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（論文）報告紙 摘 要 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展，人們對溫度的過程控制的要求越來越高。這就要求計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環(huán)境的溫度控制系統(tǒng)。 本文首先簡要介紹了測溫的方法、特點及測溫鉑電阻的特性。在此基礎(chǔ)上結(jié)合系統(tǒng)的實際指標(biāo)和要求設(shè)計開發(fā)了以單片機為核心的低成本高精度溫度控制系統(tǒng)。 在硬件上，采用增強型 MCS-51 單片機（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，通過該器件完成了測溫通道的自調(diào)零與自校正，使儀表的測溫精度及準(zhǔn)確度基本上不依賴于零點失調(diào)和增益等因素；同時采用鎖相環(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)頻率變化對電阻爐輸出的影響；采用 LCD 顯示器件，使人機交互更加的友好。 在軟件上，溫度控制采用傳統(tǒng)的 PID 控制算法實現(xiàn)，由于 51 系列的單片機運算能力、運算速度較低。在計算程序設(shè)計中，全部采用了分段線性插值的方法來代替復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算，以程序代碼空間來換取運算的速度以及精度。 溫度控制儀表通過 485 總線把數(shù)據(jù)傳送到 PC 機上，上位機可以彌補下位機由于單片機內(nèi)部資源的限制，不能保存大量的數(shù)據(jù)的缺陷。系統(tǒng)的上位機軟件除了可以實現(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，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 測溫方法分類及其特點 5 1.2 熱阻式測溫方法 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 9 2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 9 2.2 現(xiàn)場溫度控制儀表的方案設(shè)計 10 2.3 編譯調(diào)試軟件的選擇 13 第三章 現(xiàn)場溫度控制儀表的電路設(shè)計 14 3.1 測量模塊電路設(shè)計 14 3.1.1 精密直流電流源電路的設(shè)計 15 3.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊電路 18 3.2 人機交互模塊 28 3.2.1 液晶顯示模塊電路設(shè)計 28 3.2.2 按鍵電路設(shè)計 32 3.3 輸出控制模塊電路設(shè)計 33 3.3.1 8253 定時/計數(shù)器 34 3.3.2 過零檢測電路 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 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 50 3.5.3 RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 51 第四章 現(xiàn)場溫度控制軟件的設(shè)計 54 4.1 現(xiàn)場溫度控制儀表的單片機軟件的總體框圖 54 4.2 單片機系統(tǒng)的初始化程序 54 4.2.1 單片機內(nèi)部資源的初始化 55 4.2.2 單片機外部資源初始化 57 4.3 溫度測量數(shù)據(jù)處理 58 4.3.1 零漂和增益的自動校正原理 58 4.3.2 測量數(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 人機交互 67 4.5.1 按鍵程序設(shè)計 67 4.5.2 液晶屏界面程序設(shè)計 69 4.6 串口通信 71 第五章 上位機 PC 軟件的設(shè)計 74 5.1 上位機軟件的總體設(shè)計 74 5.2 串口通信程序 75 5.2.1 打開串口 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現(xiàn) 79 5.3 實時數(shù)據(jù)的存儲 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 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 86 6.1.3“去耦”電容的配置 87 6.1.4 其它抗干擾設(shè)計 87 6.2 系統(tǒng)的軟件抗干擾設(shè)計 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 91 第一章 概述 1.1 測溫方法分類及其特點 根據(jù)傳感器的測溫方式，溫度基本測量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。 接觸式溫度測量的特點是感溫元件直接與被測對象相接觸，兩者進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，此時感溫元件的溫度與被測對象的溫度必然相等，溫度計就可據(jù)此測出被測對象的溫度。因此，接觸式測溫一方面有測溫精度相對較高，直觀可靠及測溫儀表價格相對較低等優(yōu)點，另一方面也存在由于感溫元件與被測介質(zhì)直接接觸，從而影響被測介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會增加測溫誤差；被測介質(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。