基于單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

目錄

摘    要

Abstract

第1章 緒論

  1.1引言

  1.2國內(nèi)外狀況和發(fā)展趨勢

  1.3 國內(nèi)外數(shù)字直流調(diào)速檢測方法

第2章 兩種典型溫度傳感器的探討

  2.1電流傳感器簡介

  2.2電流傳感原理

  2.3電流傳感閉合回路的總熱電動勢

  2.4數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的信號采集部分構(gòu)成設(shè)計

2.4.1直流電類型的選擇

2.4.2補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇

2.4.3數(shù)字直流的冷端補(bǔ)償

  2.5 AD590集成數(shù)字直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)的探討

2.5.1  AD590數(shù)字直流調(diào)度傳感器測速原理

2.5.2  AD590數(shù)字直流調(diào)度電路的設(shè)計與分析

2.5.3  電流型AD590在控制方面的應(yīng)用

第3章  基于單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計

  3.1系統(tǒng)總體設(shè)計

  3.2單片機(jī)介紹

  3.3信號輸入部分設(shè)計

3.3.1信號輸入部分總體設(shè)計

3.3.2 芯片選用及電路連接

  3.4單片機(jī)及其擴(kuò)展I/O口的設(shè)計

3.4.1地址鎖存器

3.4.2程序存儲器擴(kuò)展

3.4.3數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展

3.4.4可編程并行I/0接口器件的擴(kuò)展

  3.5鍵盤、顯示器的設(shè)計

3.5.1鍵盤

3.5.2顯示器

  3.6模擬信號輸出部分設(shè)計

3.6.1信號輸出部分的總體設(shè)計

3.6.2芯片的選擇

  3.7 基于單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)

第4章 結(jié)論與展望

  4.1結(jié)論

  4.2展望

參考文獻(xiàn)

致    謝

電流是一個基本的物理量，它是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍，最重要的工藝參數(shù)。它與多種工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗等指標(biāo)都有直接的關(guān)系，因此電流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的位置。而實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)電流的準(zhǔn)確測量并非是一件簡單的事情，它與長度，質(zhì)量等其他物理量的測定不同。無論采用準(zhǔn)確度怎樣高的溫度計，如果溫度計選擇不當(dāng)，或者測量方法不適宜，或者測量環(huán)境不合適，都不能得到所希望的測量結(jié)果。鋼水的溫度測量就更加困難。鋼水溫度之高，檢測環(huán)境之惡劣使鋼水溫度測量成為煉鋼工業(yè)中的一個難題。本課題就是針對鋼水測溫，并結(jié)合實(shí)際的測溫環(huán)境，從特種測溫傳感器的設(shè)計到多功能智能化溫度檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計出發(fā)，研究鋼水測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以8031單片機(jī)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的溫度檢測元件一熱電偶相結(jié)合的溫度測量系統(tǒng)。實(shí)際系統(tǒng)采用抗干擾、低零漂、低溫漂的電子元件，性能穩(wěn)定。該系統(tǒng)總體特點(diǎn)是使用簡便、實(shí)用、測量穩(wěn)定可靠、測溫范圍大、使用對象廣。

本文主要介紹了鋼水溫度的測量，包括溫度傳感器、單片機(jī)接口，大體分為以下幾大部分:

(1) 介紹了國內(nèi)外電流檢測技術(shù)和特種測溫(鋼水溫度檢測)的發(fā)展?fàn)顩r，并且分析了溫度檢測技術(shù)的未來發(fā)展方向。

(2) 根據(jù)實(shí)際測量要求制定出一次儀表(電流傳感器)的選擇、使用和安裝方案并且解決了熱電偶測量過程中存在的冷端溫度不為零攝氏度的傳統(tǒng)問題 。

(3) 根據(jù)實(shí)際使用要求設(shè)計了相應(yīng)的單片機(jī)硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多路量,數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理、溫度值的在線顯示、測量數(shù)據(jù)的打印。

電流是一個基本的物理量，它是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍，最重要的工藝參數(shù)。它與多種工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量，質(zhì)量和能耗等指標(biāo)都有直接的關(guān)系，因此溫度測量在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的位置。而實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測量并非是一件簡單的事情，它與長度，質(zhì)量等其他物理量的測定不同。無論采用準(zhǔn)確度怎樣高的溫度計，如果溫度計選擇不當(dāng)，或者測量方法不適宜，或者測量環(huán)境不合適，都不能得到所希望的測量結(jié)果。鋼水的溫度測量就更加困難。鋼水溫度之高，檢測環(huán)境之惡劣使鋼水溫度測量成為煉鋼工業(yè)中的一個難題。本課題就是針對數(shù)字直流調(diào)速，并結(jié)合實(shí)際環(huán)境，進(jìn)行基于單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究。

隨著工業(yè)的日益發(fā)展，數(shù)字直流調(diào)速檢測技術(shù)也在不斷進(jìn)步。近年來，在數(shù)字直流調(diào)速檢測領(lǐng)域內(nèi)，除了原有的檢測原理和技術(shù)〔如:物體熱脹冷縮原理，熱電效應(yīng)技術(shù)，熱輻射原理等)外，多種新的檢測原理與技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用也取得了實(shí)用性的重大進(jìn)展。涌現(xiàn)出新一代溫度檢測元件。主要包括:

(1)晶體管溫度檢測元件

(2)集成電路溫度檢測元件

(3)核磁共振溫度檢測器

(4)熱噪聲溫度檢測器

(5)石英晶體溫度檢測器

(6)光纖溫度檢測器

(7)激光溫度檢測器

(8)微波溫度檢測器

(9)紅外測溫儀

總的說來,隨著工業(yè)生產(chǎn)率的不斷提高，自動化水平與范圍也不斷擴(kuò)大,對溫度檢測的要求也愈來愈高。目前，在這方面的動向和趨勢是朝著擴(kuò)展監(jiān)測范圍(由一200- 3000℃向超高溫、超低溫發(fā)展)、擴(kuò)大測量對象(由點(diǎn)測到線、面、體的

測量，從工業(yè)到環(huán)境保護(hù)、實(shí)用電器、汽車工業(yè)及航空航天),發(fā)展新型產(chǎn)品、適應(yīng)特殊環(huán)境的測溫、顯示數(shù)字化、標(biāo)定自動化等發(fā)展.

據(jù)了解,目前對電流調(diào)速的測量主要是用間斷法和連續(xù)法來間隔或者連續(xù)監(jiān)測鋼水溫度。在方式上同其他領(lǐng)域的溫度測量一樣，也主要采用接觸式和非接觸式兩種方式。

(1) 間斷法電流調(diào)速測量

據(jù)調(diào)研國內(nèi)外大多數(shù)鋼鐵企業(yè)采用一次性消耗式熱電偶間斷測量鋼水溫度。

常用的間斷數(shù)字直流調(diào)速方法主要有以下幾種:

(a) 侵入式電流調(diào)速

該方法被各國普遍使用。根據(jù)被測對象的不同，其結(jié)構(gòu)也有差異，但其基本結(jié)構(gòu)是把熱電偶裝在一根較長的鋼管中，熱電偶的測量端要焊接或絞接起來，熱電極用瓷柱或鋼玉管絕緣，未能經(jīng)受鋼水及爐渣的高溫浸蝕，鋼管的前端套有石墨管。在保證測量準(zhǔn)確度和不損壞槍體的情況下，應(yīng)力求輕便，依據(jù)測量范圍可選用下列不同的測溫元件。

(b) 快速數(shù)字直流調(diào)速

(2) 連續(xù)法數(shù)字直流調(diào)速

以上所述的是間斷測量數(shù)字直流調(diào)速，但近幾年來，隨著連鑄和爐外精煉技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界各國開始致力于鋼水的連續(xù)測溫。只有連續(xù)測溫才能及時反映爐內(nèi)冶煉過程的溫度變化，彌補(bǔ)間斷測溫的不足。但目前還沒有一項(xiàng)成熟的技術(shù)能做到這一點(diǎn)，鋼水連續(xù)測溫一直是PA待解決的重大研究課題之一。國內(nèi)外該項(xiàng)研究主要集中在改進(jìn)熱電偶保護(hù)套管材質(zhì)上，近二、三十年來，金屬陶瓷材料得到了迅猛的發(fā)展，它的優(yōu)異性能使其在各種技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別在冶金高溫領(lǐng)域，金屬陶瓷材料的耐高溫、耐侵蝕和抗震性能引起冶金工作者的注意。采用耐高抗渣的金屬陶瓷保護(hù)套管，然后浸入鋼水中測量溫度己被證實(shí)是可行的。關(guān)于鋼水連續(xù)測溫，以前只在帶有等離子加熱調(diào)溫裝置的連鑄中間包試用，尚未普及。工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:新研制的溫度傳感器和上插安裝方式用于中間包連續(xù)測溫是可行的;連續(xù)測溫精度與傳統(tǒng)的點(diǎn)測方式相比，只要二者插入位置相同，偏差2℃以內(nèi)。目前，世界上僅少數(shù)國家實(shí)現(xiàn)了鋼水連續(xù)測溫，較成功的有日本、比利時等國家，且鋼水連續(xù)測溫費(fèi)用高，日本產(chǎn)傳感器的價格每只約合人民幣2萬元。連續(xù)測溫傳感器的價格過高，無論國內(nèi)還是國外的鋼鐵廠都難以承受，1996年以后基本上處于停頓狀態(tài)。因此，測溫今后的主攻方向是降低傳感器的成本，提高實(shí)用性。

