1、實用文檔北華大學智能儀器綜合設計實習報告題目：智能溫度測試儀的設計 專業：測控技術與儀器 班級: 姓名: 學號: 指導老師:目錄1、 概述 12、 方案設計 21 .設計任務 22 .總體方案 23 .具體方案 24 . PT100傳感器特性 35 .測溫原理33 .MK-4PC智能儀器實驗教學系統簡介 34 .硬件電路設計 51 .硬件功能分析 52 .各部分硬件設計 5五.軟件設計 81 .編程環境介紹 82 .軟件功能需求分析 103 .各部分軟件設計 11a.軟件的流程圖 11b.主程序 11六調試 217 .實習總結 218 .參考文獻 2214一、概述溫度是自然界中和人類打交道最多

2、的物理參數之一，無論是在生產實驗場所,還是在居住休閑場所，溫度的采集或控制都十分頻繁和重要，而且，網絡化遠程采集溫度并報警是現代科技發展的一個必然趨勢。由于溫度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關系，所以溫傳感器就會相應產生。傳感器主要用于測量和控制系統，它的性能好壞直接影響系統的性能。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物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達到測溫的目的。由于PT100熱電阻的溫度與阻值變化關系，人們便利用它的這一特性，發明 并生產了 PT100熱電阻溫度傳感

3、器。它是集溫度濕度采集于一體的智能傳感器。 溫度的采集范圍可以在-200 C+200C ,濕度采集范圍是0%- 100% pt100溫度 傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。主要用于工業過程溫度參數的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成： 傳感器和信 號轉換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉換器主要由測量單元、信號處 理和轉換單元組成（由于工業用熱電阻和熱電偶分度表是標準化的，因此信號轉 換器作為獨立產品時也稱為變送器），有些變送器增加了顯示單元，有些還具有 現場總線功能。此次實習我們利用SST89V564R單片機結合溫度傳感器技術而開 發設計了這一溫度測量系

4、統。二、方案設計1 .設計任務測溫的模擬電路是把當前PT100熱電阻傳感器的電阻值，轉換為容易測量的電壓值，經過放大器放大信號后送給A/D轉換器把模擬電壓轉為數字信號后傳給單片機，單片機再根據公式換算把測量得的溫度傳感器的電阻值轉換為溫度值，并將數據送出到LCD顯示器進行顯示。2 .總體方案智能溫度測量儀的設計，包括硬件和軟件的設計。先對該測量儀進行概括性介紹，然后介紹該測量儀在硬件設計上的主要器件：“Pt100熱電阻”、單片機和LCD顯示器以及描述測量儀的總體結構原理。在本設計中，是以 鋁電阻PT100作為溫度傳感器，采用恒流測溫的方法，通過單片機進行控 制，用放大器、A/D轉換器進行溫度信

5、號的采集。總體來說，該設計是切實 可行的。本設計系統包括溫度傳感器，信號放大電路，A/D轉換模塊，數據處理與控制模塊，溫度顯示五個部分。3 .具體方案本設計系統主要包括溫度信號采集單元， 單片機數據處理單元，溫度顯示單 元。其中溫度信號的數據采集單元部分包括溫度傳感器、 溫度信號的獲取電路（采 樣）、放大電路、A/D轉換電路。系統的總結構框圖如圖1-1所示。系統的總結構框圖本溫度測量系統設計，是采用PT100溫度傳感器經過放大和 A/D轉換器送到 單片機進行控制溫度顯示。另外本系統還可以通過外接電路擴展實現溫度報警功 能，從而更好的實現溫度現場的實時控制。經過多次的修改和調試測量，本設計基本符

6、合設計要求，由于受人為因素和軟硬 件的限制，系統難免不了帶來一些誤差，但通過調節和精確計算可以減小誤差。4 . PT100傳感器特性電阻式溫度傳感器（RTD, Resistance Temperature Detector） 是指一種物 質材料作成的電阻，它會隨溫度的改變而改變電阻值。PT100溫度傳感器是一種以鋁（Pt）做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數， 由于它的電阻一溫度關系的線性度非常好， 因此在測量較小范圍內其電阻和溫度 變化的關系式如下：R=Ro（1+a T）其中a =0.00392, Ro為100。（在0c的電阻值）,T為華氏溫度，因此鋁做成的電 阻式溫度傳感器，又稱為PT1