根據(jù)測溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測溫又可分為膨脹式、熱阻式、熱電式等多種形式。 非接觸式溫度測量特點是感溫元件不與被測對象直接接觸，而是通過接受被測物體的熱輻射能實現(xiàn)熱交換，據(jù)此測出被測對象的溫度。因此，非接觸式測溫具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設(shè)計的很高，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點。兩類測溫方法的主要特點如下表 1-1 所示。 表 1-1 兩類測溫方法特點 方式 接 觸 式 非 接 觸 式 測量 條件 感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度;被測對象不對感溫元件產(chǎn)生腐蝕 需準(zhǔn)確知道被測對象表面發(fā)射率；被測對 象的輻射能充分照射到檢測元件上 測量 范圍 特別適合 1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，對高于 l 300℃以上的溫度測量較困難 原理上測量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測量誤差大，能測運動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，實驗室用表可達 0.01 級 通常為 1.0、1.5、2.5 級 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 整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測物體實際溫度；可方便地組成多路集中測量與控制系統(tǒng) 整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測物體表現(xiàn)溫度(需進一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測溫、控溫一體化的溫度控制裝置 1.2 熱阻式測溫方法 基于熱電阻測溫原理是根據(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，從而達到測溫的目的。 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，同時價格盡可能便宜。 熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠(yuǎn)傳（與熱電偶相比）、無需參比溫度；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。熱電阻主要缺點是需要電源激勵、有自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。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)，以鉑電阻溫度計作為基準(zhǔn)溫度儀器。 目前工業(yè)用鉑電阻分度號為 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為溫度為零時鉑熱電阻的電阻值（Ptl00 為 100，Ptl0 為 10）； R（ t） 為溫度為 t 時鉑熱電阻的電阻值； 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，人們對溫度測量及控制的要求越來越高，具體表現(xiàn)在溫度測量控制的精度、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)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用、高要求的實驗環(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現(xiàn)就必然離不開前端電路中高質(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)出來的傳感器件，它們的性能指標(biāo)也不盡相同。這就要通過對溫度傳感器的檢定來實現(xiàn)。 我國從 1991 年 7 月 1 日起開始對各級標(biāo)準(zhǔn)溫度計進行改值，整個工業(yè)測溫儀表的改值在 1993年年底前全部完成，并從 1994 年元旦開始全面推行 ITS 一 90 新溫標(biāo)。 對溫度計（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H溫標(biāo)定義的固定溫度點(恒溫)作標(biāo)準(zhǔn)值，把被標(biāo)定溫度計(或傳感器)依次置于這些標(biāo)準(zhǔn)溫度值之下，記錄下溫度計的相應(yīng)示值(或傳感器的輸出)，并根據(jù)國際溫標(biāo)規(guī)定的內(nèi)插公式對溫度計(傳感器)的分度進行對比記錄，從而完成對溫度計的檢定；被檢定后的溫度計可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計來測溫度。 常用的另一種檢定方法是把被檢定溫度計(傳感器)與已被檢定好的更高一級精度的溫度計(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，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲得一系列對應(yīng)差值，經(jīng)多次重復(fù)測試，若這些差值穩(wěn)定，就成了對被檢定溫度計的檢定。 