目前,鋼水測溫主要采用熱電偶加保護(hù)管的方法進(jìn)行監(jiān)測溫度1974年我國研制出Mo-MgO金屬陶瓷熱電偶保護(hù)管，1975年在鞍山鋼鐵公司150t轉(zhuǎn)爐上用更換套管法，兩次突破全爐役鋼水連續(xù)測溫。據(jù)資料表明我國轉(zhuǎn)爐鋼水連續(xù)測溫技術(shù)己經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，但是沒有普及。各國主要用于鋼水連續(xù)測溫的熱電偶保護(hù)管如表1.1所示。

據(jù)我們所查到的有關(guān)資料可以知道，鋼水連續(xù)測溫技術(shù)尚為成型。鋼水測溫環(huán)境惡劣，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)測溫，必須解決在特定環(huán)境下溫度傳感器的保護(hù)這一技術(shù)難題。

表 1. 1 鋼水測溫用熱電偶常用保護(hù)管

the common protect pipe of therrnocole used in continuously measuring

of molten steel's temperature

根據(jù)調(diào)研,目前我國數(shù)字直流調(diào)速測量多采用快速單片機(jī)間斷測量，即所謂的點(diǎn)測方法。同點(diǎn)測相比，連續(xù)測溫有許多優(yōu)點(diǎn):提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制命中率;提高爐齡;減少鐵合金消耗量;能提供必要的工藝參數(shù)。.

電流是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與電流密切相關(guān)。電流傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查，1990年，電流傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

按照調(diào)度傳感器輸出信號的模式，可大致劃分為三大類：數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸出調(diào)度傳感器、模擬式調(diào)度傳感器。

  一、模擬數(shù)字直流調(diào)速傳感器

  傳統(tǒng)的模擬數(shù)字直流調(diào)速傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線補(bǔ)償；熱慣性大，響應(yīng)時間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且它還將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實(shí)際尺寸小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。這里主要介紹該類器件的幾個典型。

  1、AD590數(shù)字直流調(diào)速傳感器

  AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型數(shù)字直流調(diào)速傳感器，供電電壓范圍為3～30V，輸出電流223μA（-50℃）～423μA（+150℃），靈敏度為1μA/℃。當(dāng)在電路中串接采樣電阻R時，R兩端的電壓可作為喻出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達(dá)到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達(dá)20MΩ，所以它不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點(diǎn)溫度測量和遠(yuǎn)距離溫度測量的控制。

  2、LM135/235/335數(shù)字直流調(diào)速傳感器

  LM135/235/335系列是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳感器，工作特性類似于齊納穩(wěn)壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K，具有小于1Ω的動態(tài)阻抗，工作電流范圍從400μA到5mA，精度為1℃，LM135的溫度范圍為-55℃～+150℃，LM235的溫度范圍為-40℃～+125℃，LM335為-40℃～+100℃。封裝形式有TO-46、TO-92、SO-8。該系列器件廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫差測量以及溫度補(bǔ)償系統(tǒng)中。

  二、邏輯輸出型數(shù)字直流調(diào)速傳感器

  在許多應(yīng)用中，我們并不需要嚴(yán)格測量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動或關(guān)閉風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設(shè)備，此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

  1、LM56數(shù)字直流調(diào)速開關(guān)

  LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓數(shù)字直流調(diào)速開關(guān)，內(nèi)置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶50μA的負(fù)載。  電源電壓從2.7～10V，工作電流最大230μA，內(nèi)置傳感器的靈敏度為6.2mV/℃，傳感器輸出電壓為6.2mV/℃×T+395mV。

  2、MAX6501/02/03/04數(shù)字直流調(diào)速監(jiān)控開關(guān)

  MAX6501/02/03/04是具有邏輯輸出和SOT-23封裝的數(shù)字直流調(diào)速監(jiān)視器件開關(guān)，它的設(shè)計非常簡單：用戶選擇一種接近于自己需要的控制的數(shù)字直流調(diào)速門限（由廠方預(yù)設(shè)在-45℃到+115℃，預(yù)設(shè)值間隔為10℃）。直接將其接入電路即可使用，無需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503為漏極開路低電平報警輸出，MAX6502/MAX6504為推/拉式高電平報警輸出，MAX6501/MAX6503提供數(shù)字直流調(diào)速預(yù)置門限（35℃到+115℃），當(dāng)溫度高于預(yù)置門限時報警；MAX6502/MAX6504提供冷溫度預(yù)置門限（-45℃到+15℃），當(dāng)溫度低于預(yù)置門限時報警。 對于需要一個簡單的溫度超限報警而又空間有限的應(yīng)用如筆記本電腦、蜂窩移動電話等應(yīng)用來說是非常理想的，該器件的典型溫度誤差是±0.5℃，最大±4℃，滯回溫度可通過引腳選擇為2℃或10℃，以避免溫度接近門限值時輸出不穩(wěn)定。這類器件的工作電壓范圍為2.7V到5.5V，典型工作電流30μA。

  三、數(shù)字式數(shù)字直流調(diào)速傳感器

  1、MAX6575/76/77 數(shù)字直流調(diào)速傳感器

  如果采用數(shù)字式接口的溫度傳感器，上述設(shè)計問題將得到簡化。同樣，當(dāng)A/D和微處理器的I/O管腳短缺時，采用時間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測量問題。以MAX6575/76/77系列SOT-23封裝的溫度傳感器為例，這類器件可通過單線和微處理器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的傳送，提供三種靈活的輸出方式--頻率、周期或定時，并具備±0.8℃的典型精度，一條線最多允許掛接8個傳感器，150μA典型電源電流和2.7V到5.5V的寬電源電壓范圍及-45℃到+125℃的溫度范圍。它輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期，采用6腳SOT-23封裝，僅占很小的板面。該器件通過一條I/O與微處理器相連，利用微處理器內(nèi)部的計數(shù)器測出周期后就可計算出溫度。

  2、可多點(diǎn)檢測、直接輸出數(shù)字量的數(shù)字直流調(diào)速傳感器DS1612

  DS1612是美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS數(shù)字直流調(diào)速傳感器。內(nèi)含兩個不揮發(fā)性存儲器，可以在存儲器中任意的設(shè)定上限和下限溫度值進(jìn)行恒溫器的溫度控制，由于這些存儲器具有不揮發(fā)性，因此一次定入后，即使不用CPU也仍然可以獨(dú)立使用。

數(shù)字直流調(diào)速檢測有許多方法，但考慮到實(shí)際應(yīng)用于高溫測量，同時要將溫度信號轉(zhuǎn)變成電信號來處理，因此采用熱電偶來作為檢測系統(tǒng)的一次儀表。熱電偶結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格便宜、準(zhǔn)確度高、測溫范圍廣，目前己經(jīng)在許多場合有所應(yīng)用。因此，本文中主要討論數(shù)字直流和AD590的詳細(xì)情況.

數(shù)字直流調(diào)速是數(shù)字直流調(diào)速的敏感元件,它是一種將數(shù)字直流調(diào)速轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器。它的測溫原理是基于1821年賽貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象。兩種不同的物體A和B連接在一起，構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)1和2的溫度不同時(見圖2.1)，如T>To，在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，此種現(xiàn)象為熱電效應(yīng)。該熱電動勢就是著名的“賽貝克溫差電動勢”，簡稱“熱電動勢”.記為導(dǎo)體A, B稱為熱電極。接點(diǎn)1通常是焊接在一起的，測量時將它于測溫場所感受被測溫度，故稱為測量端。接點(diǎn)2要求溫度恒定，稱為參考端.熱電偶就是通過測量熱電動勢來實(shí)現(xiàn)溫度測量的.

