慢（轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)），但是轉(zhuǎn)換精度高，而且具有抗周期干擾能力，價(jià)格便宜。適用于模擬信號(hào)變化緩慢，采樣速率要求比較低，而且對(duì)精度要求比較高，或現(xiàn)場(chǎng)干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合。常見(jiàn)應(yīng)用于非實(shí)時(shí)控制的高精度數(shù)字儀器儀表中。 逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器主要由逐次逼近寄存器 SAR、D/A 轉(zhuǎn)換器、比較器以及時(shí)序和控制邏輯等部分組成。它的實(shí)質(zhì)是逐次把設(shè)定的 SAR 寄存器中的數(shù)字量經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后得到電壓 V0，與待轉(zhuǎn)換電壓 V1 進(jìn)行比較。比較時(shí)，先從 SAR 的最高位開(kāi)始，逐次確定各位的數(shù)碼是“1”還是“0”。逐次比較型轉(zhuǎn)換速度雖然不及并行轉(zhuǎn)換型，屬于中速 ADC，但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在精度（一般為 8-16 位 A/D）上可以達(dá)到一般工業(yè)控制要求，應(yīng)用比較廣泛。 新型 ∑?ΔA/D 轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、量化噪聲小、分辨率高和線性度好的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換速度也高于雙積分型 ADC。 ∑ ?Δ A/D 轉(zhuǎn)換器適用于音頻信號(hào)處理和低頻模擬測(cè)量中。 ∑?ΔA/D 轉(zhuǎn)換器主要有三個(gè)處理：過(guò)采樣、量化噪聲整形、數(shù)字濾波和采樣抽取。 1． 過(guò)采樣 如果對(duì)理想 ADC 輸入恒定直流電壓，多次采樣得到的數(shù)字輸出量總是相同的，而且分辨率受到量化誤差的限制。如果在這個(gè)輸入直流電壓上疊加一個(gè)交流信號(hào)，并用比這個(gè)交流信號(hào)頻率高的多的采樣頻率進(jìn)行采樣，此時(shí)得到的輸出數(shù)字是變化的，用這些采樣結(jié)果的平均值表示 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果，便可得到比用同樣 ADC 高的多的分辨率，這種方法稱作過(guò)采樣。即使模擬輸入本身就是一個(gè)交流信號(hào)，采用過(guò)采樣的方法（即采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)頻率）也同樣可以提高 ADC 的分辨率。 假設(shè)噪聲的能量為 /12q ，當(dāng)采樣頻率為 Fs Hz 時(shí)，由于采樣頻率遠(yuǎn)小于噪聲的頻率，所以會(huì)在采樣出的信號(hào)中含有有大量的由于欠采樣引起的混疊噪聲（見(jiàn)圖 3-7a）。而當(dāng)提高采樣頻率為 k*Fs 時(shí)，在頻率范圍為 Fs/2 到 k*Fs/2 的范圍內(nèi)的量化噪聲在頻譜上能真實(shí)地反映出來(lái)（見(jiàn)圖 3-7b），再通過(guò)數(shù)字低頻濾波器后，在 0 到 Fs/2 的頻率上的量化噪聲明顯降低（見(jiàn)圖 3-7c）。當(dāng)過(guò)采樣比例因子 k 為 4 時(shí)，就能提高信噪比 6db。只要選擇合適的比例因子 k，就能使實(shí)際得到的信號(hào)上只含有頻率從 0 到 Fs/2 范圍內(nèi)的噪聲。這就大大提高了 ADC 的分辨率。 2． 量化噪聲整形 可以通過(guò) ∑?Δ調(diào)制器對(duì)量化噪聲的頻譜整形使得大部分噪聲位于 Fs/2 到 k*Fs/2 的范圍內(nèi)，噪聲頻譜在經(jīng) ∑?Δ調(diào)制器整形后，通過(guò)后接的數(shù)字濾波器可以去除大部分量化噪聲能量，可以極大地提高信噪比。 圖 3-8 給出了一階 ∑?ΔADC 的原理結(jié)構(gòu)圖。虛線框內(nèi)的是 ∑ ?Δ 調(diào)制器，它以 k*Fs 的采樣速率將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成 1 和 0 構(gòu)成的連續(xù)串行位流。