開關(guān)柜溫度檢測系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　二 〇 一 年 六 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，隨著發(fā)電廠自動化、信息化建設(shè)步伐的加快，對控制發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的一系列開關(guān)柜觸頭溫度的在線監(jiān)測應(yīng)運(yùn)而生，并在企業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。它的應(yīng)用可以提高電

2、網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與安全性,促進(jìn)電網(wǎng)現(xiàn)代化技術(shù)的完善與發(fā)展。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對高壓開關(guān)柜內(nèi)多個帶電觸點(diǎn)進(jìn)行溫度的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)觸點(diǎn)溫度超過溫度上限時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。</p><p>　　本文介紹了一種開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，在整個設(shè)計(jì)過程中，分別從硬件和軟件兩個方面描述，即從硬件電路的設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)所要求功能的軟件設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)AT89C51作為系統(tǒng)的核心，采用溫度傳感器PT100對溫度信號進(jìn)行采集，采

3、用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,采用LED數(shù)碼管實(shí)時顯示溫度值。硬件電路主要包括傳感器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)電路、顯示電路、報警電路等。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用了模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報警模塊、顯示模塊等。該系統(tǒng)具有成本低、可靠性好、安全實(shí)用等特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；溫度監(jiān)測；單片機(jī)；PT100 </p><p><

4、b>　　Abstract</b></p><p>　　Recently, along with electric power production enterprise’s automation and information construction developing faster, all kinds of new temperature monitoring systems appea

5、r and play an important role in production．The application in electric power distribution system can improve the operation reliability and safety of power system. This system can do monitoring of temperature of several c

6、ontacts inside the high voltage switch cabinet in real-time, when the temperature of contacts is beyond the </p><p>　　In this paper, a temperature monitoring systems of switchgear is designed．During the whol

7、e designed process, this paper describes the process of designing from two respects; hardware and software. In another word, the paper describes the process from the circuit designing to the software designing of realizi

8、ng the demanded functions. In the circuit designing of the system, the system take the AT89C51 as the core, use the temperature sensor of PT100 to acquire the temperature signal, use the ADC0</p><p>　　Key wo

9、rd: Switch cabinet; Temperature monitor; Microcontroller; PT100</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論·············

10、3;······························· 1</p><p>　　1.1 開

11、關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)的背景及意義························ 1</p><p>　　1.2 開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀··

12、··················· 1</p><p>　　1.3 本文的總體結(jié)構(gòu)···········

13、·························· 2</p><p>　　第二章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)····

14、································· 3</p><p&g

15、t;　　2.1 系統(tǒng)硬件方案的論證·································

16、3; 3</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及性能指標(biāo)····························

17、3</p><p>　　2.1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的方案論證··························· 3</p>

18、<p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案概述································&

19、#183; 3</p><p>　　2.3 溫度采樣電路 ·····························

20、83;········ 4</p><p>　　2.3.1 傳感器的選擇·····················&#

21、183;·············5</p><p>　　2.3.2 傳感器電路·················

22、;····················6</p><p>　　2.3.3 放大器的選擇··········&

23、#183;························7</p><p>　　2.3.4 信號調(diào)理電路·····

24、83;······························8</p><p>　　2.3.5 A/D轉(zhuǎn)換

25、器的選擇································ 9</p><p&

26、gt;　　2.3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路·································

27、83;·· 10</p><p>　　2.4 按鍵輸入電路····························

28、;·········· 11</p><p>　　2.5 主控電路····················&

29、#183;··················· · 12</p><p>　　2.5.1 單片機(jī)電路·········&

30、#183;··························· 12</p><p>　　2.5.2 看門狗電路··&

31、#183;·································· 15</p

32、><p>　　2.5.3 時序電路································

33、······· 17</p><p>　　2.6 報警電路·······················

34、3;··················18</p><p>　　2.7 顯示電路············

35、83;·····························18</p><p>　　2.7.1 顯示器的選擇

36、3;··································18</p>

37、<p>　　2.7.2 LED顯示器的介紹································

38、; 18</p><p>　　2.7.3 LED數(shù)碼管編碼方式·····························

39、·· 19</p><p>　　2.7.4 LED數(shù)碼管顯示方式···························&#

40、183;···20</p><p>　　2.8 電源電路···························&

41、#183;··············21</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)···············

42、83;····················23</p><p>　　3.1 系統(tǒng)軟件概述··········

43、····························23</p><p>　　3.2 主程序模塊··

44、3;····································&#

45、183;24</p><p>　　3.3 數(shù)據(jù)采集模塊······························

46、;········24</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)處理模塊······················&#

47、183;···············25</p><p>　　3.4.1 數(shù)字濾波···············

48、;························26</p><p>　　3.4.2 計(jì)算溫度······&#

49、183;·······························27</p><p>　　3.5

50、 按鍵處理模塊···································

51、83;··28</p><p>　　3.6 顯示模塊····························&#

52、183;·············28</p><p>　　第四章 結(jié)論·················

53、83;···························29</p><p>　　參考文獻(xiàn) ····

54、····································

55、3;······ 30</p><p>　　附錄1 系統(tǒng)硬件電路圖·······················

56、3;············· 31</p><p>　　附錄2 熱電阻分度特性表················

57、83;··················· 32</p><p>　　附錄3 系統(tǒng)部分源程序··········

58、3;·························· 33</p><p>　　謝 辭·····

59、····································

60、3;········38</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)的背景及意義</p><p>　　高壓開關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要設(shè)備，起著關(guān)合及開斷電力線的作用，用來實(shí)現(xiàn)輸送及倒換電力負(fù)荷、以及從電