直流電產(chǎn)生的熱電動勢實(shí)際上是由接觸電勢和溫差電勢所組成。接觸電動勢是由于兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體接觸時產(chǎn)生的電勢，而溫差電勢則是對同一導(dǎo)體當(dāng)其兩端溫度不同時產(chǎn)生的電勢。在圖2.1所示的閉合回路中，兩個接觸點(diǎn)有兩個接觸電勢與(To)，又因?yàn)門>To，在導(dǎo)體A和B中還各有一個溫差電勢。因此閉合回路總電動勢應(yīng)為接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和，即:

         (2.1)

各接點(diǎn)的分熱電勢。等于相應(yīng)的接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和

            (2.2)

式中，為湯姆遜系數(shù)，它表示溫差為10C(或1K)時所產(chǎn)生的電動勢值，它的大小與材料性質(zhì)及兩端溫度有關(guān)。

在總電動勢中，接觸電勢較溫差電勢大得多，因此，它的極性也就取決于接觸電勢的極性。當(dāng)T>T。時與總熱電動勢的方向一致，而與總電動勢方向相反。所以總熱電動勢可表示成如下形式

            (2.3)

由此可見，熱電偶回路的總熱電動勢等于各接點(diǎn)分電動勢的代數(shù)和

                            (2.4)

對于己選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度恒定時，為常數(shù)C，則總電動勢就變成測量端溫度T的單值函數(shù)

                     (2.5)

上式表明，當(dāng)恒定不便時，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢只隨測量端溫度變化而變化，即一定的熱電動勢對應(yīng)著一定的溫度。在熱電偶分度表中，參考端溫度均為0℃以，測量熱電動勢的辦法能夠測溫，這就是熱電偶測溫的基本原理。

電流作為被測物理量，必須經(jīng)過數(shù)字直流電元件檢測。由于采用的不是現(xiàn)成的測溫儀表，因此首先應(yīng)將溫度轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的信號。在此選擇熱電偶來完成溫度向電壓信號的轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)采集部分由直流電來完成。作為電流調(diào)速的一次儀表，對它的選擇將直接影響檢測精度。熱電偶包括標(biāo)準(zhǔn)化、非標(biāo)準(zhǔn)化以及非金屬熱電偶，由于本數(shù)字直流檢測系統(tǒng)主要用于金屬液體、加熱爐的溫度測量，大多數(shù)為高溫環(huán)境，因此在選擇熱電偶時，電流偶的使用范圍、使用氣氛尤其重要。

本儀器本著通用性出發(fā)，設(shè)計時考慮到儀器應(yīng)適合多種熱電偶測量，這樣能大大提高儀器使用范圍，用戶可根據(jù)不同的測溫范圍選擇相應(yīng)的熱電偶。

本系統(tǒng)采用4種熱電偶，分別是:烏徠3一烏徠25熱電偶，鉑鍺30一鉑鍺6(雙 鉑鍺)熱電偶，鉑鍺13一鉑熱電偶，鎳鉻一鎳硅熱電偶。各種熱電偶的使用溫度限制如表2.11，用戶可以根據(jù)實(shí)際測量溫度范圍選擇合適的熱電偶，以便滿足使用要求又不浪費(fèi)。

• 2.4.1.1烏徠3一烏徠25數(shù)字直流調(diào)速偶
  

烏徠3一烏徠25熱電偶是非標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字直流調(diào)速偶，目前由于生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，國產(chǎn)的該種熱電偶的熱電極絲均勻性很好，互換性很強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一分度，并與國際一致。該熱電偶的特點(diǎn)是:熱電極絲熔點(diǎn)高(3300℃ ),蒸汽壓低，極易氧化;在非氧化氣氛中化學(xué)穩(wěn)定性好;熱電動勢大，靈敏度高，價格便宜。烏徠3一烏鋅25熱電偶的電極絲直徑通常為0.2～-0.5mm,精度為1%t，也可達(dá)0.5 %t或更高。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，可根據(jù)實(shí)際要求的精度選擇不同精度的本系列熱電偶。

烏徠3－烏徠25熱電偶溫度上限很高，最高使用溫度達(dá)到2800℃ ，而且穩(wěn)定性好。烏徠熱電偶極易氧化，適于在惰性或干燥氫氣中使用，或用致密的保護(hù)管使之與氧隔絕才能使用。煉鋼過程中的鋼水溫度高達(dá)1700℃左右，為了能夠連續(xù)測量高溫，必須采用能夠耐高溫的熱電偶，烏徠熱電偶長期使用的測量溫度上限是2000℃短期使用時測量上限可達(dá)2800℃但在高于2300℃度時數(shù)據(jù)分散，因此最好在2000℃以下使用。根據(jù)該熱電偶的特性以及實(shí)際使用和安裝情況，選用該種熱電偶進(jìn)行鋼水溫度檢測。它在2000℃時對應(yīng)的輸出電壓是35.707mV.

• 2.4. 1.2鉑銘30一鉑鍺6熱電偶
  

該種數(shù)字直流調(diào)速偶是一種典型的高溫數(shù)字直流調(diào)速偶，分度號為B。它的正極為含鍺30%的鉑鍺合金(BP)，負(fù)極為含鍺6%的鉑鍺合金(BN)。兩級均為鉑姥合金，故稱雙鉑鍺熱電偶。該種熱電偶的特點(diǎn)是，在室溫下電動勢極小(25℃時為一21iV, 50℃時為3uV)，故在測量時可不用補(bǔ)償導(dǎo)線，可忽略參考端溫度變化的影響。它的長期使用溫度為1600℃短期使用溫度為1800℃鉑鍺6合金的熔點(diǎn)為1820℃，限制其使用上限。雙鉑鍺熱電偶的熱電動勢率較小，因此，需配用靈敏度較高的顯示儀表。該熱電偶在最高溫度時的輸出電壓為13.814mVo

• 2.4.1.3鉑鍺13一鉑數(shù)字直流調(diào)速偶
  

該數(shù)字直流調(diào)速偶正極為鉑銘合金(RP)，負(fù)極為純鉑(RN)。熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中使用。它的熱電動勢率較大，準(zhǔn)確等級很高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)，它的使用溫度范圍廣、均質(zhì)性及互換性好。該熱電偶常用于高溫測量，長期使用溫度為1400℃。該熱電偶最高使用溫度為1600℃，對應(yīng)的輸出電壓為18.842mV.

• 2.4.1.4鎳鉻一鎳硅數(shù)字直流調(diào)速偶
  

該數(shù)字直流調(diào)速偶正極為含鉻10%的鎳鉻合金，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金(KN),是K型熱電偶，它的特點(diǎn)是使用溫度范圍寬，高溫下性能穩(wěn)定，熱電動勢與溫度的關(guān)系近似線性，價格便宜。該熱電偶可在氧化性及惰性氣氛中連續(xù)使用，常期使用溫度是100℃短期使用溫度為1200℃經(jīng)過選擇后優(yōu)質(zhì)K型熱電偶可以作為標(biāo)準(zhǔn)，用以分度工作用鎳鉻一鎳硅等賤金屬熱電偶。該熱電偶是賤金屬熱電偶，價格便宜，在同一測溫場所中,可多安裝幾只熱電偶，利用其靈敏度高和熱電特性近似線性的特點(diǎn)，達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。該熱電偶的最高使用溫度是1300℃，對應(yīng)的輸出電壓是52.398mV.

在一定溫度范圍內(nèi)，與所用數(shù)字直流調(diào)速偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。若與所配用的熱電偶正確連接，其作用是將熱電偶的參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方。通過使用補(bǔ)償導(dǎo)線，可以改善熱電偶測溫線路的機(jī)械與物理性能，同時降低測量線路的成本。

• 2.4.2.1補(bǔ)償導(dǎo)線的原理
  

由數(shù)字直流調(diào)速偶測溫原理可知，圖2.2所示的(a)回路的總電動勢為

                      (2.6)  

而(b)回路的總熱電動勢為

               (2.7)

因此，能滿足式(2.7)要求的連接導(dǎo)線，就能起到補(bǔ)償導(dǎo)線的作用。

• 2.4.2.2補(bǔ)償導(dǎo)線的型號與分類
  

對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字直流調(diào)速偶來說,據(jù)數(shù)字直流調(diào)速偶補(bǔ)償導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)(GB4989-4990-85)，其型號可分為SC, KC, KX, EX, JX, TX, NX，其中型號頭一個字母與配用熱電偶的分度號相對應(yīng)。字母“X”表示延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線。字母“C”表示補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線。其中延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線是指能滿足式(2.7)的條件，又能使式(2.8)成立。即其材質(zhì)與所配用熱電偶的熱電極化學(xué)成分相同。補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線是指能滿足式(2. 7)的條件，不能滿足式(2.8)的條件，即其材質(zhì)與所配用熱電偶的熱電極化學(xué)成分不同，它只能在一定溫度范圍內(nèi)與熱龜偶的熱電性能一致。

A=A′        B=B′                           (2.8)

非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字直流調(diào)速偶一烏鋅系列熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線，目前列于我國專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBN05002-88)中，其型號分為G型和H型。

• 2.4.2.3補(bǔ)償導(dǎo)線的使用原則
  

補(bǔ)償導(dǎo)線的選用遵循以下原則

(1)各補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶匹配使用。

(2)補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)的溫度,得超過規(guī)定的使用溫度范圍，通常接點(diǎn)溫度在100℃以下，耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線可達(dá)200℃對延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線不應(yīng)嚴(yán)格限制)。

(3)由于補(bǔ)償導(dǎo)線與電極材料并不完全相同(延伸型除外)，所以,接點(diǎn)處兩接點(diǎn)溫度必須相同,則會引入誤差。

(4)在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時，切勿將極性接反。

• 2.4.4.4使用補(bǔ)償導(dǎo)線后的修正
  

現(xiàn)舉例說明使用補(bǔ)償導(dǎo)線后，實(shí)際的溫度計算。采用K型熱電偶測溫時，電

爐的實(shí)際溫度t=1000℃ ，儀表的環(huán)境溫度t= 20℃，熱電偶參考端溫度= 500℃,如果熱電偶與儀表之間采用補(bǔ)償導(dǎo)線和銅線連結(jié)，其計算結(jié)果如下。