一路數(shù)據(jù)串行進(jìn)入數(shù)字濾波器，一路以負(fù)反饋形式與輸入信號(hào)求和。 根據(jù)反饋理論，具有積分環(huán)節(jié)的反饋環(huán)路的靜態(tài)誤差等于零，因此 DAC 的輸出平均值（串行位流）接近輸入信號(hào)的平均值（見(jiàn)圖 3-9）。顯然當(dāng)被采樣的信號(hào)的頻率過(guò)高（接近采樣頻率）時(shí)，1位 ADC 的輸出的位流是沒(méi)有意義的。只有當(dāng)大量的采樣數(shù)據(jù)取平均所得到的值才是有實(shí)際有效的值。 可以用圖 3-10 所示的頻域線性化模型對(duì) ∑ ?Δ 調(diào)制器可作進(jìn)一步的分析。其中積分器模擬一個(gè)傳遞函數(shù)為 H（S）的濾波器，量化模擬放大器的輸出與量化噪聲疊加。輸入信號(hào)為 X，輸出信號(hào)為Y。已知 H（S）= 1/S，則有：Y = ( X- Y ) / S + Q Y = X /(S + 1) + QS /(S + 1)　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?-2） 由上式（3-2）可以看出，當(dāng)頻率接近于零時(shí)（S→0），輸出 Y 接近于 X，噪聲分量接近于零。對(duì)于高頻分量，輸出的主要是噪聲。而積分器對(duì)輸入信號(hào)具有低通濾波作用，對(duì)噪聲分量有高通濾波作用。因此，調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)噪聲整形濾波器的作用。 3． 數(shù)字濾波和采樣抽取 ∑?Δ調(diào)制器對(duì)量化噪聲整形后，將量化噪聲移到 Fs/2 之外，然后應(yīng)對(duì)整形后的噪聲進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波器的作用有兩個(gè)：一是相對(duì)于最終的頻率 Fs，它必須起到濾波器的作用，二是將 ∑ ?Δ調(diào)制器整形過(guò)程中產(chǎn)生的高頻噪聲濾除。由于采取了過(guò)采樣，采樣過(guò)程中產(chǎn)生了許多多余的信號(hào)。數(shù)字濾波器通過(guò)每輸出 M 個(gè)數(shù)據(jù)抽取一個(gè)數(shù)據(jù)的重采樣方法，實(shí)現(xiàn)了使輸出數(shù)據(jù)低于原來(lái)的過(guò)采樣速率，直到使關(guān)心的頻帶滿足采樣定理。 3.1.2.2 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD7710[13] AD7710 是 Analog Device 公司生產(chǎn)的 24 位高精度 Sigma-Delta 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件。AD7710 的主要優(yōu)點(diǎn)是：片內(nèi)自帶有 可編程的差分放大器，這就使得 AD7710 能直接獲得來(lái)自于鉑電 阻的電壓信號(hào)（可以在片內(nèi)調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶?；AD7710 帶有控 制寄存器（它能夠控制濾波器的截止頻率、輸入增益、選擇通道、 信號(hào)極性和校準(zhǔn)模式），這使得 AD7710 易于與微控制器相配合使 用；AD7710 精確度高，在 23 位動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的誤差僅為 0.0015﹪， 而且它的內(nèi)部自校正能夠消除溫漂影響，它還能消除零量程和滿 量程誤差。AD7710 非常適合用于需高分辨率但速度要求不太高的 場(chǎng)合。 1、AD7710 的引腳和功能 AD7710采用 24 腳雙列直插式封裝，如圖 3-11 所示。各引腳的應(yīng)用特性說(shuō)明如下。 表 3-1 AD7710 各引腳的應(yīng)用特性說(shuō)明 2、控制寄存器及芯片的工作狀態(tài)的參數(shù)的設(shè)定 AD7710 的 24 位控制寄存器從高位到低位的含義如圖 3-12 所示 MD1、MD0 操作模式的選擇： @ 0 0 1 標(biāo)準(zhǔn)模式。這是芯片運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)模式，將 A0 置 1，可對(duì)數(shù)字寄存器進(jìn)行讀操作。