61、力系統(tǒng)退出故障設(shè)備和線段，從而保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。目前廣泛使用的手車式開關(guān)柜由于斷路器與開關(guān)柜之間采用插頭聯(lián)接，當(dāng)手車式開關(guān)柜因制造、安裝不良或材料質(zhì)量等問題都會導(dǎo)致觸頭接觸不良而使接觸電阻增大，從而出現(xiàn)觸頭溫升過高；同樣，在固定式開關(guān)柜的隔離開關(guān)的動靜觸頭之間由于安裝不良、操作或材料質(zhì)量等問題也會造成觸頭接觸不良出現(xiàn)觸頭溫升過高；以上兩種情況都會由于發(fā)熱部位的溫度無法監(jiān)測，從而導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生，近年來，在電廠和變電站已經(jīng)發(fā)生多起開

62、關(guān)柜過熱事故，造成火災(zāi)和大面積的停電。因而對全封閉的高壓開關(guān)電器，檢測和監(jiān)視高壓開關(guān)觸點(diǎn)、母線排連接處的工作溫度，提前發(fā)現(xiàn)和排除熱故障隱患，對電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。</p><p>　　1.2 開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前對高壓開關(guān)柜的監(jiān)測大都基于人工巡檢，用手持式紅外測溫儀獲得開關(guān)柜內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，但由于開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，元件遮擋

63、的影響使得紅外測溫儀往往無法獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù);同時人工操作中的失誤不可能完全避免，且巡檢時間間隔相對于故障發(fā)展時間來說也過長。</p><p>　　常規(guī)的監(jiān)測方式并不能及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜潛在的故障，針對人工巡檢的不足，各科研院所和生產(chǎn)廠家開發(fā)了一系列新型的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測裝置，在一定程度上克服了人工巡檢的弱點(diǎn)。這些裝置的測溫原理大致分為如下三類:</p><p>　　(1)傳統(tǒng)接觸式測溫&

64、lt;/p><p>　　采用傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器(熱電禍、熱電偶、集成溫度傳感器等)測溫，傳感器信號處理電路安裝在高壓母線上，根據(jù)電阻的某些特性，當(dāng)溫度變化時，便會得到測量信號。應(yīng)用該種測量方式的裝置具有測量精確、穩(wěn)定可靠、測量范圍大、價格便宜等特點(diǎn)，但由于接觸式溫度傳感器需要安裝于高壓母線上，這在空間狹小的開關(guān)柜內(nèi)部安裝較為困難，同時有可能減小開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣凈距。</p><p><

65、;b>　　(2)紅外測溫</b></p><p>　　紅外測溫采用紅外溫度傳感器進(jìn)行測溫，紅外溫度傳感器通過接收測量物體的電磁輻射，將輻射波長的變化轉(zhuǎn)化成模擬電信號輸出。這種測量方式具有測量速度快、范圍寬且對被測溫場無干擾等優(yōu)勢，但同時也受到開關(guān)柜內(nèi)部元件對紅外輻射光路遮擋的影響，不能準(zhǔn)確測得觸頭溫度，雖然可以采取一定的校正，但紅外輻射的影響因素很多且具有時變性，無法對其一一校正，因而這種方式通

66、用性較差，無法推廣使用。</p><p><b>　　(3)光纖測溫</b></p><p>　　光纖測溫采用光纖溫度傳感器進(jìn)行溫度的測量，光纖溫度傳感器由光纖和感溫原件構(gòu)成，其原理是利用感溫元件對光的吸收性隨溫度變化而變化的特性，將待測物體溫度變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化， 再通過光監(jiān)測電路及濾波電路輸出模擬電壓量。光纖測溫具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、安全等優(yōu)點(diǎn)，但其

67、價格昂貴，其配套的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀體積較大，無法在開關(guān)柜內(nèi)部安裝，同時該分析儀只提供了與單臺PC機(jī)的通信接口，無法嵌入已有的變電站自動化系統(tǒng)中。</p><p>　　1.3 本文的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　論文的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下：第一章主要介紹了課題研究的背景、意義及開關(guān)柜溫度監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀；第二章對系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了敘述，詳細(xì)分析了硬件各部分的原理和特點(diǎn)；第三章是對系

68、統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分的介紹，描述了系統(tǒng)的各個功能模塊；第四章對整個論文做了總結(jié)，并且提出了系統(tǒng)將來的設(shè)計(jì)構(gòu)想。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件方案的論證</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及性能指標(biāo)</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：要求設(shè)計(jì)一開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，使溫度傳感器被安裝到