先由K型數(shù)字直流調(diào)速偶分度表查得=41.269mV,E ,p=2.022mV,E2O=0.798mVo當(dāng)采用補(bǔ)償導(dǎo)線連接時，根據(jù)中間溫度定則，其顯示儀表所指示的熱電動勢應(yīng)為測量端與補(bǔ)償導(dǎo)線自由端熱電動勢之差為

=41.269-0.798=40.471mV(相當(dāng)于980℃)          (2.9)

當(dāng)采用銅線連接時，根據(jù)中間金屬定則，實(shí)際測出的熱電動勢為

=41.269-2.022=39.247mV (相當(dāng)于948℃)        (2.10)

由該例可以看出使用補(bǔ)償導(dǎo)線可以大大提高測量準(zhǔn)確性。

2.4.3.1 數(shù)字直流參考端溫度的影響

由數(shù)字直流測溫原理可知熱電偶的輸出電壓是

                            (2.11)

    即，數(shù)字直流調(diào)速偶因溫度變化產(chǎn)生的熱電動勢是測量端溫度與參考端溫度的函數(shù)差，而不是溫度差的函數(shù)。那么，當(dāng)參考端溫度恒定時，熱電動勢就變成測量端溫度的單值函數(shù)。我們經(jīng)常使用的數(shù)字直流調(diào)速偶分度表及顯示儀表，都是以熱電偶參考端為0℃作先決條件的。因此，在使用時必須保證這一條件，否則就不能直接應(yīng)用熱電偶分度表。如果參考端溫度是變化的，引入的測量誤差也是變量。由此可見，參考溫度的變化將直接影響測量準(zhǔn)確度。但在實(shí)際測溫時，因熱電偶的長度受到被測介質(zhì)與環(huán)境穩(wěn)度的影響，不僅其參考端溫度難以保持O℃，而且往往是波動的，無法進(jìn)行參考端溫度的修正。因此，要把變化很大的參考端溫度所帶來的誤差通過采取一定措施予以補(bǔ)償。

2.4.3.2 數(shù)字直流冷端補(bǔ)償電路的設(shè)計

由上一節(jié)我們知道，在一定溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線熱電性能與熱電偶基本一

致。它的作用只是把參考端移至離熱源較遠(yuǎn)或環(huán)境溫度恒定的地方，但不能消除

參考端不為零度的影響，因此必須進(jìn)行冷端補(bǔ)償。熱電偶冷端(參考端)通常放在室內(nèi)為室溫，則需要對查表得到的溫度進(jìn)行冷端補(bǔ)償，具體做法是采用AD590集成溫度傳感器測量室溫.

AD590是絕對溫度/電流變換器。這種器件以電流作為輸出量指示溫度，其典

型的電流溫度靈敏度是1A/K。它是兩端器件，使用非常方便。作為一種高阻電流源，對于它不需要考慮傳輸線上電壓信號損失和噪聲的干擾問題，因此特別適合作遠(yuǎn)距離測量或控制應(yīng)用。出于同樣理由，AD590也特別適合用于多點(diǎn)測溫系統(tǒng)，而不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換開關(guān)所引入的附加電阻造成的誤差。由于采用獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)，并利用最新的薄膜電阻激光微調(diào)技術(shù)作最后的標(biāo)定，具有很高精度

當(dāng)AD590兩端加+4V30V電壓時，呈現(xiàn)高阻抗，其輸出溫度與絕對溫度成正比，能夠保證在298.2K (25℃)時輸出的電流為298.2uA，是一個線性溫度恒流源。冷端溫度測量放大電路如圖2.3所示。圖中，在AD590后采用一般運(yùn)放構(gòu)成增益為1的緩沖器(跟隨器)，以提高輸出帶負(fù)載能力，其輸出經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端。單片機(jī)測得冷端溫度后，加上查表所得溫度即為熱電偶測得的實(shí)際溫度值。

圖2.3 冷端溫度測量放大電路

Figure2.3 Measure magnify circuit of cold end temperature

目前,常用成品的電流型集成溫度傳感器并不如電壓型的多，最具代表的是AD590集成溫度傳感器。AD590集成溫度傳感器的測溫范圍在－55-+150℃之間，溫度系數(shù)為1A /℃，并具有相當(dāng)于絕對零度時輸出電量為零的特性。該傳感器屬于電流型，其輸入量為溫度，輸出為電流，體積很小，且具有互換性好、線性度好、信號可長線傳輸、抗電壓干擾能力強(qiáng)、長期穩(wěn)定性高、配用電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而已成為工業(yè)應(yīng)用中測溫范圍在－55℃— +150℃的首選溫度傳感器。

某些結(jié)型半導(dǎo)體器件，例如二極管和三極管對溫度呈現(xiàn)出敏感性，因而可用作溫度敏感元件，因此可以利用這個特性，從它的輸出電量的大小直接換算，而得到絕對溫度值。AD590便是根據(jù)此原理制造的一種半導(dǎo)體集成溫度傳感器。電流型溫度傳感器，由于輸出的是電流，傳輸線的電阻及接觸電阻不會引起誤差，因此適合長線傳輸，但要采用屏蔽線，以防干擾。

圖2-4為AD590型集成溫度傳感器的封裝圖及內(nèi)部原理圖。AD590只適用于直流電源工作，不需要進(jìn)行線性補(bǔ)償，接口也很簡單。其基本的工作原理是利用電路能產(chǎn)生一個與絕對電流成正比的電流輸出，而作為絕對溫度與電流的轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)溫度一電流的轉(zhuǎn)換。

AD590的內(nèi)部電路圖中,R,的阻值為R，的四倍，它們倆的作用是控制流過T,-T;晶體管的總電流與晶體管的電流之比為4:1克服了因管集電極電位與其他PNP管集電極電位不同而引起的誤差。的作用是將由產(chǎn)生的與絕對溫度成正比的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流，并對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。的作用一方面是與對稱以平衡的集電極電壓，減小管基區(qū)調(diào)制效應(yīng)引起的誤差。另一方面，又起電源極性保護(hù)作用，防止電源極性接反而燒壞內(nèi)部器件。        

AD590在出廠之前，須對T,,T6在25℃時進(jìn)行激光微調(diào)，讓其輸出溫度表為NA/K。而實(shí)際上是達(dá)不到的，因此，根據(jù)校正誤差的不同AD590又分為1, J, K, L, M幾檔，而AD5901的校正誤差就達(dá)100℃在應(yīng)用時，若不進(jìn)行補(bǔ)償，對測量的精度將產(chǎn)生較大影響。     

圖2.4  AD590的內(nèi)部封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

有關(guān)AD590的測溫電路在參考文獻(xiàn)[2]中都有介紹，其具體電路如圖2.5所示。由于AD590的輸出是與絕對溫度(K)成正比的，其在0℃時輸出電流273.2uA，為了使AD590的輸出與攝氏溫度(℃)成比例關(guān)系，電路中用一支穩(wěn)壓管2WD7C經(jīng)R1電阻限流后，提供273.2uA的抵消電流,與AD590在0℃ (273.2K)時輸出的電流相抵消。上的反饋電阻R2用來將lA/℃的電流調(diào)整到4mV/℃，使AD590在0-100℃的測量范圍內(nèi)的輸出電壓在0-4V之間變化。   

由圖2-10可得,, I、，分別為

圖2.5  AD590電路測溫原理圖

                                                      (2.12)

I=k(t+273.16)                           (2.13)

                             (2.14)

其中k為溫度系數(shù)，1UA/℃.

根據(jù)電路原理，可得

-I+ + =0                              (2.15)

將(2-12)、(2-13). (2-14)分別代入(2-15)，可得:

                             (2.16)

則電壓輸出為:

                              (2.17)

若取273.16-=0. 則上式轉(zhuǎn)化為:

                                                (2.18)

則由可知,與t成線性關(guān)系.

下圖是AD590型傳感器用于數(shù)字直流調(diào)速內(nèi)部恒溫控制的實(shí)際應(yīng)用電路。

圖中右側(cè)的電路為可變脈寬調(diào)制器，以形成無開關(guān)控制的平滑響應(yīng)。AD590的輸出電流在反相運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與基準(zhǔn)電流比較，為濾波器，將電流作加法運(yùn)算，放大誤差信號，根據(jù)溫度值，調(diào)節(jié)脈沖寬度驅(qū)動加熱器。為了獲得最穩(wěn)定的動態(tài)響應(yīng)，將AD590用硅脂粘貼在加熱器上。由于AD590電流輸出型傳感器與溫度的比例關(guān)系為1A/K,可調(diào)整芯片上的薄膜溫度，使溫度為298.2K(25℃),輸出電流為298.2A.這樣就可以很方便的控制電爐溫度.

