智能型温度测量仪二.doc

课程设计
—温度测量仪

学 院:南昌工程学院
班 级:09电气自动化技术一班
姓 名:周亲萍
学 号:2009010089
日 期:2012-02-24

智能型温度测量仪

一 设计任务与要求
⑴．功能要求
1．配合电阻温度传感器，实现温度的测量；
2．具有开机自检、自动调零功能；
3．具有克服随机误差的数字滤波功能；
4. 使用220V/50Hz交流电源，设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。
⑵．主要技术指标
1．测量温度范围：0～200℃
2．测量误差：≤1%
3．显示方式：4位LED数码管显示被测温度值。

二 总体方案论证与选择
1. 从功能要求看：在智能型温度测量仪中，采用的单片机型号以MCS—51系列居多。本课程设计系统功能并不复杂，MCS-51单片机完全可以胜任主机的角色；
2. 从测温范围看：常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等，由于电阻温度传感器测量精度高、对非温度量不敏感，且有较大的测量范围，线性度好热便于测量。因此本设计采用电阻传感器温度检测；
3.人机接口部件：由于编码式键盘的硬件结构较为复杂，本设计采用非编码式键盘，且采用按键容易识别的、一键一线式的独立式键盘；数据显示采用软件译码动态扫描显示。显示器为共阴极LED。
4. 从分辨率看，普通运放和11位以上的A/D转换器可以满足精度要求；
分辨率=0.1℃/(200-0)℃=1/2000
5. 由于温度变化缓慢，采用双积分型A/D转换器，不需要采样保持器
这样，系统组成方案的雏形已经建立。
方案1

差分放大器
单电桥测温电路
电阻温度传感器

单片机（键盘、显示器）
A/D转换器
电压放大器
滤波器

方案2
集成T/I变换器
A/D转换器
滤波器
I/U变换器

单片机（键盘、显示器）

以上两个方案的主要区别是选用的传感器不同，两种传感器都具有测量精度较高的特点。电阻温度传感器不但测量精度高，而且灵敏度高，对非温度量不敏感；集成电路温度传感器线性很好，不需要非线性校正，但测温范围较窄。本设计采用方案1。
三、总体设计流程图
温度测量仪电路设计流程图

图1温度测量仪电路设计流程图
流程图简单说明
先由电阻温度传感器传递温度信号，因为温度信号较小，因此要在电路中加入电压放大电路将信号放大，以满足测量的要求。信号经过放大之后分为两路：一路直接输入数字显示电路模块的显示信号，另一路经继电器驱动电路模块中作为电压比较器的一个输入信号。

四、各单元电路设计
1．电源设计
在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一能量来源， +5V输出电压，就需将交流220V的电压经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分。
其电路图如下所示：同时输出正、负电压的电路图。

2.测温部分
测温部分采用全桥电路，

PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)　其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度<br>因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。
3.温度检测电路模块
电阻电桥的两个输出端电压的差值（此即为Pt电阻在温度变化时导致的电阻变化所引起的电压值的改变量）可由以下公式求得。

其中，U为10V，R0为100，为Pt电阻在不同温度下的电阻值与在0℃时标称电阻的差值，并且当铂电阻传感器所处温度为零下时，差值为负值；当铂电阻传感器所处温度为零上时，差值为正值。
4.电压放大电路模块
电压放大模块采用仪用放大器

5.温度数字显示部分
5.1 ICL7107电路部分

ICL7107简介
ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路。它包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动发光二极管（LED）。
ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好地结合在一起，它有低于10μV的自动校零功能，零源小于1μV/°C，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的优点。
主要特点：
★保证零电平输入时，各量程的读值均为零。 ★很低的噪声。（小于15μVP-P ）
★1pA典型输入电流。 ★片上时钟。
★真正的差动输入和差动参考源，直接LED ★低功耗（典型值小于10mW）。
显示驱动 ★ 不需外接有源电路。
5.2 显示电路部分