69、開關(guān)柜內(nèi)的帶電觸頭上，監(jiān)測儀主機(jī)的數(shù)字面板表顯示出每個帶電觸頭的溫度值，并可將溫度值通過通訊接口傳到上位計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度的集中監(jiān)測，對過熱點(diǎn)進(jìn)行分析并報警。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)為：</p><p>　?。?）測量溫度：-55℃～+125℃；</p><p>　?。?）測量精度：± 1℃；</p><p

70、>　?。?）測量時間間隔：可調(diào),5分鐘到1小時；</p><p>　?。?）測量溫度點(diǎn)：3個。</p><p>　　2.1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的方案論證</p><p>　　方案1：主要是以PLC作為控制器的核心, 通過溫度傳感器獲得溫度的值, 然后轉(zhuǎn)換成電壓信號, 送入A/D轉(zhuǎn)換器。然后PLC根據(jù)限定值與測量值進(jìn)行判斷, 得到控制量, 從而進(jìn)行溫度的監(jiān)測。&

71、lt;/p><p>　　方案2：主要是以單片機(jī)作為控制器的核心，通過置于開關(guān)觸頭上的溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，后經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行信號的放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將信號變?yōu)閱纹瑱C(jī)可識別的數(shù)字信號，最后通過單片機(jī)對數(shù)據(jù)的處理，可對溫度信號進(jìn)行顯示，并且當(dāng)溫度超過溫度上限時進(jìn)行報警。</p><p>　　方案選擇：單片機(jī)技術(shù)較PLC技術(shù)更加成熟，在開發(fā)過程中可以利用豐富的資源和工具，且單片機(jī)系統(tǒng)價格

72、便宜、成本低，具有明顯的價格優(yōu)勢。盡管PLC系統(tǒng)具有編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但本系統(tǒng)要求精度不高，測溫范圍不寬，應(yīng)用單片機(jī)可以很容易實(shí)現(xiàn)，所以綜上所述，選擇性價比較高的方案二。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案概述</p><p>　　該系統(tǒng)硬件主要包括溫度采樣電路、鍵盤輸入電路、主控電路、報警電路、顯示電路、電源電路幾部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖2-1所示。<

73、/p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　各電路功能為：溫度采樣模塊負(fù)責(zé)對開關(guān)柜觸頭溫度信號的采集、放大和模數(shù)變換；鍵盤輸入模塊負(fù)責(zé)設(shè)定報警溫度的上限值；主控模塊負(fù)責(zé)對溫度數(shù)據(jù)的分析和處理；報警模塊負(fù)責(zé)溫度超限時的報警；顯示模塊負(fù)責(zé)對溫度信號的實(shí)時顯示；電源電路負(fù)責(zé)為各電路提供電源。</p><p>　　系統(tǒng)工作原理為：首先由置于開關(guān)觸頭上的溫度傳感

74、器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，后經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行信號的放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將信號變?yōu)閱纹瑱C(jī)可識別的數(shù)字信號，最后通過單片機(jī)對數(shù)據(jù)的處理，可對溫度信號進(jìn)行顯示，并且當(dāng)溫度超過溫度上限時進(jìn)行報警。</p><p>　　2.3 溫度采樣電路</p><p>　　溫度采樣電路包括傳感器電路、信號調(diào)理電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。電路圖如圖2-2所示。傳感器電路的作用是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化；信號調(diào)理電路的作用

75、是將電壓信號放大，放大值在0-5V范圍內(nèi)；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬的電壓信號變換成數(shù)字信號，提供給單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。</p><p>　　圖2-2 溫度采樣電路圖</p><p>　　2.3.1 傳感器的選擇</p><p>　　目前，實(shí)時的開關(guān)柜溫度檢測系統(tǒng)所采用的傳感器根據(jù)測溫原理大致分為傳統(tǒng)接觸式測溫、紅外測溫、光纖測溫三類，前一種屬接觸式測溫，后兩種屬

76、非接觸式測溫。由于非接觸式溫度傳感器價格相對較貴，并且非接觸式溫度傳感器的輸出存在非線性的問題、輸出受與被測量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響，所以在該系統(tǒng)中采用了接觸式的溫度傳感器。</p><p>　　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)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。</p><p>　　熱電阻傳

77、感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。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。</p><p>　　熱電偶是目前接觸式測溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有鉑、鉑-銠、

78、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溫范圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。</p><p>　　由于本課題的任務(wù)要求測量的范圍為-55℃～125℃，測量的分辨率為±1℃，綜合價格、性能等因素，決定采用線性度相對較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號為WZP型鉑電阻，該傳感器的測溫范圍從－200℃～＋650℃。具體的分

79、度特性表見附錄所示。</p><p>　　2.3.2 傳感器電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)中所用到的傳感器為PT100，PT100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　?。?） 測量范圍：-200℃～+850℃；</p><p>　?。?）響應(yīng)時間＜30s；</p><p>　?。?/p>

80、3）最小置入深度：熱電阻的最小置入深度≥200mm；</p><p>　?。?）允通電流≤5mA。</p><p>　　鉑熱電阻的線性較好，在0～100攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為：</p><p>　　① -200℃＜t＜0℃時， </p><p>　?、?0℃≤t≤850℃時，</p&g