圖3.7  用電流型AD590溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)

儀器總體原理框圖如圖3.1所示。

    整個儀器除感溫元件外，主要由隔離放大電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、鍵盤顯示電路、打印機(jī)以及上位PC機(jī)組成。感溫元件檢測溫度后，將溫度信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，由于溫度測量元件的輸出電壓非常小，因11}必須經(jīng)過放大后才能被準(zhǔn)確測量。電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

本設(shè)計選用8031單片機(jī)，這種型號的單片機(jī)是Intel公司1980年推出MCS-51系列的8位高檔機(jī)之一，其內(nèi)部資源分配如下:八位CPU，尋址能力64KB: 128字節(jié)RAM; 4個八位I/0接口電路;一個串行全雙工異步接口;5個中斷源和兩個16位定時/計數(shù)器。其中，4個I/O端口用于傳送數(shù)據(jù)/地址。由于每個端口的結(jié)構(gòu)各不相同，因此它們在功能和用途上差別頗大，下面對I/0并行口進(jìn)行說明:

   A) PO口:PO口是一個漏極開路的8位雙向UO端口，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載.共有8條引腳，有兩種不同功能。第一種是8031不帶片外存儲器，PO口可 以 作 為通用帕口使用，用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)。這時，輸出數(shù)據(jù) 可 以得 到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性;第二種是8031帶片外存儲器，PO口在CPU訪問片外存儲器時先用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù) 。在本設(shè)計系統(tǒng)中由于功能需要，對存儲器、I/O接口電路等均進(jìn)行了擴(kuò)展,共擴(kuò)展了48K存儲器，屬于第二種情況。

B) P1口:P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向1/0端口，在P1口作為輸入口使用時，應(yīng)先向P1口鎖存器(地址90H)寫入全1，此時P1口引腳由內(nèi)部上拉高電平。當(dāng)P1口作為通用1/0口使用時，P1.7--PLO的功能和PO口的第一功能相同，也用于傳輸用戶的輸入或輸出數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，P1口沒有使用,可用于以后的功能擴(kuò)展。

C) P2口:P2口也是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8為準(zhǔn)雙向I/0端口。P2口的每一位能驅(qū)動( 吸收或輸出電流)4個LS型TTL負(fù)載。它也有兩種功能。第一功能是可以作為通用Vo口使用;第二功能是和PO口第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但不能象PO口那樣傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù).本設(shè)計中，P2口的高六位作為片選地址線，接兩片地址譯碼器74LS138的A,B,C引腳。

D) P3口:是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向v0端口，第一功能和P0, P1,P2的第一功能相同，第二功能作為控制用，每個引腳功能各不相同，如表3.1所示

熱電偶輸出的是模擬電壓信號，首先經(jīng)過隔離放大器將輸入與輸出進(jìn)行隔離，然后通過放大電路將微弱的電信號放大為與A/D所匹配的輸入電壓。由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號，故需對這些信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號。該部分主要由一片隔離放大器ISO100、一片單片集成測量放大器AD521來實(shí)現(xiàn)隔離和放大;采用1片8選1的模擬開關(guān)CD4051將輸入信號和冷端補(bǔ)償信號引入;采用一片AD1674將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號送入數(shù)據(jù)存儲器。輸入部分模塊如圖

3.2所示。

1)隔離放大器

在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓或其它電磁干擾損壞測

量回路，通常在輸入通道采用隔離技術(shù)。實(shí)現(xiàn)隔離的一種很有用的器件是隔離放

大器隔離放大器是輸入邊和輸出邊間電絕緣的放大器。隔離放大器分為兩類:一類是電磁禍合隔離放大器，也稱為變壓器禍合隔離放大器;另一類是光電禍合隔離放大器。一般地講，變壓器禍合隔離放大器有比光電禍合隔離放大器更高的精度(可達(dá)0.01%)，但速度比光電禍合隔離放大器慢。

本設(shè)計中選用ISO100進(jìn)行隔離，它是一種小型廉價的光電隔離放大器。其內(nèi)部通過LED發(fā)光激勵，光電管接收傳輸，t實(shí)現(xiàn)輸入和輸出間的電隔離。隔離電壓高達(dá)750V。在240V/50HZ時，輸出、輸入回路的漏電流小于0.3A。ISO100基本上是一種單位增益電流放大器，由于輸入回路和輸出回路間通過光電禍合傳送信號，因而具有高壓隔離性能。它既可以工作在單極性模式，也可工作在雙極性模式:既可工作于輸出電流模式，也可工作在輸出電壓模式。該隔離放大器的特點(diǎn)是體積小、失調(diào)電壓低、漂移小、頻帶寬、漏電流小和價格低。在測溫電 路中，ISO100的接法如圖3.3。該電路采用雙極性工作方式，整個電源由722隔離電源提供。熱電偶的測量溫度變化時，熱電偶能給出mV級的電壓信號，為了保證雙極性時的線性狀態(tài)，必須通過輸入電阻R4將電壓信號轉(zhuǎn)為士1OuA的電流信號。在輸出端可得到與溫度成正比的電壓信號.

由于要求輸入電流在0 范圍內(nèi)，因此必須正確選擇電阻R4。本設(shè)計中采用四種熱電偶，各種熱電偶輸出電壓范圍不同.因此必須以最大的輸出電壓為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。由前面可知鎳鉻一鎳硅熱電偶的電壓輸出最大約為53mV。因此

可以求得R4的電阻值為；

             (3.1)

在此選取R4為6K.

(2)測量放大器

熱電偶的輸出電壓經(jīng)過ISO100隔離放大(單增益)后，將輸出電壓送給測量放大器進(jìn)行放大，以便放大后的輸出電壓和A/D轉(zhuǎn)換器的量程相匹配。

測量放大器的輸入阻抗高，易于與各種信號源相匹配。它的輸入失調(diào)電壓、

輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，時間漂移小，因而穩(wěn)定性好。它的共模抑制比

大，適用于在大的共模電壓背景下對微小差模信號的放大。它是一種高性能的放

大器，常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、流量計量、生物測量以及其它有較大共模干擾

下的本質(zhì)上是直流緩變的微弱差模信號放大051

本設(shè)計中選用AD521，它是美國AD公司生產(chǎn)的第二代單片集成精密儀表放大器。AD521的特性參數(shù)如下；

A)放大倍數(shù)，可調(diào)范圍為0.1～1000.

B)溫度穩(wěn)定性為(3 0.05G)PPM/℃

C)失調(diào)電壓為0.5mV.

D)差模輸入電阻為3X.

E)共模輸入電壓為6X.

F)溫漂系數(shù)為1.5V/℃.

它的實(shí)際接法如圖3.4所示, AD521的輸出為；

                (3.2)

式中輸入差模信號為。改變和Ｒg就可以改變放大器的放大倍

數(shù)。選用 =100K可以得到穩(wěn)定的放大特性，放大器的倍數(shù)在0－1000之間可調(diào).使用AD521時，要特別注意為偏置電流提供回路。為此，輸入(引腳1和引腳3)端必須與電源的地線相連構(gòu)成回路.

3) 測量放大器電阻Ra的選取

由圖3.3可知，測量放大器的輸出將送給A/D轉(zhuǎn)換器AD1674，為了保證測量準(zhǔn)確度，必須使輸出電壓和A/D轉(zhuǎn)換器的量程相匹配。在本設(shè)計中，允許采用四種熱電偶作為溫度測量元件，各種熱電偶的輸出電壓范圍不同，因此必須對各種熱電偶匹配不同的放大倍數(shù)，使它們將各自輸出的微弱電壓信號經(jīng)過不同放大倍數(shù)的放大后都能達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程。由AD521的連接圖可知，該設(shè)計中采用單極性模擬量輸入，滿量程為OV～＋I(xiàn)OV ，因此各熱電偶測得的溫度值轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號后，經(jīng)過AD521放大后都要達(dá)到10V .下面針對各種不同的熱電偶進(jìn)行放大倍數(shù)和Re,值的選取。

• 鉑鍺30一鉑鍺6(雙鉑鍺)熱電偶
  

該熱電偶在0～1820℃的溫度范圍內(nèi)的輸出電壓為0～13.841mV，若經(jīng)過隔離放大后要達(dá)到0～1OV，則放大倍數(shù)應(yīng)為:

                     (3.3)

由此可得:

                                   (3.4)

(B)鉑鍺13－鉑熱電偶

該熱電偶在0-1760℃的溫度范圍內(nèi)的輸出電壓為0～21.006mV，若經(jīng)過隔

離放大后要達(dá)到0～I(xiàn)OV，則放大倍數(shù)為:

                 (3.5)

由此可得：

　　　　　　                           (3.6)

4) 模擬開關(guān)

在該設(shè)計中熱電偶的冷端補(bǔ)償和顯示系統(tǒng)處于同一溫度下，為了實(shí)現(xiàn)熱電偶

的冷端補(bǔ)償，就必須測量出所處環(huán)境的溫度。在此采用AD590作為環(huán)境溫度的檢測元件，其輸出同樣是模擬信號，因此也必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為了降低成本，可以和熱電偶的輸出電壓信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，因此就要用到多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩路信號的選擇。選用的CD4051是單片集成的CMOS8通道模擬多路開關(guān)，它有三個輸入端A,B,C和一個禁止端INH。從ABC輸入的信號用來選擇8個通道中的一個。INH=1時，通道斷開，禁止模擬量輸入;當(dāng)INH=O時，通道接通，允許模擬量輸入。其主要參數(shù):① 導(dǎo)通電阻RON典型值為400 ;② 輸入電容C,=7.5PF;③ 導(dǎo)通電阻路差△RON=10;④ 平均延遲時間320ms

5)A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

本設(shè)計中選用的AD1674是AD574/AD674的換代產(chǎn)品，完全兼容AD574/AD674芯片的引腳、應(yīng)用特性及諸方面的功能。AD1674主要有如下特點(diǎn),

(A)12位逐次逼近式ADC，轉(zhuǎn)換速度僅為lob，適合在高精度快速采樣系統(tǒng)中使用。

(B)其內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時鐘、參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，使用方便，可

與微機(jī)直接接口。

(C)輸入模擬電壓既可以是單極性也可以是雙極性。單極性輸入時為0～

+1OV;雙極性輸入時為土5V或10V .