5.3 键盘、显示电路设计
键盘：设置4个按键，设功能键1个，每按下1次，K1状态计数器加1，使用“+”、“-”依次逐位预置上限温度百位、十位、个位和下限温度百位、十位、个位，预置完毕后，K1状态回0，为简化键处理程序设计，预置上、下限温度范围限制为-50～+250℃，而非0～+200℃。另设预置温度查询键1个，测温时可查询预置的上、下限温度，各键功能分配见附表4-1所示。
K1～K4状态功能表
K1态
按键
2DH.4
F0
显示
操作
0
K1
0 0/1
*
测温值
关A/D中断，K1状态+1，清预置寄存器，关预置错误报警，显示“0灭灭.H”/“0灭灭.L”，
0
K2、K3

*
*
*
无效
0
K4
*
*
*
每按1次K4，依次显示“XYZ.H”→“XYZ.L”→“测温值”
1～3
K4
*
*
*
无效
1
K2
0
0
0灭灭.H
百位数字加1
1
K2
0
0
1灭灭.H
无效
1
K3
0
0
0灭灭.H
无效
1
K3
0
0
1灭灭.H
百位数字减1
1
K1
0
0
X灭灭.H
K1状态+1，显示“X0灭.H”
2
K2
0
0
0Y灭.H
Y=9时无效，Y＜9时Y+1
2
K2
0
0
1Y灭.H
Y=5时无效，Y＜5时Y+1
2
K2
0
1
-Y灭.H
Y-1，当Y-1=0时置F0=0，显示“00灭.H”
2
K3
0
0
1Y灭.H
Y≠0，Y-1；Y=0，无效
2
K3
0
0
0Y灭.H
Y≠0，Y-1；Y=0，置F0=1，显负号，Y+1
2
K3
0
1
-Y灭.H
Y=5时无效，Y≠5时Y+1
2
K1
0
*
XY灭.H
K1状态+1，显示“XY0.H”
3
K2
0
0
XYZ.H
Z=9时无效，Z＜9时Z+1
3
K2
0
1
-YZ.H
Z=0时无效，Z≥0时Z-1
3
K3
0
0
XYZ.H
Z=0时无效，Z≠0时Z-1
3
K3
0
1
-YZ.H
Z=9时无效，Z≠9时Z+1
3
K1
0
*
XYZ.H
上限变补码保存,若-49℃≤上限≤150℃,上限预置成功,2DH.4=1,K1回状态1,否则上限预置错误,开报警,显示“E4”, K1回0态,按K1重新预置。
1
K2
1
0
0灭灭.L
百位数字加1
1
K2
1
0
1灭灭.L
无效
1
K3
1
0
0灭灭.L
无效
1
K3
1
0
1灭灭.L
百位数字减1
2
K2
1
0
0Y灭.L
Y=9时无效，Y＜9时Y+1
2
K2
1
0
1Y灭.L
Y=5时无效，Y＜5时Y+1
2
K2
1
1
-Y灭.L
Y-1，当Y-1=0时置F0=0，显示“00灭.L”
2
K3
1
0
1Y灭.L
Y≠0，Y-1；Y=0，无效
2
K3
1
0
0Y灭.L
Y≠0，Y-1；Y=0，置F0=1，显负号，Y+1
2
K3
1
1
-Y灭.L
Y=5时无效，Y≠5时Y+1
2
K1
1
*
XY灭.L
K1状态+1，显示“XY0.L”
3
K2
1
0
XYZ.L
Z=9时无效，Z＜9时Z+1
3
K2
1
1
-YZ.L
Z=0时无效，Z≥0时Z-1
3
K3
1
0
XYZ.L
Z=0时无效，Z≠0时Z-1
3
K3
1
1
-YZ.L
Z=9时无效，Z≠9时Z+1
3
K1
1
*
XYZ.L
下限变补码保存，若-50℃≤下限＜上限，预置成功，2DH.4=0，开A/D中断，K1回0态。否则预置错误，开报警，显示“E5”，K1回状态0，按K1重新预置。
表中XYZ为预置的上限和下限温度值，2DH.4=0置上限温度、2DH.4=1置下限温度，F0=0预置温度为正，F0=1预置温度为负。