內(nèi)部電源復(fù)位后寄存器的這幾位將進(jìn)入這一默認(rèn)狀態(tài)。 @ 0 1 0 零刻度系統(tǒng)校正。在校正期間，輸入電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。開(kāi)始校正時(shí) DRDY 高電平，校正完成后 DRDY 回到低電平。校正結(jié)束，回到標(biāo)準(zhǔn)模式。 @ 0 1 1 滿刻度系統(tǒng)校正。過(guò)程與零刻度系統(tǒng)校正相同。校正結(jié)束后回復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)模式。 z 1 0 0 激活系統(tǒng)補(bǔ)償校準(zhǔn)模式。這種校準(zhǔn)模式由 CH 控制。這是一步校準(zhǔn)，當(dāng)校準(zhǔn)完成，將 回到標(biāo)準(zhǔn)模式，同時(shí)由（/DRDY）輸出確認(rèn)信號(hào)。在這種模式下，零量程對(duì)選定的通道進(jìn)行校準(zhǔn)，滿量程可通過(guò)內(nèi)部的 VREF 校準(zhǔn)。 @ 1 0 1 激活背景校準(zhǔn)模式。這種校準(zhǔn)模式由 CH 控制。如果這種模式打開(kāi)，AD7710 將不斷的對(duì)參考輸入和零點(diǎn)平輸入進(jìn)行自校準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)化過(guò)程將進(jìn)入這種模式，它會(huì)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)化時(shí)間和降低傳輸速率。它的優(yōu)勢(shì)是當(dāng)外界溫度發(fā)生很大變化時(shí)，用戶不用擔(dān)心對(duì)芯片進(jìn)行重校準(zhǔn)。在這種模式中，零電平輸入和 VREF 以及模擬輸入電壓都將受到監(jiān)視，并且，芯片的校準(zhǔn)寄存器將能夠自動(dòng)更新。 G2、G1、G0 增益系數(shù)選擇：控制字（000-111）對(duì)應(yīng)增益（1-128）；控制字 000（增益為 1）為上電默認(rèn)狀態(tài)。 FS11-FS0 為濾波器頻率設(shè)置： 濾波器頻率的選擇關(guān)系到采樣的速度，它與增益系數(shù)共同決定了 A/D 芯片的輸出噪聲和輸出的有效位數(shù)。濾波器頻率代碼與實(shí)際頻率的關(guān)系為： 式中 code 為 FS0-FS11 相等的十進(jìn)制數(shù)字，范圍為 19 至 2000。由于 fclkin等于 10MHz，因此濾波器的頻率的范圍是 9.76Hz 到 1.028kHz。同時(shí)它也指出了新數(shù)據(jù)到達(dá)的有效時(shí)間。當(dāng)設(shè)定濾波器頻率為 50Hz，則新數(shù)據(jù)在 20ms 后才有效；當(dāng)設(shè)定濾波器頻率為 1kHz 是，則新數(shù)據(jù)在 1ms 后有效。 芯片的輸出噪聲主要取決于頻率。當(dāng)頻率設(shè)置比較低時(shí)（50Hz），元器件本身是使產(chǎn)生噪聲的主要因素，當(dāng)頻率越來(lái)越大時(shí)，產(chǎn)生噪聲的主要因素變成了頻率。所以改變?yōu)V波器的頻率（當(dāng)頻率產(chǎn)生的噪聲占優(yōu)勢(shì)時(shí)）對(duì)噪聲的影響遠(yuǎn)大于改變內(nèi)部半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)。濾波器的頻率設(shè)置的越低（低于 60Hz），芯片以 24 位接受數(shù)據(jù)時(shí)丟碼越少。當(dāng)濾波器的頻率設(shè)為 1kHz 時(shí)，AD7710 只能實(shí)現(xiàn) 12位的無(wú)誤碼。在這個(gè)系統(tǒng)中選用濾波頻率為 50Hz，輸入增益為 8 時(shí)，輸出的有效位數(shù)為 19.5 位。 3、AD7710 的校準(zhǔn) AD7710 提供了多種校準(zhǔn)選擇，這些可以通過(guò)控制寄存器選擇。只要將信號(hào)寫入控制寄存器，校準(zhǔn)模式可以在任意時(shí)候啟動(dòng)。芯片有自校準(zhǔn)模式，這種模式可以通過(guò)使用校準(zhǔn)寄存器和SRAM 保存校準(zhǔn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使用系統(tǒng)校準(zhǔn)模式,芯片的其他部分也可消除補(bǔ)償和增益誤差。