(D)該芯片自帶采樣保持器，可直接與被轉(zhuǎn)換的模擬信號相連，而且性能價

格比高。

該芯片共有6根控制線: 為片選線，低電平有效，接至譯碼器的輸出線

;CB為片選使用線,高電平有效，由8031的和與非之后控制;為讀出/轉(zhuǎn)換控制線.若使為為0，則啟動本芯片工作，若為1，則本芯片處于允許讀寫數(shù)字量狀態(tài)，將其與8031的取反后相連;A0和12/這兩條控制線決定進(jìn)行12位還是8位A/D轉(zhuǎn)換，將AO與地址線相連，12/直接接地;控制線STS為轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出線，STS為高電平時表示A/D處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，為低電平時表示轉(zhuǎn)換完成，將其接至8031P1口的. CPU根據(jù)確定A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)，電路連接圖如圖3.7所示。

在本設(shè)計中,AD1674連接成單極性輸入電路，輸入電壓為=OV～10V .輸出數(shù)字量為無符號二進(jìn)制碼，計算公式為；

　　　　　　　    　D=4096/                           (3.7)

式中，為輸入模擬電壓; 為滿量程輸入電壓，在此設(shè)計中=1OV 。系統(tǒng)的分辨率為:

                                     (3.8)

單片機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成為一片8031外接兩片74LS138譯碼器、兩片程序存儲器芯片27256和27128、兩片數(shù)據(jù)存儲器芯片62256和62128。其中27256和27128用于擴(kuò)展48KROM. 62256和62128用于擴(kuò)展48KRAM，分別用來存放程序、表格和數(shù)據(jù)。圖3.6中兩片74LS138譯碼器分別用于擴(kuò)展片選線和線選線，74LS373用于數(shù)據(jù)鎖存。下面介紹芯片選用及電路連接。

由于8031單片機(jī)的PO口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時，必須用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。74LS373

是帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器，將它的鎖存控制端G直接與8031的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。采用74LS373作鎖存器的地址總線擴(kuò)展電路如圖3.6所示。由8031單片機(jī)時序分析可知，有效地址信號是在ALE(地址鎖存允許)信號變高的同時出現(xiàn)的，并在ALE由高變低時，將出現(xiàn)在PO口的地址信號鎖存到外部地址鎖存器中，直到下一次ALE變高時，地址才發(fā)生變化。

由于本課題是通過測量熱電偶的熱電動勢后，將所得電動勢同己知的熱電偶

分度表對照求得被測溫度，因此首先必須將已知的溫度分度表存儲起來，以供單

片機(jī)進(jìn)行查詢。這些數(shù)據(jù)是不可改變的，將其存儲在程序存儲器中。在本系統(tǒng)中，

采用四種熱電偶，因此要存儲的表格占有大量的存儲空間，因此擴(kuò)展48K程序存

儲器，用于存儲程序和固定不變的數(shù)據(jù)。

27256是32K8位EPROM器件，它有15根地址線A14-AO輸入，能區(qū)分15位二進(jìn)制地址信息，種狀態(tài)，即存在32768個存儲單元。這15根地址線分別與8031的PO口和P2.0～P2.6連接，當(dāng)8031發(fā)出15位地址信息時，可分別選中27256片內(nèi)32K字節(jié)存儲器中任一單元。同理，27128內(nèi)有=16384個存儲單元，地址線分別與8031的PO口和P2.0～P2.5聯(lián)接。

27256和 27128的20引腳為片選信號輸入端，低電平有效，圖中27256與，、、通過與非門及一個非門控制27256;，通過與非門74LSOO及一個非門控制27128控制該芯片是否工作。與74LS138引腳的連接決定27256和27128共48K字節(jié)存儲器在整個8031擴(kuò)展程序存儲器64KB空間中的位置。根據(jù)上述電路的接法，27256占有的擴(kuò)展程序存儲器直空間為OOOOH-7FFFH,27128占有的空間為8000H -BFFFH。控制線用于控制程序存儲器處于正常工作狀態(tài)還是編程/校驗(yàn)狀態(tài)，將其與+5V電源相連，使其始終處于正常工作狀態(tài);控制線與8031的片外ROM選通線相連，用于控制輸出，當(dāng)輸入一個TTL高電平時，數(shù)據(jù)線處

3.7 8031存儲器擴(kuò)展電路圖

Figure 3.6 Circuit diagram of 8031 memory

于高阻狀態(tài)，若輸入TTL低電平時處于讀出狀態(tài)027256和27128的端由8031的PSEN引腳信號控制。在一個機(jī)械周期中PSEN信號兩次有效。當(dāng)PSEN信號由高電平變成低電平時，允許27256和27128輸出，所指定的存儲單元的內(nèi)容送上PO口線，在PSEN的上升沿將數(shù)據(jù)打入單片機(jī)CPU內(nèi)。

擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器空間地址同外擴(kuò)程序存儲器一樣，由P2口提供高8位地址，PO口為分時提供低8位地址和8為雙向數(shù)據(jù)總線。由8031的RD (P3 .7 )和WR (P3.6)信號控制，出允許端( OE)由讀選通信號PSEN控制，即使與片外數(shù)據(jù)存儲器RAM的讀和寫而片外程序存儲器EPROM的輸EPROM共處一地址空間，但由于控制信號即使用的數(shù)據(jù)傳輸指令不同，故不會發(fā)生總線沖突。

(1)概述

Intel公司常用外圍器件有很多，它們可以與MCS-51單片機(jī)直接接口。本設(shè)計中用了一片8255和一片8279。下面僅闡述可編程I/O口8255芯片在本設(shè)計中的用法，8279在鍵盤顯示電路中加以闡述。

8255是 Intel公司生產(chǎn)的可編程外圍接口芯片，它具有3個8位的并行1/0口，分別稱為PA口、PB口和PC口，其中PC又分為高4位和低4位口。它們都可通過軟件編程來改變其工作方式。8255可以與MCS-51系列單片機(jī)直接接口。

單片機(jī)與8255之間的接口是通過對其數(shù)據(jù)總線、標(biāo)準(zhǔn)的讀/寫以及片選信號的控制來完成的。對8255設(shè)置不同的控制字可使其選擇以下三種基本的工作式:

方式0—基本輸入/輸出

方式1－選通輸出/輸入

方式2—口A為雙向總線

PA口可作為輸入或輸出口，其輸入/輸出的工作方式有基本的(方式0)、選通的(方式1)、雙向的(方式2); PB口有方式0和1兩種工作方式:PC口即可用于方式0工作，又可作為隊(duì)和PB口選通方式的控制口。8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器的地址由A0, Al的不同編碼確定，8031的低二位地址線P0. 1和P0.0 分別與8255的Al和AO端聯(lián)接，以確定四個端口地址。在電路連接中選用了譯碼器輸出Y15與8255的CS端連接用以選中8255芯片。設(shè)P2.0, P 2.1 以Pl.2- P1.7 均為低電平，則各端口的地址如下:

PA口:　　　　　　　　　　FCOOH

PB口:　　　　　　　　　　FC01H

PC口:　　　　　　　　　　FC02H

控制寄存器:　　　　　　　FC03H

(2 )8 255工作方式選擇

8255的三種T-作方式，即方式0、方式1、方式2。

①方式0 :這種方式不需任何選通信號或聯(lián)絡(luò)信號，A口、B口及C口的兩個4位口中任意一個端口多可以被設(shè)定為輸入或輸出。作為輸出口時，輸出數(shù)據(jù)被