硬件电原理图

五、软件设计
一 时钟频率的确定
单片机时钟频率fosc：单片机的时钟频率越高，运算速度越快；但耗电量增加、抗干扰能力变差。本设计是测温系统，对测量速度要求不高也无串行通信功能，对时钟无特殊要求，初选fosc=6MHz。
A/D转换时钟频率fCP：正向积分时间应是干扰信号周期的整倍数，考虑到抗50Hz工频干扰，取正向积分时间为60 mS 则TCP=60000μS/4000=15μS ，fCP=1/TCP=1/15μS≈66.7kHz。查RC～fCP曲线得：RC=470kΩ。完成一次A/D转换所需时间T0≈16400×TCP=16400×15×10-6=0.246S，即每秒完成4次A/D转换。
三 监控程序设计
1 RAM地址分配：见RAM附表4-3所示。约定：多字节定点数存放在RAM中地址连续的单元中时，地址小的单元存放数据的高字节。
2 系统初始化参数及控制字
(P1)=0FFH，置P1口为输入口
(P2)=00H，关显示器，关报警灯和蜂鸣器
(P3)=0FFH，置P3口为输入口
RAM地址分配表
地址
用途说明
0组工作寄存器
R1、R4、R5显示器自检子程序，R0、R2 ROM、RAM自检子程序，R1、R3通道自检子程序，R0、R2、R6、R7显示子程序
1组工作寄存器
A/D转换中断服务，BCD码变二进制、二进制变BCD码、二进制数求补码子程序，双字节二进制补码比较大小子程序
2组工作寄存器
K1～K4键处理子程序，R7功能键K1状态计数器，R6查询键K4状态计数器，R4～R6预置上、下限温度计数器百位～个位，BCD码
20H～21H
存放A/D转换结果，压缩BCD码，符号存F0，变换为二进制补码
22H～23H
存放4次A/D值的和、去零漂、取平均求测温值的补码
24H～25H
保存预置温度BCD码，符号暂存F0，转换为二进制、求补码
26H～27H
存放测温值，压缩BCD码
2CH
显示字段码暂存
2FH～32H
显示缓冲区，BCD码，千位～个位
33H～34H
存放4次测零漂的和，二进制补码
35H～37H
保存预置上温度，百位～个位，BCD码，符号在35H最高位
38H～3AH
保存预置下温度，百位～个位，BCD码，符号在38H最高位
3BH～3CH
预置上限温度值，二进制补码
3DH～3EH
预置下限温度值，二进制补码
3FH～40H
允许预置的上限温度最大值，二进制补码
41H～42H
允许预置的上限温度最小值，二进制补码
43H～44H
允许预置的下限温度最小值，二进制补码
45H
中断次数计数器

46H
定时测零漂计数器
60H～7FH
堆栈
F0
暂存A/D和预置上、下限温度的符号位，“0”正/“1”负
2DH.0
2DH.0=1—ROM有故障
2DH.1
2DH.1=1—RAM有故障
2DH.2
2DH.2=1—输入通道有故障
2DH.3
2DH.3=1开机自检有故障
2DH.4
置上、下限标志，2DH.4=0置上限温度，2DH.4=1置下限温度
2DH.5
2DH.5=1，超测温上限

2DH.6
2DH.6=1，超测温下限
2DH.7
测零漂/自检、测温标志，“1”测零漂/“0”自检、测温
(SP)=5FH，堆栈底设为60H
(IP)=01H，设为高级中断
IT0=1，设外部中断0为边沿触发方式
(IE)=00H，禁止所有中断请求
(IE)=81H，仅允许中断请求
(17H)=00H，清零功能键K1状态计数器2组R7
(16H)=00H，清零查询键K4状态计数器2组R6
六、部分程序