81、t;<p>　　式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735?？梢奝T100在-55～125℃之間變化時線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡化為：

82、 </p><p>　　當(dāng)溫度變化1℃，PT100阻值近似變化0.39。</p><p>　　如圖2-3所示為該系統(tǒng)溫度傳感器的電路圖。</p><p>　　圖2-3 傳感器電路圖</p><p>　　其中熱電阻采用三線制接法，即將一根導(dǎo)線接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在

83、的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣便可消除導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。工業(yè)上一般都采用三線制接法。最終，可以得到由于溫度變化而引起的電壓變化，其中U的表達(dá)式為: </p><p>　　2.3.3 放大器的選擇</p><p>　　放大器的選擇

84、對提高測量可靠性和精度也十分關(guān)鍵，根據(jù)相關(guān)資料查閱，在放大器電路精選中，一般選擇具有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等特點(diǎn)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的放大器。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放， 其中AD620、AD623就是具有三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的儀用放大器，在本設(shè)計(jì)中我們根據(jù)設(shè)計(jì)要求及價格、功耗等因素最終選擇了AD620作為該系統(tǒng)的放大器。</p><p>　　2.3.4 信

85、號調(diào)理電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)中用到的放大器是儀表放大器AD620，AD620 具有以下基本特點(diǎn)：</p><p>　?。?）精確度高、使用簡單、低噪聲；</p><p>　?。?）高共模具斥比高(CMR)：100dB；</p><p>　　（3）低輸入抵補(bǔ)電壓( Input offset Voltage)：50uV；</p&g

86、t;<p>　?。?）低輸入偏移電流(Input bias current)：1.0nA；</p><p>　?。?）低功耗電流：1.3 mA。</p><p>　　AD620的引腳圖如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 AD620引腳圖</p><p>　　AD620在電路中的基本接法是在1腳與8腳之間外接一RG電

87、阻，增益為：</p><p>　　在該系統(tǒng)中，傳感器電路與信號調(diào)理電路連接圖如圖2-5所示，傳感器電路對電橋的偏差電壓對外輸出，然后進(jìn)入信號調(diào)理電路，對電壓信號進(jìn)行放大，放大至0~5V范圍內(nèi)，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里選擇R4為3K，RP1為1K，即放大倍數(shù)16時，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的精度要求和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入需要。</p><p>　　圖2-5 傳感器電路與信號調(diào)理電路連接圖<

88、/p><p>　　2.3.5 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇</p><p>　　在智能儀表中，對一般的模擬信號處理為能被計(jì)算機(jī)所接受的數(shù)字信號，無外乎以下兩種方式，要么A/D轉(zhuǎn)換，要么V/F轉(zhuǎn)換，對于在工業(yè)上對現(xiàn)場的信號需要遠(yuǎn)距離傳送的信號，我們經(jīng)常采用頻率信號傳輸，但在本設(shè)計(jì)課題，我們用最常用的A/D轉(zhuǎn)換作為我們模擬信號變換成數(shù)字信號的基本思路。</p><p>　　對于A/D

89、轉(zhuǎn)換來說，最重要的2個技術(shù)指標(biāo)是轉(zhuǎn)換的速度以及轉(zhuǎn)換的精度。由于本系統(tǒng)的分辨率指標(biāo)為1℃，而測量的溫度范圍為-55～125℃，因此采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器就足夠滿足所需的精度和測溫范圍了；對于速度，由于測量的物理量是溫度，因此一般的A/D都能滿足。因此選用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。</p><p>　　2.3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)中用到的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是ADC080

90、9，ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。它是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，是目前國內(nèi)最廣泛的8 位通用的A/D轉(zhuǎn)換的芯片。</p><p>　　① ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。 </p><p>　　圖2-6 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)</p><p&

91、gt;　　由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　② ADC0809引腳結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。</p><p>　　圖2

92、-7 ADC0809引腳結(jié)構(gòu)</p><p>　　IN0－IN7：8條模擬量輸入通道 </p><p>　　ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 </p><p>　　地址輸入和控制線：4條 </p><p>　　ALE為地址

93、鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量送入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表2-1。</p><p><b>　　表2-1 通道選擇</b></p><p>　　數(shù)字量輸出及控制線：11條 </p>

94、<p>　　ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。 </p><p>　　CLK

95、為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。</p><p>　　VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。</p><p>　　該系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)連接圖如圖2-8所示，模擬量信號通過ADC0809的IN口進(jìn)入，通過D口輸出數(shù)字量信號。其中74LS74為二分頻器，將1MHz脈沖信號轉(zhuǎn)換為500KHz，提供給

96、ADC0809 使用。</p><p>　　圖2-8 A/D轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)連接圖</p><p>　　2.4 按鍵輸入電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)3個按鍵，一個功能鍵，一個增加鍵，一個減少鍵，用來設(shè)置溫度的上限值。每一個按鍵的一端都接地，另一端接單片機(jī)的I/O口，其電路圖如圖2-9所示。其中S1為功能鍵，S2為增加鍵，S3為減少鍵。</p>