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，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)場溫度控制儀表和上位機程序?，F(xiàn)場溫度控制儀表主要用于建立標(biāo)準(zhǔn)的高精度溫度場，并在標(biāo)準(zhǔn)溫度下測量標(biāo)準(zhǔn)熱電阻和被檢定熱電阻的阻值然后傳送到上位機。上位機程序負(fù)責(zé)接受下位機的數(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)場溫度控制儀表： (1) 溫度的測量和顯示功能：對于恒溫槽的溫度的實時測量，顯示實際的測量溫度以及目標(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)場儀表的工作參數(shù)可以重新設(shè)定，方便根據(jù)實際的工作環(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)場溫度控制儀表可以把測得的溫度的值、工作參數(shù)、被測鉑電阻的電阻值傳送給上位機。 (5) 現(xiàn)場故障診斷及故障顯示功能：傳感器和被測鉑電阻開路或其它故障時，溫度控制儀表能診斷出實際故障并顯示出來。 2、上位機程序： (1) 串口通信功能：從 PC 機串口讀取現(xiàn)場儀表傳送上來的各項數(shù)據(jù)。 (2) 界面顯示：顯示每臺表的工作狀態(tài)以及每臺表所測量得到的溫度值。 (3) 歷史數(shù)據(jù)的保存：把下位機傳送上來的數(shù)據(jù)按年、月、日保存在 PC 機中可以供以后調(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) 輸入點數(shù)：1 個測點、4 個被測點 (3) 溫度控制范圍：0.00℃～200.00℃ (4) 測量誤差： (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)場溫度控制儀表的硬件電路；第四章介紹了現(xiàn)場溫度控制儀表的軟件設(shè)計；第五章介紹了上位機軟件的設(shè)計；第六章介紹了系統(tǒng)抗干擾設(shè)計。 第二章 溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)可以分為兩個部分：上位機軟件以及現(xiàn)場溫度控制儀表。 現(xiàn)場溫度控制儀表主要功能是測量控制恒溫槽的溫度、測量待檢定熱電阻的阻值并可以通過485 總線傳送到上位機上。 上位機實現(xiàn)的主要功能是接收下位機的數(shù)據(jù)，并在 PC 機上顯示和保存，同時還能提供歷史數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)圖表的打印等功能。 2.2 現(xiàn)場溫度控制儀表的方案設(shè)計 現(xiàn)場溫度控制儀表的總體設(shè)計框圖如圖 2-2 所示，主要可以分為五個模塊：前端測量模塊、LCD+按鍵的人機交互模塊、后端可控硅輸出控制模塊、電源主處理器模塊、通信模塊。 1、 測量模塊方案的選擇[4] 常用的鉑電阻測量的方法主要有 2 種：利用單電橋來測量電阻的阻值的變化；利用高精度的恒流源電位壓將法來測量電阻的變化。 利用電橋測量可以實現(xiàn)較高準(zhǔn)確度的溫度的測量，但是在實現(xiàn)±0.01℃以上的精度的話，電橋本身的非線性，以及被測電阻接入單電橋作為一個橋臂以后，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應(yīng)的阻值在同一數(shù)量級，甚至還要大些。因此，如果采用單電橋的測量方法得到的測量結(jié)果將是極不可信的。 恒流源壓降法是一個恒流源與一個被測電阻相串聯(lián)，通過測量電阻兩端的壓降就可以計算出被測電阻的阻值。這個測量的精度主要決定于電流源的精度。現(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際的測量要求的精度，所以前端測量模塊電路采用選用恒流源壓降法。 2、人機交互模塊的選擇[5] 準(zhǔn)確、清晰、可靠的參數(shù)顯示對于任何一種儀器來說都非常重要。一般來講，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的壽命，在智能化測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，通常主要用來顯示數(shù)字。LED 點陣顯示器常用 8×8 點陣圖形來顯示字符，可顯示的內(nèi)容比 LED 數(shù)碼管顯示器豐富。而 LED 點陣顯示器雖然可以實現(xiàn)各種字符的顯示，但其體積過大，功耗太高。 液晶顯示器是利用液晶的物理特性來實現(xiàn)顯示的。在通電時導(dǎo)通，使液晶排列變的有秩序，光線容易通過；不通電時，排列變的混亂，阻止光線通過。按照顯示性能，液晶顯示器可分為段行顯示、點陣顯示、字符顯示等。段行顯示依靠長條形像素進行顯示，只能顯示數(shù)字和個別字符；點陣顯示依靠矩形點像素進行顯示，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的字符的點陣式產(chǎn)品。與其他顯示器件相比較，液晶顯示器有以下特點： 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、更薄； z 工作電壓低，功耗小。有些液晶顯示器只要 2V～3V 即可工作，而工作電流僅幾個毫安，這是其它任何顯示器件無法比擬的； z 壽命長。