ORG 0000H
LJMP ZCX00 ；首先运行主程序
ORG 0003H
LJMP INT00 ；中断向量
ORG 0030H ；主程序
ZCX00:MOV P2,#40H ；关报警、关显示
MOV P3,#0FFH ；P3设为输入口
MOV SP,#5FH ；设堆栈底为60H
MOV IP,#01H ；为高级中断
SETB IT0 ；为边沿触发
CLR A
MOV IE,A ；禁止所有中断请求
PUSH PSW
SET RS0
MOV R0,A ；置上限设置为初始状态
MOV R1,A ；置下限设置为初始状态
POP PSW
MOV 20H,A
MOV 21H,A

MOV 22H,A
MOV 23H,A

MOV 2DH,A ；置故障、超限等标志为初始状态

MOV 29H,A ；清零4次测零漂的和（始终为补码）
MOV 33H,A
MOV 34H,A
SETB RS1
MOV R5,A ；置A/D转换次数
MOV R7,#4 ；置定时测零漂计数器初值
CLR RS1

ACALL TDIS0 ；调显示器自检子程序
ZCX01:ACALL TROM0 ；调ROM自检子程序
ACALL TRAM0 ；调RAM自检子程序
ACALL TSRZJ ；调输入通道自检子程序
ACALL DIS00 ；调显示子程序
JB 2DH.0,ERR01 ；自检故障判断
JB 2DH.1,ERR02
JB 2DH.2,ERR03
CLR 2DH.3 ；清故障标志
CLR P2.2 ；关故障报警

SJMP ZCX02
ERR01:MOV 32H,#01H ；置个位显示“1”
SJMP ERR04
ERR02:MOV 32H,#02H ；置个位显示“2”
SJMP ERR04
ERR03:MOV 32H,#03H ；置个位显示“3”
ERR04:MOV 31H,#0EH ；置十位显示“E”
MOV 30H,#0CH ；置百位显示“熄灭”
MOV 2FH,#0CH ；置千位显示“熄灭”
SETB 2DH.3 ；置开机自检故障标志
SETB P2.2 ；开故障报警
SJMP ZCX01 ；重新自检
ZCX02:MOV SP,#5FH ；系统初始化
SETB P2.7 ；通道开关置测温状态
ZCX03:ACALL DIS00 ；调显示子程序
JNB P3.4,ZCX0A ；有键按下，转键处理
JNB P3.5,ZCX0A
JNB P3.6 ZCX0A
JNB P3.7,ZCX0A
ZCX04:JB 2DH.5,ZCX05 ；超上限，超上限报警
JB 2DH.6,ZCX06 ；超下限，超下限报警
JB 2EH.0,ZCX07 ；转A/D过载报警
CLR P2.2 ；关超限报警
SJMP ZCX03
ZCX05:MOV R5,#0AH ；显示“HHHH”
SJMP ZCX08
ZCX06:MOV R5,#0BH ；显示“LLLL”
SJMP ZCX08
ZCX07:MOV R5,#0FH ；显示“8.8.8.8.”