97、<p>　　圖2-9 按鍵輸入電路圖</p><p>　　2.5 主控電路 </p><p>　　主控電路完成數(shù)據(jù)的分析、處理等功能，是該系統(tǒng)的核心，其主要包括單片機(jī)、看門狗電路及時序電路。</p><p>　　2.5.1 單片機(jī)電路</p><p>　　（1）單片機(jī)的選擇：</p><p>　　近十年

98、來在工業(yè)測控領(lǐng)域，國內(nèi)運(yùn)用最多的單片機(jī)恐怕是Atmel公司的AT89系列，它的標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品不僅在指令上，而且在管腳上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一代CPU8031，并在片內(nèi)存儲器、振蕩電路、功耗、軟件加密以及內(nèi)置看門狗等技術(shù)水平上均有很大程度的提高，使國內(nèi)的智能儀表行業(yè)的設(shè)計(jì)與開發(fā)者越來越感到使用和設(shè)計(jì)上的方便。根據(jù)我們學(xué)生掌握的程度，本設(shè)計(jì)最終選用ATMEL的8位單片機(jī)AT89C51作為本系統(tǒng)的CPU。</p>

99、<p>　　（2）AT89C51的介紹：</p><p>　　AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計(jì)數(shù)器，2個全雙工串行通信口。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT

100、89C51提供了高性價比的解決方案。</p><p>　　AT89C51的主要特性如下： </p><p>　　?壽命達(dá)1000寫/擦循環(huán)；</p><p>　　?數(shù)據(jù)保留時間：10年 ；</p><p>　　?全靜態(tài)工作：0Hz－24MHz ；</p><p>　　?三級程序存儲器鎖定；</p><

101、;p>　　?128×8位內(nèi)部RAM ；</p><p>　　?32可編程I/O線 ；</p><p>　　?2個16位定時器/計(jì)數(shù)器；</p><p><b>　　?6個中斷源；</b></p><p><b>　　?可編程串行通道；</b></p><p>

102、　　?低功耗閑置和掉電模式；</p><p>　　AT89C51引腳排列如圖2-10所示，引腳功能如下：</p><p>　　圖2-10 AT89C51引腳圖</p><p>　　VCC（40）：＋5V</p><p>　　GND（20）：接地</p><p>　　P0口（39－32）：P0口為8位漏極開路雙向I/O口

103、，每個引腳可吸收8個TTL門電流。 </p><p>　　P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個TTL門電流。 </p><p>　　P2口（21－28）：P2口為內(nèi)部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個TTL門電流。 </p><p>　　P3口（10－17）：P3口是8個帶有內(nèi)部上拉電

104、阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個TTL門電流，P3口也可作為AT89C51的特殊功能口。 </p><p>　　RST（9）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時，要保持RST引腳2個機(jī)器周期的高電平時間。 </p><p>　　ALE/PROG（30）：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)，在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期

105、輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6，它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的，要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過1個ALE脈沖。 </p><p>　　PSEN（29）：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機(jī)器周期2次PSEN有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這2次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。 </p><p>　　EA/VPP（31）：當(dāng)EA保持低電平

106、時，外部程序存儲器地址為（0000H－FFFFH）不管是否有內(nèi)部程序存儲器。FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 </p><p>　　XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 </p><p>　　XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出。 </p><p>　　2.5.2 看門狗電路</p>&

107、lt;p>　　工控系統(tǒng)在運(yùn)行時，通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。看門狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。在8096系列單片機(jī)和增強(qiáng)型8051系列單片機(jī)中，該系統(tǒng)已經(jīng)做在芯片內(nèi)部，用戶只要用軟件開放它就可以，使用很方便。但目前工控系統(tǒng)仍在使用廉價的普通型8051系列單片機(jī)，則看門狗電路必須由用戶自己建立。</p><

108、;p>　　X25045是美國Xicor公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片。X25045引腳如圖2-11所示。其引腳功能如下。</p><p>　　圖2-11 X25045引腳圖</p><p>　　CS

109、：片選擇輸入；SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入X25045；SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；WP：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時，寫操作被禁止；Vss：地；Vcc：電源電壓；RESET：復(fù)位輸出。X25045在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表2-2所示。</p><p>　　表2-2 指令名及指令格式

110、表</p><p>　　X25045內(nèi)含512×8的串行E2PROM，可以直接與微控制器的I/O口串行相接。X25045內(nèi)有一個位指令寄存器，該寄存器可以通過SI來訪問。數(shù)據(jù)在SCK的上升沿由時鐘同步輸入，在整個工作期內(nèi)，必須是低電平且必須是高電平。如果在看門狗定時器預(yù)置的超時時間內(nèi)沒有總線的活動，那么X25045將提供復(fù)位信號輸出。    </p><p&

111、gt;　　該系統(tǒng)中，看門狗電路與單片機(jī)連接圖如圖2-12所示，其中看門狗電路主要完成以下兩個功能：</p><p><b>　?。?）電壓監(jiān)控功能</b></p><p>　　上電時，電壓電源超過4.5V后，經(jīng)過約200ms的穩(wěn)定時間后RESET信號由高電平變?yōu)榈碗娖?。掉電時，電源電壓低于4.5V時，RESET信號立刻變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３值诫娫椿謴?fù)到穩(wěn)定為止。<