在背景校準(zhǔn)模式，芯片可不斷的進(jìn)行自校準(zhǔn)，同時(shí)還可不斷的更新校準(zhǔn)參數(shù)。一旦芯片進(jìn)入這種模式，用戶不用周期性的發(fā)送校準(zhǔn)命令給芯片或要求系統(tǒng)重校準(zhǔn)（當(dāng)環(huán)境溫度或電源供電壓變化時(shí)）。 AD7710 允許微處理器讀取校準(zhǔn)系數(shù)，還允許用戶將預(yù)先存入E2PROM 的數(shù)據(jù)寫進(jìn)校準(zhǔn)寄存器以改變校準(zhǔn)參數(shù)。這使得微處理器對(duì)AD7710 的校準(zhǔn)過(guò)程具有更強(qiáng)的控制能力。這意味著用戶能夠檢驗(yàn)所進(jìn)行的校準(zhǔn)是否正確同時(shí)可以糾正它（通過(guò)將校準(zhǔn)寄存器中的參數(shù)與預(yù)先存入E2PROM 的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較）。 4、AD7710 應(yīng)用電路以及與單片機(jī)的接口電路 AD7710 的實(shí)際應(yīng)用以及接口電路圖如圖 3-13 所示。在實(shí)際的 AD7710 使用時(shí)，AD7710 工作狀態(tài)設(shè)定為：外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式、外部信號(hào)差分輸入、濾波器頻率設(shè)置為 50Hz，選擇自校正模式，差分可編程放大器增益為 8 ，輸入通道為 0，輸出 24 位字長(zhǎng)，單極性輸入。時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式需要通過(guò)硬件設(shè)置選擇，MODE 腳接低，選擇外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式。其它狀態(tài)的設(shè)定通過(guò)寫狀態(tài)控制寄存器來(lái)選定。 5、AD7710 的讀寫操作 AD7710 的讀?。嚎梢詮募拇嫫?、控制寄存器或校準(zhǔn)寄存器中讀數(shù)據(jù)。A0 確定是從控制寄存器讀數(shù)還是從輸出/校準(zhǔn)寄存器讀數(shù)。在進(jìn)行讀操作時(shí)，A0 必須保持有效。A0＝1，可對(duì)輸出寄存器或校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行讀操作。A0＝0，可對(duì)控制寄存器進(jìn)行讀操作。DRDY 的作用取決于芯片輸出數(shù)據(jù)的更新速率和輸出寄存器輸出數(shù)據(jù)的速率。當(dāng)輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)可輸出時(shí)，DRDY 變成低電平。當(dāng)輸出寄存器中的數(shù)據(jù)輸出完畢后，DRDY 將復(fù)位為高電平。如果數(shù)據(jù)沒(méi)有從輸出寄存器讀出，DRDY將一直保持低電平。輸出寄存器將不斷的更新數(shù)據(jù)，而 DRDY 不會(huì)輸出確認(rèn)信號(hào)。在這種情況下，讀操作所讀取得數(shù)據(jù)是輸出寄存器中最新的數(shù)據(jù)，如果新的數(shù)據(jù)已經(jīng)到齊，并且希望能保存在輸出寄存器，而此時(shí)的輸出寄存器沒(méi)有將數(shù)據(jù)輸出完畢，DRDY 將不會(huì)輸出確認(rèn)信號(hào)，這些新的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。在對(duì)控制寄存器和校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行讀操作時(shí)，DRDY 不會(huì)受到影響。只有當(dāng) DRDY 為低電平時(shí)， 輸出數(shù)據(jù)寄存器才能輸出數(shù)據(jù)。如果當(dāng) DRDY 為高電平，而此時(shí)的 RFS 變成低電平，仍然無(wú)法傳送數(shù)據(jù)。在對(duì)控制寄存器或校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行讀操作時(shí)，DRDY 不能施加任何影響。AD7710 在外部時(shí)鐘模式下的讀操作時(shí)序圖如圖 3-14 所示。 AD7710 的寫操作：可以對(duì)控制寄存器和校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行寫操作。