鎖存;而作為輸入口時，輸入數(shù)據(jù)不鎖存。

②方式1(選通輸入/選通輸出方式):PA口和PB口可工作在這種工作方式，而PC則固定其中某些位為以口或PB口的聯(lián)絡(luò)信號，以便8255和外設(shè)之間，或是8255和CPU之間傳送狀態(tài)信息以及中斷請求信號。A, B, C三個R分為兩組:A組包括A口和C口的高4位，A口可編程設(shè)定為輸入口或輸出口，C口的高4位則用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號;B組包括B口和C口的低4位，B口可由編程設(shè)定為輸入或輸出口，C口的低4位則用來作為輸入/輸出操作的控制和同步信號。A口和B口的輸入數(shù)據(jù)或輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。

③方式2(雙向總線方式):在這種方式下，A口為8位雙向總線口，C口的

PC3-PC7用來作為輸入/輸出的同步控制信號。應(yīng)該注意的是，只有A口允許作為雙向總線口使用，這是B口和PCO～PC3則可編程為方式0或工作方式１。

在本設(shè)計中，主要用8255作基本輸入/輸出口，故選用方式0。在本設(shè)計中3255各端口的實(shí)際使用情況如表3.2所示。

(3) 8255控制字

8255有兩種控制字，即:控制PA口、PB口和PC口工作方式的方式控制字;專門控制PC口各位置位復(fù)位控制字。兩種控制字均寫入口地址為FC03H的控制寄存器中，由最高位0或1狀態(tài)來區(qū)分寫入的內(nèi)容為那一種控制字。

A)方式控制字

方式控制字設(shè)置8255三個口為方式0、方式1、方式2(僅對隊(duì)口)，可由CPU用“寫”指令輸出一個控制字到8255的控制寄存器來設(shè)置，其控制功能及格式如圖3.7所示·方式控制字的特征是最高位為h在本設(shè)計中8255工作在方式0, PA口及PC口都工作在輸出方式，圖3.7可知應(yīng)將80H(10000000B)寫入控制寄存器。

B)PC口位控制字

8255的PC口具有位操作功能，PC口位置位/復(fù)位控制字是一種對PC口的位操作命令，直接把PC口的某位置1或清0。它的標(biāo)志位是最高位為0�？刂谱值腄3-D1位的不同編碼確定PC口的PCO-PC7所選位，DO位的狀態(tài)決定置位還是復(fù)位。

鍵盤分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤。本設(shè)計選用矩陣式鍵盤，可以減少所占1/O口的數(shù)量。鍵盤的面板圖見圖3.8

圖3.8  鍵盤面板圖

各功能鍵如下:

復(fù)位鍵:在鍵盤控制方式下，運(yùn)行一次，需復(fù)位一次;在微機(jī)控制方式下，不需要復(fù)位。第一次是上電復(fù)位，如果在不關(guān)機(jī)的情況下再進(jìn)行第二次、測量，則需要按復(fù)位鍵，復(fù)位鍵按下之后，系統(tǒng)初始化，LED顯示六個“8”。

打印鍵:在檢測完之后，結(jié)果會顯示在LED上，如果需要打印，直接按打印

鍵并回車;如果不需要打印，按復(fù)位鍵，等待下次檢測。

數(shù)字鍵:1-6數(shù)字用于傳感器的選擇。

取消鍵:在輸入傳感器選擇號時，若不小心輸入錯誤，想重新輸入，則按取消鍵進(jìn)行修改。

運(yùn)行鍵:按下此鍵后，就開始檢測了。

回車鍵:在輸入了傳感器選擇號后，按回車鍵進(jìn)行確認(rèn)，如果不按回車鍵系

統(tǒng)繼續(xù)等待輸入。此外，在按下打印鍵后，也需要確認(rèn)鍵進(jìn)行確認(rèn)。

A-E鍵:在本設(shè)計中沒有使用，留作以后進(jìn)行升級時使用。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器LED (Light

Emitting Diode);液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)，近年也有配置CRT

顯示器的。LCD和CRT顯示器可進(jìn)行圖形設(shè)計，但接口比較復(fù)雜，成本也較高;LED顯示器價格便宜、配置靈活、與單片機(jī)接口方便，因此本設(shè)計中采用的是LED顯示器。

電路連接為8279擴(kuò)展I/O控制的8位共陰極LED動態(tài)顯示接口電路。由于所有8位段選線皆由一個UO口控制，因此，在每一瞬間，8位LED會顯示相同的字符，要想每位出現(xiàn)不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點(diǎn)亮各位LED,即在每一瞬間只使某一位顯示字符，在此瞬間，段選控制1/O口輸出相應(yīng)字符段選碼(字形碼)，而位選則控制1/O口在該顯示為送入選通電平(因?yàn)長ED為共陰極，故應(yīng)送低平)，以保證該位顯示相應(yīng)的字符。如此輪流，使每位分時顯示該位應(yīng)顯示字符逐位輪流點(diǎn)亮各個LED，每一位停留1ms，在10～20ms之內(nèi)再一次點(diǎn)亮，重復(fù)不止，這樣，利用人的視覺暫留就好像六位LED同時點(diǎn)亮了。在本系統(tǒng)中，LED顯示器的顯示方式采用的是動態(tài)顯示方式。

3.5.3 8279鍵盤顯示接口芯片

在本系統(tǒng)中采用8279可編程鍵盤、顯示器接口芯片。8279是一種專用于鍵盤、顯示器的接口器件，它能對顯示器自動掃描，能識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，提高CPU的工作效率。8279包括鍵盤輸入瀚出和顯示兩部分。鍵盤部分提供掃描工方式，可以和具有64個按鍵和傳感器的陣列相連。能自動消除抖動以及對n個鍵時按下采取保護(hù)。顯示部分為發(fā)光二極管、熒光管及其它為顯示器提供了按掃描方式工作的顯示接口，它為顯示器提供多路復(fù)用信號可顯示多達(dá)16位的字符或字。

由于顯示器所需電流比8279輸出的電流大，所以在顯示器前端用7407驅(qū)動器對8279的輸出電流進(jìn)行放大。8279的中斷請求信號線IRQ經(jīng)反向驅(qū)動器74F04接至8031外部中斷INTI，這樣，可通過中斷方式對按鍵進(jìn)行處理。這部分可用框圖3.9表示。

圖 3.9 鍵盤顯示模塊

Figure3.9 The sketch map of keyboard and show

1) 8279引腳及功能

DO-D7:雙向、三態(tài)數(shù)據(jù)總線，用于和系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，在CPU和8279之間傳送命令和數(shù)據(jù)。

RESET:復(fù)位輸入線，高電平有效。

:片選輸入線，低電平有效。當(dāng)CS =0時，8279被選中，允許CPU對其進(jìn)行讀寫操作。

:系統(tǒng)時鐘輸入線，用于8279內(nèi)部定時，以產(chǎn)生其工作所需時序。

、:讀寫信號輸入線，低電平有效。

A0；緩沖器地址輸入線，當(dāng)AO=1時，若CPU進(jìn)行寫操作，則寫入字節(jié)是命令字；若CPU進(jìn)行讀操作，則讀出的字節(jié)是狀態(tài)字。當(dāng)AO=0時，寫入或讀出字節(jié)均為數(shù)據(jù)。

IRQ:中斷請求輸入線，高電平有效。

SL4～SL O:掃描輸出線，用來掃描鍵盤和顯示器。

RLO～RL7:回復(fù)輸入線，是傳感器矩陣或鍵盤矩陣的列信號輸入線。

CNTL/STB:控制/選通輸入線，高電平有效。

OUTAO～OUTA3:A 組顯示信號輸出線。

OUTBO～OUTB3:B 組顯示信號輸出線。

2)8279鍵盤顯示電路設(shè)計

(A)8279與8031的接口

數(shù)據(jù)線:DO-D7接于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線PO.0-PO.7，用于CPU和8279間的數(shù)據(jù)/命令傳送。

控制線:時鐘CLK接于ALE，為8279提供內(nèi)部時鐘的輸入端。

中斷申請端IRQ:經(jīng)反向器接于INTI。

,:與8031讀寫線相連，控制8279的讀寫操作。

地址線:由端和AO端決定。與譯碼器的輸出線相連，當(dāng)AO=0時，8279選中。(B)8279與顯示器接口

8279的SLO-SL2接一譯碼器74LS138，譯碼器的輸出接正向驅(qū)動器7407的輸入端，7407的輸出作為8個顯示器的位選線;8279的輸出端OUTAOOUTA3,OUTBO-OUTB3以及另一正向驅(qū)動器7407接顯示器的字段碼輸入端。

(C)8279與鍵盤接口

把SL0～SL7經(jīng)74LS138譯碼器輸出后的Y0, Y1鍵盤輸入線(列線)，RL0-RL7為行線輸入，故驅(qū)動2X8陣列的鍵盤。端作為由連接圖可確定8279的地址:8279命令口和狀態(tài)口地址為EOFFH; 8279數(shù)據(jù)口地址為EOFEH.