112、/p><p><b>　?。?）看門狗功能</b></p><p>　　定時器對微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。即當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時，CPU不能定時給出“喂狗”信號，看門狗將發(fā)出復(fù)位信號。它提供了三種定時時間，可編程選擇200ms，600ms和1.4s。</p><p>　　圖2-12 看門狗電路與單片機(jī)連接圖</p><p>

113、;　　系統(tǒng)上電復(fù)位時是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。電路圖復(fù)位電路如圖2-13所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。在應(yīng)用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復(fù)位。如果這些芯片復(fù)位端的復(fù)位電平的要求一致，則可以將復(fù)位信號與之相連。</p><p>　　圖2-13 復(fù)位電路</p><p>　　當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時，PC初始化為0000H，使

114、單片機(jī)從程序存儲器的0000H單元開始執(zhí)行程序。程序存儲器的0003H單元即單片機(jī)的外部中斷0的中斷處理程序的入口地址。留出的0000H～0002H 3個單元地址，僅能夠放置一條轉(zhuǎn)移指令，因此，MCS-51單片機(jī)的主程序的第一條指令通常情況下是一條轉(zhuǎn)移指令。</p><p>　　除PC之外，復(fù)位還對其他一些特殊功能的寄存器有影響，除SP=07H，P0～P3 4個鎖存器均為FFH外，其他所有的寄存器均為0，很好記憶

115、。利用它們的復(fù)位狀態(tài)，可以減少應(yīng)用程序中的初始化編程。</p><p>　　2.5.3 時序電路</p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。該系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，電路圖如圖2-14所示。</p><p>　　圖2-14 內(nèi)部時鐘電

116、路圖 </p><p>　　利用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。晶振可在1.2~12MHz之間選擇，MCS-51單片機(jī)在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，而12Hz頻率的晶體主要是在高速串行通信情況下才使用。對電容值無嚴(yán)格要求，但它的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1和C2可在20～100pF之間取值，一

117、般取30pF左右。</p><p><b>　　2.6 報警電路</b></p><p>　　報警信號通常有兩種類型：一是閃光報警，通過閃動的指示燈來提醒人們的注意；二是鳴音報警，通過發(fā)出特定的鳴音作用于人的聽覺器官，引起和加強(qiáng)警覺。</p><p>　　該系統(tǒng)中，當(dāng)檢測溫度超出預(yù)先設(shè)定的溫度限值時，將發(fā)出聲光報警。其電路圖如圖2-15所示。&

118、lt;/p><p>　　圖2-15 聲光報警電路原理圖</p><p><b>　　2.7 顯示電路</b></p><p>　　2.7.1 顯示器的選擇</p><p>　　該溫度監(jiān)測系統(tǒng)要求對溫度進(jìn)行實(shí)時的顯示，所以顯示器的選擇是必不可少的。當(dāng)前常用的有液晶顯示和數(shù)碼管顯示兩種顯示方法。液晶顯示功能強(qiáng)大，不但可以顯示數(shù)字

119、字符、德文、法文、點(diǎn)陣顯示，還可以顯示全部國標(biāo)漢字，但是也存在與單片機(jī)連接時接口電路驅(qū)動復(fù)雜；顯示亮度低，不利于觀察；編程困難；成本高等缺點(diǎn)，本系統(tǒng)只顯示數(shù)字，所以選擇了硬件電路連接簡單，造價低廉，而且亮度較高的LED數(shù)碼管。</p><p>　　2.7.2 LED顯示器的介紹</p><p>　　LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。圖2-16a為0.5英尺LED數(shù)碼管

120、的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對應(yīng)a～g筆段構(gòu)成“日”字形另一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點(diǎn)。因此這種LED顯示器稱為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管。</p><p>　　圖2-16 LED數(shù)碼管</p><p>　　LED數(shù)碼管按電路中的連接方式可以分為共陰極和共陽極兩大類，如圖2-16 b、c所示。共陽型是將各段發(fā)光二極管的正極連在一起，作為公共端COM，公共端COM接高電平，a～g、d

121、p各筆段通過限流電阻接控制端。某筆段控制端低電平時，該筆段發(fā)光，高電平時不發(fā)光。控制這幾段筆段發(fā)光，就能顯示出某個數(shù)碼或字符。共陰型是將各數(shù)碼發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，作為公共端COM接地，某筆段通過限流電阻接高電平時發(fā)光。</p><p>　　LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)其材料不同正向壓降一般為1.5～2V額定電流為10mA，最大電流為40mA。靜態(tài)顯示時取10mA為宜，動態(tài)掃描顯示可加大，加大脈沖

122、電流，但一般不超過40mA。</p><p>　　2.7.3 LED數(shù)碼管編碼方式</p><p>　　當(dāng)LED數(shù)碼管與單片機(jī)相連時，一般將LED數(shù)碼管的各筆段引腳a、b、…、g、dp按某一順序接到MCS－51型單片機(jī)某一個并行I/O口D0、D1、…、D7，當(dāng)該I/O口輸出某一特定數(shù)據(jù)時，就能使LED數(shù)碼管顯示出某個字符。C0H稱為共陽極LED數(shù)碼管顯示“0”的字段碼，不計(jì)小數(shù)點(diǎn)的字段碼稱