ZCX08:MOV R4,#4
MOV R0,2FH
ZCX09:MOV @R0,R5
INC R0
DJNZ R4,ZCX09
SETB P2.2 ；开超限报警

SJMP ZCX03
ZCX0A:ACALL KEY00
SJMP ZCX04

ORG 0100H ; 显示器自检子程序
TDIS0:MOV R4,#3 ；循环3次
TDIS1:MOV R1,#2FH ；置显缓区首址(最高位)
MOV R6,#4 ；置显缓区为全亮
TDIS2:MOV @R1,#0FH
INC R1
DJNZ R6,TDIS2
SETB P2.2 ；点亮报警灯
；打开蜂鸣器
MOV R6,#125 ；字段全亮约
TDIS3:ACALL DIS00
DJNZ R6,TDIS3
MOV R1,#2FH ；置显缓区首址
MOV R6,#4 ；置显缓区为全灭
TDIS4:MOV @R1,#0CH
INC R1
DJNZ R6,TDIS4
CLR P2.2 ；熄灭报警灯
；关闭蜂鸣器
MOV R6,#125 ；全熄灭约0.5S
TDIS5:ACALL DIS00
DJNZ R6,TDIS5
DJNZ R4,TDIS1
RET

ROM自检
清零A、B
读ROM A
清故障标志
修改指针
A异或B B
校验和 A
置故障标志
返回
最后字节？
A=B?

ROM自检程序流程图

ROM自检子程序
ORG 0160H
TROM0:MOV DPTR,#5A3AH ；为程序的结束地址
PUSH DPH ；程序的结束地址进栈
PUSH DPL
MOV DPTR,#0000H ；0000H为程序的起始地址
CLR B
TROM1:CLR A
MOVC A,@A+DPTR ；读ROM
XRL B,A ；异或运算结果存B
POP A ；结束地址低8位出栈
MOV R2,A
CJNE A,DPL,TROM3 ；当前地址低8位≠结束地址低8位，转移至TROM3
POP A ；结束地址高8位出栈
CJNE A,DPH,TROM2 ；当前地址高8位≠结束地址高8位，转移至TROM2
AJMP TROM4 ；ROM中程序代码全部读出并求异或和，转移至TROM4
TROM2:PUSH A ；结束地址高8位进栈
MOV A,R2
TROM3:PUSH A ；data1低8位进栈
INC DPTR ；当前地址加1
AJMP TROM1 ；继续异或和运算
TROM4:MOV DPTR,#5A42H ；指向校验和地址
CLR A
MOVC A,@A+DPTR ；读代码校验和
XRL A,B ；A、B相等时，(A)=0
JNZ TROM5 ；(A)≠0，ROM故障
CLR 2DH.0 ；清故障标志
RET
TROM5:SETB 2DH.0 ；置故障标志
RET

RAM自检子程序
TRAM0: MOV SP,#7FH
MOV R0,#7FH ；置初始地址指针
TRAM1: MOV @R0,#55H
MOV A,@R0
CJNE A,#55H,TRAM2
MOV @R0,#0AAH
MOV A,@R0
CJNE A,#0AAH,TRAM2
DJNZ R0,TRAM1 ；未检完，继续
CLR 2DH.1 ；清故障标志
RET
TRAM2:SETB 2DH.1 ；置故障标志
MOV SP,#5FH ；恢复栈指针
RET

RAM自检
置地址指针
写入并读出
清故障标志
写入并读出
返回
相等？
相等?
置故障标志
修改指针
检验完?

RAM自检流程图
七．总结
通过这次设计，我感觉到了这次课题设计的难度。经过多次的修改编译，和同学们的帮助终于把一个个让人头疼的错误修改正确，若没有老师与同学的帮助我想我不可能在有限的时间里完成任务。同时我也体会到了合作的快乐。通过这次设计我学到了很多，在余下的时间里我会更加努力，在以后的工作中也会珍惜每次机会。
由于本人学识和水平优先，课程设计中不妥之处和错误之处在所难免，敬请同仁与读者批评指正。

八、主要参考文献
《智能仪器原理与设计》 赵新民 哈尔滨工业大学出版社
《单片机原理与接口技术》 李朝青 北京航空航天大学出版社
《单片机原理与应用》 李建忠 西安电子科技大学出版社
《单片机应用系统设计应用》 何立民主编 北京航空航天大学出版社
《智能化仪器原理及应用》 曹建平 西安电子科技大学出版社
网址：

设计总体原理图