7、00PT100溫度傳感器的測量范圍廣：-200C+600C,偏差小，響應時間短，還具 有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點，具得到了廣泛的應用，本設計 即采用PT100作為溫度傳感器。5 .測溫原理通過運放U1A將基準電壓4.096V轉換為恒流源，電流流過 Pt100時在其上 產生壓降，再通過運放U1B將該微弱壓降信號放大（圖中放大倍數為 10）,即輸 出期望的電壓信號，該信號可直接連 AD轉換芯片。智能儀器實驗開發平臺集中了單雙極性輸入通道、程控放大、模擬濾波、16位A/D轉換及CPLDK術和單片機技術,并具有超過128KB的大存儲空間，集中 體現了智能儀器課程所涉及到的各種軟硬件技術

8、，非常適合大學本科生的學習以及在此基礎上的進一步開發。三.MK-4PC智能儀器實驗教學系統簡介智能儀器實驗開發平臺采用模塊化設計，整個平臺設有一個母板，該母板具有四個相同規格的擴展部分，每個擴展部分設四個插口，每個插口對應的分別為 單片機的PR P1、P2、P3 口，如圖1所示。設計時將單片機作為控制部分的核 心，因此單片機板獨立占用其中一個擴展， 顯示部分采用液晶模塊完成，該部分還設有四個按鍵作為組合按鍵使用。第三個部分為基于CPLD勺16位數據采集部 分，設有兩個獨立輸入通道，每個通道可設置為單極性輸入或雙極性輸入，具有程控放大、模擬濾波等功能，CPLD空制A/D轉換器完成數據的采集工作，

9、數據 采集的采樣頻率可設置為10KHz 20KHz500KHz,采樣點數可以根據要求設 置。平臺的最后一個擴展部分為空，留給平臺的使用者做擴展使用，根據要求自 己獨立設計該部分的電路。圖1俯視尺寸規格圖（單位：毫米）除平臺能夠獨立完成各項實驗項目外，為實現對采集的數據進行圖形化顯示, 該平臺還可以通過標準的RS-232接口與PC機連接，通過PC機的顯示器將數據 波形顯示出來，同時還可以利用該串行接口對單片機進行仿真或傳輸控制參數使 其工作在設定模式下。整個功能框圖如圖 2所示。四.硬件電路設計1 .硬件功能分析圖5液晶顯示器電路圖電 I h k L_hr Ja- -4 s.- nbaDINn-

10、 rt£手-千王FD keet圖4硬件部分電路圖后面有CPLDR單片機，單片機控制液晶顯示部分30 ¥ EE.pmqjqajzm御 :必 HWE IME'WU；DtwonW5CLI Dmnc niDHi回 M：2 .各部分硬件設計對于熱電阻的測量電路我們可以采用二線式的測量電路等。而對于我們此次 實習則選擇利用恒流源模擬此測量部分。二線式圖如下：圖6二線式圖信號取回后需要進行信號的調理，信號調理電路圖如下:圖7信號調理電路圖右下角OP07起偏置作用。調節電位器 Rpotl可調節偏置。上圖的差分放大電路的輸出連接至程控放大電路的輸入。電路圖如下:-5VT3VW3VUD

11、VL2UVH?VWIVW，VL1VLJVHIVH3A0AIA2VCCSCLVSSSDAU71。12Zii1It|1才496 ,:1/" i '卜14SCLSDA程控放大器的輸出信號進入電平抬高電路。如下:兩個二極管起鉗位作用。這個電路是求差電路。電平抬高電路的輸出進入程控濾波電路。如下圖:LKI 湖1luFW+OUTK-%GNDRxV- DIV'CLK.+ EHIUF = 用到的程控濾波芯片為LTC1569-7, FCLKQ CPLD生的萬波信號，用來控 制濾波器截止頻率。若要控制濾波器截止頻率為 1kHz, CPLDg產生32k的方波 信號給FCLK0程控濾波電品&