123、為七段碼，包括小數(shù)點(diǎn)的字段稱為八段碼。</p><p>　　LED數(shù)碼管編碼方式有多種，按小數(shù)點(diǎn)計(jì)否可分為七段碼和八段碼；按共陰共陽可分為共陰字段碼和共陽字段碼，不計(jì)小數(shù)點(diǎn)的共陰字段碼與共陽字段碼互為反碼；按a、b、…、g、dp編碼順序是高位在前，還是低位在前，又可分為順序字段碼和逆序字段碼。甚至在某些特殊情況下將a、b、…、g、dp順序打亂編碼。表2-9為共陰極和共陽極LED數(shù)碼管幾種八段編碼表。</p&

124、gt;<p>　　表2-3 共陰極和共陽極LED數(shù)碼管幾種八段編碼</p><p>　　2.7.4 LED數(shù)碼管顯示方式</p><p>　　LED數(shù)碼管顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可分為靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。</p><p>　?。?）靜態(tài)顯示方式。在靜態(tài)顯示方式下，每一位顯示器的字段需要一個8位I/O口控制，而且該I/O口須有鎖存功能，N位顯示

125、器就需要N個8位I/O口，公共端可直接接+5V（共陽）或接地（共陰）。顯示時，每一位字段碼分別從I/O控制口輸出，保持不變直至CPU刷新顯示為止。也就是各字段的亮滅狀態(tài)不變。靜態(tài)顯示方式編程較簡單，但占用I/O口線多，即軟件簡單、硬件成本高，一般適用顯示位數(shù)較少的場合。</p><p>　　（2） 動態(tài)掃描顯示方式。當(dāng)要求顯示位數(shù)較多時，為簡化電路、降低硬件成本，常采用動態(tài)掃描顯示電路。所謂動態(tài)掃描顯示電路是將顯

126、示各位的所有相同字段線連在一起，每一位的a段連在一起，b段連在一起…g段連在一起，共8段，由一個8位I/O口控制，而每一位的公共端（共陽或共陰COM）由另一個I/O口控制。這種連接方式由于將多位字段線連在一起，當(dāng)輸出字段碼時，由于多門同時選通，每一位將顯示相同的內(nèi)容。因此要顯示不同的內(nèi)容，必須采取輪流顯示的方式。即在某一瞬間時，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)（共陰極LED數(shù)碼管為低電平，共陽極為高電平），其他各位的字位線處于開斷狀態(tài)，同

127、時字段線上輸出這一位相應(yīng)要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位暗。同樣在下一瞬時，單獨(dú)顯示下一位，這樣依次輪流顯示，循環(huán)掃描。由于人的視覺滯留效應(yīng)，人們看到的是多位同時穩(wěn)定顯示。該系統(tǒng)中正是采用了這種顯示方式。該系統(tǒng)中LED數(shù)碼管顯示電路原理圖如圖2-17所示。</p><p>　　圖2-17 LED數(shù)碼管顯示電路原理圖</p><p><b>　　2.8

128、電源電路</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)中需要由電源電路提供+5V和-5V電壓，且負(fù)載額定電流約為500mA，因此在電源電路部分需將將頻率為50HZ，有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的直流電壓。電源電路圖如圖2-18所示。</p><p>　　在電源電路的整流過程中，220V的市電經(jīng)過變壓器降壓至8V。系統(tǒng)等效負(fù)載電阻約為10，即流經(jīng)整流橋堆的電流約

129、為1A，因此二極管的最大整流電流應(yīng)大于550mA,二極管最大工作反向電壓應(yīng)大于10V。</p><p>　　整流電路的輸出含有較大的交流分量，會影響負(fù)載電路的正常工作，因而不能直接作為電子電路的供電電源。為了減小交流分量的影響，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。在電源電路的慮波過程中，電容的容量關(guān)系應(yīng)滿足下式：</p><p>　　式中為負(fù)載電阻，T為電源周期。在該系統(tǒng)中，取和均為5

130、mF的點(diǎn)解電容，即可滿足要求。</p><p>　　雖然整流濾波電路能將正弦波變換成較為平滑的直流電壓，但是一方面由于電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動；另一方面由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載變化時，內(nèi)阻上的電壓將發(fā)生變化，于是輸出電壓平均值也隨之產(chǎn)生相反的變化，所以在電源電路中選用了LM7805和LM7905三端集成穩(wěn)壓器來提供恒定的電壓值。圖中電

131、容、用于抵消導(dǎo)線的電感效應(yīng)，以防電路產(chǎn)生自激振蕩，其容量較小，一般小于1uF，取0.33uF。輸出電容、一般不采用大容量的電解電容，只要接入0．1μF的電容便可改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時也具有消振作用。</p><p>　　圖2-18 電源電路圖</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　在微機(jī)測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要