液晶材料是有機高分子合成材料，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)動電壓又低，驅(qū)動電流更是微乎其微，因此，其劣化效應(yīng)幾乎沒有，壽命很長； z 無輻射、無污染，對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)更加友好的人機對話，而且液晶顯示器的功耗更小所以在現(xiàn)場溫控儀表中選用 LCD 作為人機交互的界面顯示。 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、強電輸出的特點，只需要較小的電流、電壓就可以控制較大的電流。滿足這個要求的常用的是機械繼電器輸出控制電路和可控硅輸出控制電路。機械繼電器輸出控制接口電路簡單，但是機械繼電器的開關(guān)響應(yīng)時間長，觸點的壽命較短，不適合用于頻繁開關(guān)的場合?？煽毓栎敵隹刂平涌陔娐废鄬?fù)雜，其優(yōu)點就是開關(guān)無觸點，壽命長、開關(guān)響應(yīng)時間短，控制方式靈活，可以根據(jù)不同的情況選用不同的觸發(fā)方式來進行控制。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 電源中的一組為測量模塊供電，另一組用于其他各個模塊。電源設(shè)計方案是常用的設(shè)計方案：先將 220V 交流電通過變壓器分別變壓（AC9V 二線，AC14 三線）；在分別通過整流橋和二級管對降壓后的交流信號整流；最后經(jīng)過電容和穩(wěn)壓芯片（7805*2，7812*2）后輸出所需的 4 路直流信號。 8051 單片機是目前國內(nèi)外工業(yè)測量控制領(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的增強型 8051 系列單片機，現(xiàn)共有 100 多種的型號可供選擇。現(xiàn)場溫度控制儀表的處理器選用的是飛利浦的增強型 51 單片機P89C51RD2，該單片機片內(nèi)資源豐富（RAM1K+ROM64K）這就無需再進行片外擴展就可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要。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、下位機軟件編譯調(diào)試環(huán)境的選擇[6] 現(xiàn)場溫度控制儀表的單片機軟件采用 C 語言開發(fā)。實際調(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言的編譯調(diào)試，對于 C 語言的編譯則相當(dāng)?shù)牟?，而且效率低。Keil 公司的 Keil C51是絕大部分 8051 系列單片機開發(fā)者的首選，它將項目管理器（Project）、Cx51 編譯器、Ax51 匯編器、BL51/Lx 連接定位器、RTX51 實時操作系統(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便的操作環(huán)境。μVision2 具有強大的項目管理功能，項目中包括源程序文件、開發(fā)工具選項以及編程說明等。μVision2 內(nèi)部還集成了一個數(shù)據(jù)庫文件（Device Database），其中存儲了各種型號單片機的片上存儲器和集成外圍功能信息，通過器件數(shù)據(jù)庫可以自動設(shè)置 Cx51 編譯器、Ax51 匯編器、BL51/Lx51 連接定位器、Debug調(diào)試器等開發(fā)工具的功能選項，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)過優(yōu)化后生成的代碼，其效率接近于匯編語言生成的代碼。 2． 支持所有的 8051 系列單片機，提供對所有外圍硬件部件的操作。 3． 無論在有無工作寄存器區(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。 在進行調(diào)試時，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文件進行調(diào)試。 下位機的調(diào)試軟件選用 Keil C 與 CodeCruiser For 51 相配合使用。 2、 上位機軟件編程調(diào)試軟件的選擇 PC 機的編程軟件較多，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)生成可運行的 Windows應(yīng)用程序的基本外殼。VC++自帶的類庫，即 Microsoft Foundation Classes（MFC）已經(jīng)成為許多 C++編譯器進行 Windows 軟件開發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。選用 VC++能夠很好的利用 Windows API 對底層硬件操作，所以上位機的編程軟件選用 VC++6.0。 第三章 現(xiàn)場溫度控制儀表的電路設(shè)計 本章主要介紹現(xiàn)場溫度控制儀表的硬件電路設(shè)計，現(xiàn)場溫度控制儀表的硬件電路共分為 5 個模塊：前端測量模塊、LCD+按鍵的人機交互模塊、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 測量模塊電路設(shè)計 測量模塊在整個溫度控制儀表甚至整個溫度控制系統(tǒng)中處于最基礎(chǔ)的地位。測量模塊的測溫精度決定了整個系統(tǒng)的精度；測量的結(jié)果又是溫度控制系統(tǒng)進行控制的依據(jù)，也是檢驗溫度控制效果的依據(jù)。