12、amp;之后接入A/D轉換器。圖如下：KA1 WA： 支四rtBL TSB1REFA REtBREF BZfGSOAVDD ACt© A<M)DVDO D'DD DGMJ DGDOVDD OGW幸 EDCS加DItv it”"耶 DWiVSCLl iMhXT.'WTDS NWNCDAINTS門流口： ?T)r3QNDSSDWTDt> 5CLKD1C S13CDll UDEJUtOR312 如OHD13EOCTVTMIMPULSEPDRESETUi ILSWAF bUtlKq ai> no I&ADD111 AD LT ad'

13、dj11 AD WTr- e n-15 ADD<.it AD 山隼_如二QUW q$訕圖11 AD轉換電路圖U20 為AD780它是基準電壓芯片。A/D轉換器是AD7655它是一款16位的A/D,它的數據口 D0-D74空制端口 BUSYCNVSTIMPULSEBYTESWAP接至 CPLD 單片機通過往CPLD控制字來控制A/D的采樣率。單片機部分的電路圖如下:RAM高地址力 573候存138 A138 B138 CMAX3485的方向控制0123456701234567 * J d- . H E «- w V- B- - rv OIQOOO O0O 11 111111 pp

14、pppppppppppppp.(>-z¥.4F.6b.&->.a-.1F2.3F4j i: ; J; J : J !;£ 7is_>aP2.P2-P2-降P2.P2.P2.*/P3.隈P3.P3P3./P3.VSVDP2.0-P27 CPLD高8付地班線P2.0F23液用控制線P24-P27 口依薦制線J1J2CPLD前單片機發中廝信號USB芯片中斷信號CPL 口片詵SST&9V564RD圖12單片機部分電路圖五.軟件設計1 .編程環境介紹單片機軟件開發采用目前比較通用的Keil51開發軟件完成，該軟件有很多詳細的應用文檔，在此不再贅述。如

15、果不使用硬件仿真器，多數通用單片機都無 法實現在線仿真功能，而本實驗平臺所用單片機SST89V564RDT以實現在線仿真 以及程序下載功能，兩者皆可以通過 PC機的標準RS-232串口與Keil51軟件通 信實現，其連接示意圖如下圖，本節主要介紹如何在現有Keil51軟件基礎上實現上述功能。針對在線仿真功能，SST公司為方便用戶使用單片機調試程序而開 發了調試工具 SoftICE （Software In Circuit Emulator ,在電路軟件模擬）， 該調試工具可實現下述功能：下載INTEL HEX文件在線調試及設置斷點，支持匯編語言和C51語言反匯編代碼區到8051助記符讀寫代碼/

16、數據存儲器、FSR特殊功能寄存器及PORTS口IAP （In Application Programming ,應用中再編程）功能 軟件重啟動圖6計算機與實驗平臺連接示意圖對于我們本次實習的單片機SST89V564RD我們用keil C51編程環境進行 程序的編寫。keil C51軟件是眾多單片機應用開發的優秀軟件之一。它集編輯、 編譯、仿真于一體，支持匯編、PLM語言和C語言的程序設計。界面友好，易學 易用。對于下載的軟件我們可以直接用 keil C51下載。同時我們也可以在SST 軟件的下載頁面中下載。而且這兩種下載方式都需要程序生成.HEX文件。如下圖所示：干岡SS7 EasyliPlI

17、F Boot-Strap Loader (Ft: vl.IF)圖13而應用SoftICE調試工具進行程序在線仿真調試的過程是這樣的：(1)利用SSTBoot-Strap Loader軟件將SoftICE直接下載到單片機中，重 新上電復位后，單片機中的SoftICE便可以與Keil51軟件通信以進行仿真調試， 下載界面如下(2)在Keil51軟件上選擇使用的單片機型號 SST89V564RD(3)在Keil51軟件的Project下拉菜單中選擇“ Options for Target'Monitor51 '”；(4)在 Options for Target 'Monito

18、r51 '窗口的 Debug欄中選擇 “ UseKeil Monitor-51 Driver ”，由于每次RESET!標板時用戶代碼區會被擦除，如果用戶 程序需要在開始時下載到目標板，要勾上“ Load Application at Startup ”；(5)點擊Settings項，彈出Target Setup窗口進行配置，可以選擇 PC機 與目標板通信的串行接口及波特率，如果需要顯示存儲器的實時窗口，請不要選 Cache Options ,注意，如果選擇了的中斷向量 3Serial Interrupt 去Stop Program Exacution , SoftICE將修改在位置00