系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理之后，獲得被測對象的溫度值，但在有些時候需要控制被控對象的溫度，因此，要由單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制信號，進(jìn)行系統(tǒng)控制�？墒怯�8031輸出的控制信號是數(shù)字信號，需將其經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換變?yōu)槟�擬信號，再經(jīng)功率放大，才能控制加熱爐、熱處理爐等。這一功能由一片DAC0832來完成，由于DAC0832是一種電流輸出型D/A芯片，因此其后端接一片運(yùn)算放大器構(gòu)成反相輸出電路以實(shí)現(xiàn)電壓信號輸出，然后再接入一片多路模擬開關(guān)CD4051,將輸出擴(kuò)展為8路。由上述可知，該部分具有8路模擬信號輸出能力。這部分的接口電路圖如圖3.10所示。

1)D/A轉(zhuǎn)換器選用DAC0832，此芯片是8位分辨率的D/A集成芯片，與微處理機(jī)完全兼容，具有價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，主要有如下特點(diǎn).

(A)可單緩沖或雙緩沖數(shù)字輸入;

(B)只需在滿量程下調(diào)整其線性度;

(C)低功耗，20mW;

(D)內(nèi)部無參考電壓源，須外接參考電壓源;

(E)屬于電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，要獲得模擬電壓輸出時，需外加轉(zhuǎn)換電路;

(F)有5根控制線，:片選線，當(dāng)其為低電平時，本片被選中工作;ILE:

允許數(shù)字輸入線，當(dāng)ILE為高電平時，允許數(shù)字量輸入;:控制輸入線，低電平有效;和:寫命令輸入線，用于控制數(shù)字量到輸入寄存器，若為‘1'，為‘0'和為‘0'同時滿足，則接收信號;若上述條件有一個不滿足則鎖存數(shù)據(jù)。用于控制D/A轉(zhuǎn)換時間:若XFER和WR2同時為低電平，則輸出跟隨輸入，否則鎖存數(shù)據(jù)。和的脈沖寬度要求不小于500ns。

系統(tǒng)設(shè)計的多路輸出，并不需要同時輸出，因此采用單緩沖方式接口。接口

電路如圖3.10所示:其數(shù)字量輸入線D17-DIO與8031的P07-POO相連;傳送控制線和寫命令輸入線都與地相連，使其始終有效，寫命令線與8031的麗相連，控制接收信號將允許數(shù)字輸入線ILE接高電平，始終處于允許數(shù)字輸入狀態(tài);將其片選線與譯碼器的輸出控制引腳相連。和接地，故DAC0832的，"8位寄存器”工作于直通方式。8位輸入寄存器受和端信號控制，而且由譯碼器輸出地址Adress送來。因此8031執(zhí)行如下兩條指令就可以在上面產(chǎn)生低電平信號，使DAC0832接收8031送來的數(shù)字量。

MOV      R0，  #Adress

MOVC     @R0,  A

圖3.10 DAC0832與8031的接線圖

Figure3 .10 Circuit diagram between DAC0832 and 8031 microcomputer

(2)放大器的選用

放大器選用OP-07，其主要特征是開環(huán)增益和共模抑制比很高(一般l00dB )，而失調(diào)電壓和失調(diào)電流、溫漂以及噪聲又很小，主要用于穩(wěn)定積分、精密加法比較、閩值電壓檢測、微弱信號精確放大等場合，其電源電壓范圍為3～18V，輸入電壓范圍是。0～14V。在圖3.10電路連接中，放大器輸出端直接反饋到Rfb,其產(chǎn)生的模擬輸出電壓是單極性的.

在數(shù)字直流調(diào)速過程中，電流調(diào)速是必控參數(shù)。這里探討一種基于單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速的便攜式系統(tǒng)。

該系統(tǒng)組成和工作原理如下圖（3.11）所示。測溫硬件主要由直流調(diào)速前置微弱信號處理模擬電路部分，以80C31BH為核心的低功耗微機(jī)和DC-DC電源組成。模擬電路部分由放大，冷端溫度補(bǔ)償，濾波，A/D轉(zhuǎn)換器等組成。微機(jī)部分由80C31BH及EPROM程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，時鐘電路，顯示及鍵盤等電路組成。

        3.12基于單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

            3.13基于單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)具有如下功能和指標(biāo)；

• 檢測范圍為1000～2000℃
• 測量誤差≤0.1%～0.2%；對上述電流范圍；折合誤差為±1～2℃；
• 快速、連續(xù)檢測方式（可供選擇）；
• 斷偶指示；
• 峰值鎖存；
• 上/下限報警。
  

   根據(jù)上訴指示可知，其測量溫度值是很精確的，因此直流電及前置放大電路是至關(guān)重要的。為此選用了B型或S型熱電偶（約10V/℃）和失調(diào)電壓在0.05微伏以下的斬波放大器ICL7650（斬波自穩(wěn)器）的高精度運(yùn)行；否則不能保證其測溫精度。其前置放大器如下圖所示。

由直流電測溫理論可知，當(dāng)測溫端溫度為t，冷端（通常指環(huán)境）溫度為時，設(shè)To=0℃，直流電產(chǎn)生電勢為:

             　　　　　　　　(3.9)

   若≠；則由根據(jù)分度關(guān)系確定儀表指示溫度產(chǎn)生△的誤差,因此,熱電偶冷端溫度要進(jìn)行補(bǔ)償.本電路采用了模擬量疊加法實(shí)現(xiàn)冷端溫度的補(bǔ)償.選用了半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590對-50～+50℃之間溫度進(jìn)行自動補(bǔ)償.AD590的靈敏度為1A/K.通過精密電位器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,此時運(yùn)算放大器輸入端電壓為:

                                (3.10)

適當(dāng)調(diào)整和可使=,那么運(yùn)算放大器A的輸入電壓為:

                                    (3.11)

這樣就實(shí)現(xiàn)了直流電的自動補(bǔ)償功能,且在-50～+50℃之間,誤差優(yōu)于℃.

另外,為了實(shí)現(xiàn)直流電報警功能,在前置放大器的信號輸入端設(shè)置一個大阻值(10M)的上拉電阻R(歇火電路),當(dāng)正常工作時,熱電偶電阻值很小,幾微安的電流基本不會產(chǎn)生電壓,一旦熱電偶燒斷,則前置放大器就會飽和,且輸出電壓高,此時,A/D轉(zhuǎn)換器7109的OR管腳輸出溢出電平給單片機(jī)80C31BH,并進(jìn)行斷偶報警.

基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)是單片機(jī)控制的智能化儀器，它的主要特點(diǎn)是:該儀器的數(shù)學(xué)模型、測量原理簡單，選用精密測量元器件和抗干擾、低溫漂的精密電子元件。該儀器應(yīng)用四種不同的傳感器，用戶可根據(jù)不同的測溫范圍選擇合適的傳感器，這就解決了一般溫度檢測儀表只針對一種熱電偶的問顧.伸儀裹的使用范圍大大提高。該儀器采用AD590集成溫度傳感器測量室溫，很好地解決了熱電偶冷端補(bǔ)償問題，提高了測量準(zhǔn)確度。該儀器可以進(jìn)行溫度的實(shí)時顯示，可以通過查詢鍵查詢溫度的歷史記錄值，還可以隨時顯示、更改時間，使用方便。

多功能溫度測量儀的研制開發(fā)具有廣闊的應(yīng)用前景，有待于進(jìn)一步將其應(yīng)用推廣。經(jīng)分析論證，誤差很小:整個單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。

隨著現(xiàn)代自動控制技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益完善，工業(yè)生產(chǎn)過程已經(jīng)逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、自動化。同時對自動控制系統(tǒng)和檢測裝置提出了更高的要求。同樣地，對于國內(nèi)的儀器儀表的研制和開發(fā)行業(yè)以及生產(chǎn)和使用熱電偶測溫元件的廠家來說，熱電偶的技術(shù)也在不斷的提高和發(fā)展。然而,任何產(chǎn)品都有一個不斷改進(jìn)和完善的過程,只有在調(diào)試和使用過程中才能知道產(chǎn)品實(shí)際存在的問題。

增加本產(chǎn)品的實(shí)際使用性，將設(shè)計中的PCB板分成三塊，即:信號輸入PCB板，單片機(jī)系統(tǒng)PCB板和鍵盤/顯示PCB板。這樣不僅可以減小產(chǎn)品的體積，還可以降低數(shù)/模信號之間的干擾。

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[13] Robinson. Quality and operational benefits of continuous tundish temperature

measure at British Steel Teesside Works. Ironmaking Conference Proseedings, 1997:603-606

本文是在XXX老師的悉心指導(dǎo)下完成的。XXX老師對我畢業(yè)設(shè)計的總體方案、設(shè)計原理圖電路圖提出意見并辛勤指導(dǎo)。在四年的學(xué)習(xí)期間，各位老師給了我知識,也教給我獲取知識的很多方法.這次我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師XXX老師對我嚴(yán)格要求,在指導(dǎo)過程中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、忘我的工作熱情使我印象深刻.在此，特向物理系的全體老師和我的指導(dǎo)老師表示衷心的感謝與敬意。

在本設(shè)計和論文的撰寫過程中，還得到了我同窗們的關(guān)心與幫助，特此一并向他們表示誠摯的謝意。