這個模塊設(shè)計對整個系統(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 3.1.1.1 精密直流電流源電路[7] 測量電路首先的任務(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，電壓的變化（ΔVt）只與電阻變化（ΔRt）相關(guān)，所以這就需要一個高精度的、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 恒流源基本實現(xiàn)是：由電壓基準(zhǔn)芯片生成恒定電壓 Vref(t)，經(jīng)過運放 MAX430 跟隨輸出Vin=Vref(t) ，此時 Is(t) =Vref(t)/R7(t) ；；當(dāng)電壓 Vref(t)和 R7(t)都為恒定值時輸出時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 場效應(yīng)管。電壓基準(zhǔn)芯片的精度是整個系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)。 3.1.1.2 電壓基準(zhǔn)芯片簡介[8] 電壓芯片選用 MAXIM 公司的 2.5V 電壓基準(zhǔn)芯片 MAX6325（封裝見圖 3-2）。 MAX6325 幾項重要技術(shù)指標(biāo)： 1． 低溫漂，1ppm/℃ 2． 低噪聲，1.5μVpp 的噪聲（0.1-10 赫茲）（見圖 3-3） 3． 長時間穩(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 的精度是這個測量系統(tǒng)精度的保證。而 MAX6325 的溫漂小，紋波噪聲小（見圖 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，NR 腳接電容Cnr與否直接影響了輸出電壓的輸出噪聲（見圖 3-4 所示）。在接電容(Cnr=1μf)后，在 10Hz 時輸出噪聲與未接電容（Cnr=0μf）時相差不大，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，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。實際使用時，MAX6325 的電路見圖 3-1 所示。在實際電路中，用六位半電壓表在運放輸出端測量所得的電壓值為2.50001V（穩(wěn)定不變）；通過示波器測量得到的電壓的紋波為 2.5uV，滿足實際應(yīng)用的要求精度。 3.1.1.3 斬波穩(wěn)零低漂移運放 MAX430[9] [10] 在微弱信號的測量時，常常需要放大微伏級的電信號。這時，普通的運算放大器已無法使用了，因為它們的輸入失調(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)零型運算放大器MAX430 提供了一種解決微信號放大問題的方案。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、電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到了最小，MAX430 非常適合用于微信號的放大。 MAX430 內(nèi)部主要的功能單元有：主放大器、校零放大器、時鐘開關(guān)電路、補償網(wǎng)絡(luò)、校零記憶電容、箝位電路。MAX430 的內(nèi)部簡化結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示。斬波穩(wěn)零運放可以分為兩個主要的時鐘周期：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周期內(nèi)分別對自己和主放大器校零。在校零周期內(nèi)，開關(guān) A 閉合、開關(guān) C 閉合，使校零放大器的兩個輸入端短路，通過自身的反饋，校零放大器的失調(diào)電壓被減到最小。同時，外接記憶電容 C1 中儲存了這一失調(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)，開關(guān) A 打開、開關(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，使主放大器被校零。同時，外接記憶電容 C2 中儲存了校零電壓，使主放大器在下一個校零周期內(nèi)仍保持校零。在 MAX430 中，內(nèi)部時鐘使放大器以 400Hz 的固定頻率校零。在這種連續(xù)校零的機制下，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運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)部時鐘，所以實際應(yīng)用電路較為簡單（見圖 3-1）。通過六位半的電壓表測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。它實現(xiàn)了被測控對象的模擬信號（溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換成計算機可以接受處理的數(shù)字量信號。目前，A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)在不斷的更新發(fā)展，功能越來越強，精度越來越高，只有對 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的工作原理和各項性能有一個綜合的了解，才能在實用中選擇正確的 A/D 轉(zhuǎn)換器滿足設(shè)計指標(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)理論上在一個時鐘周期內(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，工程上較難實現(xiàn)。它的特點是：轉(zhuǎn)換速度最快，但轉(zhuǎn)換精度低，價格高，它一般用于待轉(zhuǎn)換量是高速變化的模擬量的場合（如：瞬態(tài)信號分析、高速數(shù)據(jù)采集以及視頻信號量化等）。