19、23H個字節，要確保用戶程序未 占用這些地址；(6)開始調試，此時可以根據Keil51軟件的Debug進行程序調試。通過View 下拉菜單的部分選項可以觀察及修改特殊功能寄存器及數據存儲器等的內容。2 .軟件功能需求分析單片機軟件開發采用目前比較通用的Keil51開發軟件完成。如果不使用硬件仿真器，多數通用單片機都無法實現在線仿真功能，兩者皆可以通過PC機的標準RS-232串口與Keil51軟件通信實現。針對在線仿真功能，SST公司為方便 用戶使用單片機調試程序而開發了調試工具SoftICE (Software In CircuitEmulator ,在電路軟件模擬)。該調試工具可實現下述功能

20、：(1)下載INTEL HEX文件；(2)在線調試及設置斷點，支持匯編語言和C51語言；(3)反匯編代碼區到8051助記符；(4)讀寫代碼/數據存儲器、FSRW殊功能寄存器及PORTED;(5) IAP (In Application Programming ,應用中再編程)功能；(6)軟件重啟動。利用該調試工具我們可以很方便的用計算機對MK-4PC智能儀器實驗開發平臺進行各項試驗及實習。3.各部分軟件設計a.軟件的流程圖圖1系統總流程圖圖2溫度轉換程序流程圖3顯示流程圖圖4主函數流程圖b.主程序ADS784猾區動程序#include <iom64v.h>#include <

21、macros.h>#include "delay.h"#include "ads7841.h"#include "LCD1602.h”/ADS7841控制字節#define control_byte 0b10011000/bit val description/bit7 1 start,包為1/bit6,5,4 001選擇CH0為+IN/bit4/bit2外部MOD接GND該位無作用，包為12位/bit1,000轉換期間ADE掉電模式選擇為單端輸入void port_init(void)PORTA = 0xFF;/將所有端口初始化為輸入，

22、打開上拉DDRA = 0x00;PORTB = 0xFF;DDRB = 0x00;PORTC = 0xFF;DDRC = 0x00;PORTD = 0xFF;DDRD = 0x00;PORTE = 0xFF;DDRE = 0x00;PORTF = 0xFF;DDRF = 0x00;PORTG = 0xFF;DDRG = 0x00;void main() unsigned int result;unsigned cha門,array4,table尸'0123456789”;port_init();/端口 初始化LCD1602_init();/1602液晶初始化ads7841_init()

23、;/ADS7841初始化LCD_write_string(0x80,"result:");while(1)啟動ADS7841即拉低CS發送控制字,并得到轉換數據屏蔽掉高四位停止ADS7841即拉高CS以下均為顯示部分ads7841_start();/delay_nus(10);result=ads7841_W_R(control_byte); /result&=0b0000111111111111;/delay_nus(10);ads7841_finish();/for(i=0;i<4;i+)/arrayi=result%10;/esult/=10;for(i

24、=0;i<4;i+)LCD_write_onechar(0x87+i,tablearray3-i);delay_nms(300);#ifndef _ads7841_h#define _ads7841_hdefine DCLK PD0#define DCLK_ddr DDRD#define DCLK_port PORTD#define DCLK_pin PIND#define CSPD1#define CS_ddr DDRD#define CS_port PORTD#define CS_pin PIND#define DINPD2#define DIN_ddr DDRD#define DI

25、N_port PORTD#define DIN_pin PIND#define BUSY PD3#define BUSY_ddr DDRD#define BUSY_port PORTD#define BUSY_pin PIND#define DOUT PD4#define DOUT_ddr DDRD#define DOUT_port PORTD#define DOUT_pin PIND啟運 ADS7841停止 ADS7841define ads7841_start() CS_port&=(1<<CS) /#define ads7841_finish() CS_port|=(

26、1<<CS) / void ads7841_init(void);15unsigned int ads7841_W_R(unsigned char byte);#endif#include <iom64v.h>#include <macros.h>#include "delay.h"#include "ads7841.h"/* * 函數名稱：ads7841_init()* *函數功能：初始化 ADS784端口* *備 注：無*/20void ads7841_init(void)DCLK_port&=(1<