132、。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實(shí)現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。</p><p>　　3.1 系統(tǒng)軟件概述</p><p>　　由于整個系統(tǒng)軟件相對比較龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)。即整個控制軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊

133、，模塊之間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，按功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、按鍵處理模塊、顯示模塊、復(fù)位模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量采集并儲存到存儲器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序；按鍵處理模塊的作用是對按鍵輸入進(jìn)行處理；顯示模塊的作用是顯示各觸點(diǎn)的溫度值；復(fù)位模塊的作用是完成電路的

134、復(fù)位。其方框圖如圖3-1所示，下面就介紹本系統(tǒng)幾個主要的程序模塊。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)軟件框圖</p><p><b>　　3.2 主程序模塊</b></p><p>　　主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架。首先，系統(tǒng)的初始化，其中包括對單片機(jī)的初始化、A／D芯片初始化；然后通過溫度傳感器、信號放

135、大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器對溫度信號進(jìn)行采集；經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可計(jì)算出當(dāng)前溫度值；然后對按鍵進(jìn)行掃描，判斷是否進(jìn)行溫度的設(shè)定。然后判斷溫度是否超過溫度上限，若超出，則進(jìn)行報警。最后，顯示當(dāng)前的溫度值。 主模塊的程序流程圖如圖3-2所示。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。</p><p>　　圖3-2 主程序模塊流程圖</p><p>　　3.3 數(shù)據(jù)采集模塊</p><p>　　

136、數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號的采集并將采集到的模擬量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量提供給單片機(jī)，然后進(jìn)行保存，準(zhǔn)備進(jìn)一步的處理。數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖如3-3所示。</p><p>　　圖3-3 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)處理模塊</p><p>　　數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對溫度信號進(jìn)行數(shù)字濾波和溫度值的計(jì)算。其流程圖如圖3-4所示。&l

137、t;/p><p>　　圖3-4 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖</p><p>　　3.4.1 數(shù)字濾波</p><p>　　模擬信號都必須經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后才能為單片機(jī)接受，如果模擬信號受到擾動影響，將使A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值。因此僅僅對模擬量采樣一次，我們是無法確定該結(jié)果是否可信的，必須經(jīng)過多次采樣，得到一個A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列，通過某種處理后，才能得到一個可信度較高的結(jié)果。這

138、種從數(shù)據(jù)序列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法。</p><p>　　數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比具有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，而且可以多個輸入通道共用一個濾波程序；</p><p>　　(2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間

139、不存在阻抗匹配等問題；</p><p>　　(3)數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改變數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，這比改變模擬濾波器的硬件要更靈活方便。</p><p>　　常用的數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、去極值平均濾波法等等，下面簡要介紹這幾種數(shù)字濾波方法。</p><p&g

140、t;　　(1)程序判斷濾波法首先要從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，定出一個目標(biāo)參數(shù)最大可能的變化范圍。每次采樣后都和上次的有效采樣值進(jìn)行比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗(yàn)值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應(yīng)視為干擾而放棄，以上次采樣值為準(zhǔn)。該算法適用于變化緩慢的物理參數(shù)的采樣過程，如濕度、液位等。</p><p>　　(2)中值濾波法對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)進(jìn)行若干次采樣，然后將這些采樣進(jìn)行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。對于變化較為劇烈的參數(shù)

141、，此濾波方法不宜采用。</p><p>　　(3)算術(shù)平均濾波法是對目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù)平均值作為有效采樣值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p>　　該算法適用于抑制隨機(jī)干擾。采樣次數(shù)越大，平滑效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度要下降。算術(shù)平均濾波不能將明顯的脈沖干擾消除，只是將其影響削弱。</p><p>　　(4)去極值平均濾波法既采用去極值法去掉明顯的脈沖干

142、擾，又可對采樣值進(jìn)行平滑處理，在高、低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它都能削弱干擾，提高數(shù)據(jù)處理能力。本系統(tǒng)就采用了去極值平均濾波法。即對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)采樣6次數(shù)據(jù)，然后對6次采樣的數(shù)據(jù)由小到大排序，分別去掉最小值和最大值，將剩余的4個數(shù)據(jù)求其算術(shù)平均值，即得到本次A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。</p><p>　　因算術(shù)平均濾波方法簡單、數(shù)據(jù)采集更加精確，濾波結(jié)果就是對單點(diǎn)溫度多次采樣的平均值，更加準(zhǔn)確的反應(yīng)了被測溫度的大小，因此，

143、本系統(tǒng)采用了算術(shù)平均濾波法。設(shè)計(jì)時，外部輸入的模擬量信號首先由傳感器送入測控器，然后進(jìn)行模擬量采集，在一次采樣間隔時間T內(nèi)，依次將各輸入量輪流接到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。為了準(zhǔn)確地反映被測信號，防止干擾，對每一路信號在20 ms內(nèi)采集5次，即采樣間隔時間T=4ms，5次采集完成后再將5次采集的數(shù)據(jù)求平均值得出此次采集的結(jié)果。</p><p>　　3.4.2 計(jì)算溫度</p><p>　　

144、由上文可知，PT100在-55～125℃之間變化時線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡化為： </p><p>　　式中，A=0.00