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率最慢（轉(zhuǎn)換時間為毫秒級），但是轉(zhuǎn)換精度高，而且具有抗周期干擾能力，價格便宜。適用于模擬信號變化緩慢，采樣速率要求比較低，而且對精度要求比較高，或現(xiàn)場干擾比較嚴(yán)重的場合。常見應(yīng)用于非實時控制的高精度數(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、比較器以及時序和控制邏輯等部分組成。它的實質(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 進行比較。比較時，先從 SAR 的最高位開始，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)簡單的價格優(yōu)勢，在精度（一般為 8-16 位 A/D）上可以達到一般工業(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、量化噪聲小、分辨率高和線性度好的優(yōu)點，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處理和低頻模擬測量中。 ∑?ΔA/D 轉(zhuǎn)換器主要有三個處理：過采樣、量化噪聲整形、數(shù)字濾波和采樣抽取。 1． 過采樣 如果對理想 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。如果在這個輸入直流電壓上疊加一個交流信號，并用比這個交流信號頻率高的多的采樣頻率進行采樣，此時得到的輸出數(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，這種方法稱作過采樣。即使模擬輸入本身就是一個交流信號，采用過采樣的方法（即采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入信號頻率）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，由于采樣頻率遠(yuǎn)小于噪聲的頻率，所以會在采樣出的信號中含有有大量的由于欠采樣引起的混疊噪聲（見圖 3-7a）。而當(dāng)提高采樣頻率為 k*Fs 時，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地反映出來（見圖 3-7b），再通過數(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（見圖 3-7c）。當(dāng)過采樣比例因子 k 為 4 時，就能提高信噪比 6db。只要選擇合適的比例因子 k，就能使實際得到的信號上只含有頻率從 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 ∑?Δ調(diào)制器對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)串行進入數(shù)字濾波器，一路以負(fù)反饋形式與輸入信號求和。 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）接近輸入信號的平均值（見圖 3-9）。顯然當(dāng)被采樣的信號的頻率過高（接近采樣頻率）時，1位 ADC 的輸出的位流是沒有意義的。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際有效的值。 可以用圖 3-10 所示的頻域線性化模型對 ∑ ?Δ 調(diào)制器可作進一步的分析。其中積分器模擬一個傳遞函數(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。輸入信號為 X，輸出信號為Y。已知 H（S）= 1/S，則有：Y = ( X- Y ) / S + Q Y = X /(S + 1) + QS /(S + 1)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-2） 由上式（3-2）可以看出，當(dāng)頻率接近于零時（S→0），輸出 Y 接近于 X，噪聲分量接近于零。對于高頻分量，輸出的主要是噪聲。而積分器對輸入信號具有低通濾波作用，對噪聲分量有高通濾波作用。因此，調(diào)制器能實現(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)制器對量化噪聲整形后，將量化噪聲移到 Fs/2 之外，然后應(yīng)對整形后的噪聲進行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波器的作用有兩個：一是相對于最終的頻率 Fs，它必須起到濾波器的作用，二是將 ∑ ?Δ調(diào)制器整形過程中產(chǎn)生的高頻噪聲濾除。由于采取了過采樣，采樣過程中產(chǎn)生了許多多余的信號。數(shù)字濾波器通過每輸出 M 個數(shù)據(jù)抽取一個數(shù)據(jù)的重采樣方法，實現(xiàn)了使輸出數(shù)據(jù)低于原來的過采樣速率，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 能直接獲得來自于鉑電 阻的電壓信號（可以在片內(nèi)調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶籄D7710 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)用特性說明如下。 表 3-1 AD7710 各引腳的應(yīng)用特性說明 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。