在任何情況下，寫操作都不會(huì)受 DRDY 的影響，同時(shí)寫操作也不對(duì) DRDY 的狀態(tài)有任何影響。對(duì)控制寄存器和校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，寫入的數(shù)據(jù)必須是 24 位的。圖 3-15 是 AD7710 寫操作的時(shí)序圖。A0 決定是對(duì)控制寄存器還是對(duì)校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行寫操作。在對(duì)寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，A0 必須一直有效。TFS 的下降沿啟動(dòng) SCLK 輸出。在 SCLK 的上升沿，輸入的數(shù)據(jù)必須是有效的。數(shù)據(jù)是在 SCLK 的上升沿寫入的，在 SCLK 最后一個(gè)高電平處，最后一位數(shù)據(jù)寫入寄存器。因此在這個(gè)高電平的下降沿，SCLK 的輸出端將被關(guān)閉。 根據(jù)外部時(shí)鐘模式的讀寫時(shí)序，讀寫操作的流程圖如圖 3-16 所示。進(jìn)行讀操作時(shí)，所有數(shù)據(jù)位在 SCLK 下降沿且在下一個(gè) SCLK 上升沿有效，因此應(yīng)該在 SCLK 置低后檢測(cè) SDATA 引腳電平。而寫操作時(shí)，數(shù)據(jù)位必須先于 SCLK 的上升沿有效，且在 SCLK 高電平期間必須保持有效，因此應(yīng)該先發(fā)送 SDATA 電平，然后再產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。 3.2 人機(jī)交互模塊 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表可以實(shí)時(shí)顯示恒溫槽的實(shí)際溫度值；用戶可以通過(guò)按鍵設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表的各種參數(shù)，因而現(xiàn)場(chǎng)溫度控制儀表應(yīng)具有鍵盤顯示接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。 3.2.1 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 顯示模塊選用致意電子技術(shù)有限公司的 HXMG128064 顯示模塊。HXMG128064 是 128*64 的單色、字符、圖形顯示模塊，該模塊內(nèi)置液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊，所以實(shí)際使用方便，與控制器的接口電路簡(jiǎn)單。 HXMG128064 顯示模塊的顯示屏為 128 列，64 行結(jié)構(gòu)。使用兩片驅(qū)動(dòng)控制器，每片有 64 路輸出，分別驅(qū)動(dòng) 1-64 列和 65-128 列；模塊內(nèi)部使用一片 64 行輸出及一片 128 列輸出驅(qū)動(dòng)器。128*64的液晶被分為相同的兩塊（每塊為 64*64）；每塊分為 8 頁(yè)；顯示存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)，顯示屏上各像素點(diǎn)的顯示狀態(tài)與顯示存儲(chǔ)器的各位數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，顯示存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。數(shù)據(jù)為“1”，則相應(yīng)的像素點(diǎn)顯示；數(shù)據(jù)為“0”，則相應(yīng)的像素點(diǎn)不顯示。液晶顯示模塊的邏輯電路和接口電路框圖如圖 3-17 所示，其外部引腳說(shuō)明如表 3-2 所示。 液晶模塊內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器只要提供電源就能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和各種同步信號(hào)，所以只要了解了驅(qū)動(dòng)器的輸入特性以及幾個(gè)簡(jiǎn)單的操作命令就能方便的使用顯示模塊。