27、<DCLK);/時鐘端初始化為輸出低電平DCLK_ddr|=(1<<DCLK);CS_port|=(1<<CS);/片選端初始化為輸出高電平CS_ddr|=(1<<CS);/即不選中ADS7841DIN_port&=(1<<DIN); /DIN_ddr|=(1<<DIN);BUSY_port|=(1<<BUSY);/BUSY_ddr&=(1<<BUSY);DOUT_port|=(1<<DOUT);/DOUT_ddr&=(1<<DOUT);數據輸入端初始化為輸

28、出低電平忙信號初始化為輸入，打開上拉數據輸出初始化為輸入，打開上拉* * 函數名稱：ads7841_W_R* *函數功能：向ADS7841寫入控制字節，讀出轉換好的數* * 輸入參數：unsigned char byte :控制字節unsigned int result: AD轉換好的數* *備 注：數據從高位到低位寫入，從高位到低位讀出 */unsigned int ads7841_W_R(unsigned char byte)unsigned cha門,temp;unsigned int result=0;for(i=0;i<8;i+)/8位數據計數DCLK_port&=(1

29、<<DCLK); / 拉低時鐘端if(byte&0x80) / 當前位是否是1DIN_port|=(1<<DIN); /當前位是1,拉高數據端elseDIN_port&=(1<<DIN); / 當前位是0,拉低數據端delay_nus(10); /調整時鐘和脈沖寬度DCLK_port|=(1<<DCLK); /時鐘上升沿delay_nus(10);byte<<=1;/數據左移1位，為送出新數據位做準備delay_nus(10);DCLK_port&=(1<<DCLK); / 拉低時鐘端delay_n

30、us(10);i=BUSY_pin;/讀 BUSY勺狀態delay_nus(10);if(i&(1<<BUSY)/如果為高則說明轉換完成，應將其讀出/ 以下先讀出高八位for(i=1;i<=8;i+)result<<=1; /保存讀入的數據位DCLK_port|=(1<<DCLK); /時鐘上升沿delay_nus(10);DCLK_port&=(1<<DCLK); /拉低時鐘端elay_nus(10);if(DOUT_pin&(1<<DOUT) result|=0x01; else result&

31、;=0xfe;/以下讀出低四位for(i=1;i<=4;i+)temp<<=1;/保存讀入的數據位DCLK_port|=(1<<DCLK); / delay_nus(10);DCLK_port&=(1<<DCLK); / delay_nus(10);if(DOUT_pin&(1<<DOUT) temp|=0x01; else temp&=0xfe; for(i=1;i<=4;i+)/DCLK_port|=(1<<DCLK); / delay_nus(10);/DCLK_port&=(1<

32、;<DCLK); / delay_nus(10);/result=(result<<4)+temp; /時鐘上升沿拉低時鐘端再給ADS7841四個時鐘時鐘上升沿調整時鐘和脈沖寬度拉低時鐘端調整時鐘和脈沖寬度將結果合成，返回/ 先送Y地址再送X地址恢復為基本指令集顯示開啟子程序 設置為基本指令集顯示關閉子程序設置為基本指令集繪圖區域顯示開啟子程序恢復為基本指令集繪圖區域顯示關閉子程序恢復為基本指令集return result;LCD驅動程序lcdwc(GYPOS&0x1以0x80);if(GYPOS>=32)/lcdwc(GXPOS/16+8)|0x80);els

33、elcdwc(GXPOS/16)|0x80);lcdwc(0x30);/void lcdon(void)/LCD lcdwc(0x30);/lcdwc(0x0c);void lcdoff(void)/LCD lcdwc(0x30);/lcdwc(0x08);void lcdgraphon(void)/ lcdwc(0x36);lcdwc(0x30);/void lcdgraphoff(void)/ lcdwc(0x34);lcdwc(0x30);/向液晶顯示控制器寫數據片選使能SYNCODE=0F8H,RW=0,RS=1,D0=0transbyte(d&0xf0);/transbyte(d&0x0f)<<4); /CSPIN=0;/void lcdwc(unsigned char c) /CSPIN=1;/transbyte(0xf8);送高四位數據，低四位補