這是芯片運行的標(biāo)準(zhǔn)模式，將 A0 置 1，可對數(shù)字寄存器進行讀操作。內(nèi)部電源復(fù)位后寄存器的這幾位將進入這一默認(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。開始校正時 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，同時由（/DRDY）輸出確認(rèn)信號。在這種模式下，零量程對選定的通道進行校準(zhǔn)，滿量程可通過內(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，AD7710 將不斷的對參考輸入和零點平輸入進行自校準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)化過程將進入這種模式，它會延長轉(zhuǎn)化時間和降低傳輸速率。它的優(yōu)勢是當(dāng)外界溫度發(fā)生很大變化時，用戶不用擔(dān)心對芯片進行重校準(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)寄存器將能夠自動更新。 G2、G1、G0 增益系數(shù)選擇：控制字（000-111）對應(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際頻率的關(guān)系為： 式中 code 為 FS0-FS11 相等的十進制數(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。同時它也指出了新數(shù)據(jù)到達的有效時間。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（50Hz），元器件本身是使產(chǎn)生噪聲的主要因素，當(dāng)頻率越來越大時，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)勢時）對噪聲的影響遠(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)時丟碼越少。當(dāng)濾波器的頻率設(shè)為 1kHz 時，AD7710 只能實現(xiàn) 12位的無誤碼。在這個系統(tǒng)中選用濾波頻率為 50Hz，輸入增益為 8 時，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，這些可以通過控制寄存器選擇。只要將信號寫入控制寄存器，校準(zhǔn)模式可以在任意時候啟動。芯片有自校準(zhǔn)模式，這種模式可以通過使用校準(zhǔn)寄存器和SRAM 保存校準(zhǔn)參數(shù)實現(xiàn)。通過使用系統(tǒng)校準(zhǔn)模式,芯片的其他部分也可消除補償和增益誤差。在背景校準(zhǔn)模式，芯片可不斷的進行自校準(zhǔn)，同時還可不斷的更新校準(zhǔn)參數(shù)。一旦芯片進入這種模式，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）。 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)寫進校準(zhǔn)寄存器以改變校準(zhǔn)參數(shù)。這使得微處理器對AD7710 的校準(zhǔn)過程具有更強的控制能力。這意味著用戶能夠檢驗所進行的校準(zhǔn)是否正確同時可以糾正它（通過將校準(zhǔn)寄存器中的參數(shù)與預(yù)先存入E2PROM 的數(shù)據(jù)進行比較）。 4、AD7710 應(yīng)用電路以及與單片機的接口電路 AD7710 的實際應(yīng)用以及接口電路圖如圖 3-13 所示。在實際的 AD7710 使用時，AD7710 工作狀態(tài)設(shè)定為：外部時鐘計數(shù)模式、外部信號差分輸入、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，單極性輸入。時鐘計數(shù)模式需要通過硬件設(shè)置選擇，MODE 腳接低，選擇外部時鐘計數(shù)模式。其它狀態(tài)的設(shè)定通過寫狀態(tài)控制寄存器來選定。 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)。在進行讀操作時，A0 必須保持有效。A0＝1，可對輸出寄存器或校準(zhǔn)寄存器進行讀操作。A0＝0，可對控制寄存器進行讀操作。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，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 不會輸出確認(rèn)信號。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，而此時的輸出寄存器沒有將數(shù)據(jù)輸出完畢，DRDY 將不會輸出確認(rèn)信號，這些新的數(shù)據(jù)將會丟失。在對控制寄存器和校準(zhǔn)寄存器進行讀操作時，DRDY 不會受到影響。只有當(dāng) DRDY 為低電平時， 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，而此時的 RFS 變成低電平，仍然無法傳送數(shù)據(jù)。在對控制寄存器或校準(zhǔn)寄存器進行讀操作時，DRDY 不能施加任何影響。AD7710 在外部時鐘模式下的讀操作時序圖如圖 3-14 所示。 AD7710 的寫操作：可以對控制寄存器和校準(zhǔn)寄存器進行寫操作。在任何情況下，寫操作都不會受 DRDY 的影響，同時寫操作也不對 DRDY 的狀態(tài)有任何影響。對控制寄存器和校準(zhǔn)寄存器進行寫操作時，寫入的數(shù)據(jù)必須是 24 位的。圖 3-15 是 AD7710 寫操作的時序圖。