液晶顯示模塊與單片機(jī)的接口電路有兩種： 1、 間接訪問(wèn)方式接口電路 間接訪問(wèn)方式是計(jì)算機(jī)通過(guò)自身的或系統(tǒng)中的并行接口與顯示模塊連接，如8051的P1口和P3 口，8255 等并行接口芯片以及像74LS273 類的鎖存器等。計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)這些接口的操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的讀/寫操作和相關(guān)的顯示控制。圖3-18是實(shí)用電路圖。圖中51單片機(jī)的P1口作為數(shù)據(jù)口，P32為讀寫信號(hào)，P33為寄存器選擇信號(hào)，P35為使能信號(hào)E，P34作為復(fù)位控制信號(hào)。片選信號(hào)CS-1 和 CS-2 高電平有效，分別控制顯示屏的左半部（1—64列）和右半部（65—128 列）。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算機(jī)與模塊的接口，但是液晶模塊的讀/寫操作的控制時(shí)序需要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，增加了在軟件上的開(kāi)銷，也增加了液晶顯示模塊調(diào)試的時(shí)間。所以在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中選用了另一種直接訪問(wèn)方式接口電路，在原有的電路上只增加了一個(gè)與非門，就大大的簡(jiǎn)化了調(diào)試以及程序的編寫。 2、 直接訪問(wèn)方式接口電路 直接訪問(wèn)方式就是將模塊的接口作為存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備直接掛在計(jì)算機(jī)總線上，計(jì)算機(jī)以訪問(wèn)存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的方式對(duì)模塊操作。圖3-19是直接訪問(wèn)方式的接口實(shí)用電路圖。片選信號(hào)CS-1和 CS-2高電平有效，分別控制顯示屏的左半部（1—64列）和右半部（65—128 列）；E 信號(hào)由51單片機(jī)的讀信號(hào)/RD 和寫信號(hào)/WR 合成產(chǎn)生；RS為控制寄存器選擇信號(hào)；R/W控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向。同過(guò)電位器R可以調(diào)節(jié)液晶屏的顯示亮度。 系統(tǒng)采用了直接訪問(wèn)接口電路，通過(guò)這種接口方式，單片機(jī)向液晶進(jìn)行讀寫操作時(shí)不需要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序控制，只是把它當(dāng)成普通的 I/O 進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效。 在實(shí)際使用時(shí)，LCD 與 LED 不同。LED 顯示需要單片機(jī)一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，所以不會(huì)占用太多的處理器時(shí)間，但是 LCD 顯示內(nèi)容豐富，所以需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，但是實(shí)際上每次變化的內(nèi)容并不多，所以可以針對(duì)不同情況來(lái)對(duì)液晶屏更新可以節(jié)約處理器在顯示上所花的時(shí)間。具體見(jiàn)軟件部分的介紹。 3.2.2 按鍵電路設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)按鍵時(shí)，根據(jù)按鍵多少有不同的設(shè)計(jì)方法：獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)和矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)建成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它I/O口線的工作狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵較多時(shí)，I/O口線浪費(fèi)較