A0 決定是對控制寄存器還是對校準(zhǔn)寄存器進行寫操作。在對寄存器進行寫操作時，A0 必須一直有效。TFS 的下降沿啟動 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 最后一個高電平處，最后一位數(shù)據(jù)寫入寄存器。因此在這個高電平的下降沿，SCLK 的輸出端將被關(guān)閉。 根據(jù)外部時鐘模式的讀寫時序，讀寫操作的流程圖如圖 3-16 所示。進行讀操作時，所有數(shù)據(jù)位在 SCLK 下降沿且在下一個 SCLK 上升沿有效，因此應(yīng)該在 SCLK 置低后檢測 SDATA 引腳電平。而寫操作時，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)生時鐘信號。 3.2 人機交互模塊 現(xiàn)場溫度控制儀表可以實時顯示恒溫槽的實際溫度值；用戶可以通過按鍵設(shè)定現(xiàn)場溫度控制儀表的各種參數(shù)，因而現(xiàn)場溫度控制儀表應(yīng)具有鍵盤顯示接口，可以方便的實現(xiàn)人機交互的功能。 3.2.1 液晶顯示模塊電路設(shè)計 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)動模塊，所以實際使用方便，與控制器的接口電路簡單。 HXMG128064 顯示模塊的顯示屏為 128 列，64 行結(jié)構(gòu)。使用兩片驅(qū)動控制器，每片有 64 路輸出，分別驅(qū)動 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；顯示存儲器用于存儲顯示數(shù)據(jù)，顯示屏上各像素點的顯示狀態(tài)與顯示存儲器的各位數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，顯示存儲器的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動信號。數(shù)據(jù)為“1”，則相應(yīng)的像素點顯示；數(shù)據(jù)為“0”，則相應(yīng)的像素點不顯示。液晶顯示模塊的邏輯電路和接口電路框圖如圖 3-17 所示，其外部引腳說明如表 3-2 所示。 液晶模塊內(nèi)部驅(qū)動器只要提供電源就能產(chǎn)生驅(qū)動信號和各種同步信號，所以只要了解了驅(qū)動器的輸入特性以及幾個簡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的接口電路有兩種： 1、 間接訪問方式接口電路 間接訪問方式是計算機通過自身的或系統(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。計算機通過對這些接口的操作，以實現(xiàn)對液晶顯示模塊的讀/寫操作和相關(guān)的顯示控制。圖3-18是實用電路圖。圖中51單片機的P1口作為數(shù)據(jù)口，P32為讀寫信號，P33為寄存器選擇信號，P35為使能信號E，P34作為復(fù)位控制信號。片選信號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）。這種方法的特點是電路簡單，可以實現(xiàn)高速計算機與模塊的接口，但是液晶模塊的讀/寫操作的控制時序需要通過軟件實現(xiàn)，增加了在軟件上的開銷，也增加了液晶顯示模塊調(diào)試的時間。所以在實際電路的設(shè)計中選用了另一種直接訪問方式接口電路，在原有的電路上只增加了一個與非門，就大大的簡化了調(diào)試以及程序的編寫。 2、 直接訪問方式接口電路 直接訪問方式就是將模塊的接口作為存儲器或I/O設(shè)備直接掛在計算機總線上，計算機以訪問存儲器或I/O設(shè)備的方式對模塊操作。圖3-19是直接訪問方式的接口實用電路圖。片選信號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 信號由51單片機的讀信號/RD 和寫信號/WR 合成產(chǎn)生；RS為控制寄存器選擇信號；R/W控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向。同過電位器R可以調(diào)節(jié)液晶屏的顯示亮度。 系統(tǒng)采用了直接訪問接口電路，通過這種接口方式，單片機向液晶進行讀寫操作時不需要通過軟件來實現(xiàn)復(fù)雜的時序控制，只是把它當(dāng)成普通的 I/O 進行操作，實現(xiàn)簡單有效。 在實際使用時，LCD 與 LED 不同。LED 顯示需要單片機一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，所以不會占用太多的處理器時間，但是 LCD 顯示內(nèi)容豐富，所以需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，但是實際上每次變化的內(nèi)容并不多，所以可以針對不同情況來對液晶屏更新可以節(jié)約處理器在顯示上所花的時間。具體見軟件部分的介紹。 3.2.2 按鍵電路設(shè)計 在設(shè)計按鍵時，根據(jù)按鍵多少有不同的設(shè)計方法：獨立式按鍵結(jié)構(gòu)和矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。獨立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)建成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它I/O口線的工作狀態(tài)。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但是每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵較多時，I/O口線浪費較