热电偶智能仪表设计说明书

热电偶智能仪表设计说明书

本设计根据任务要求，采用单片机AT89c51作为控制处理器；采用AD590集成温度传感器，采用k型热电偶（镍铬-镍硅热电偶），热电偶信号经前端电路低通滤波、放大后，经14位精度AD转换器ICL7135转换为数字信号；单片机AT89c51接受并处理热电偶转换后的数字信号后，通过LED显示出检测的热电偶温度信号；系统工作期间可以通过外接键盘设定热电偶温度信号显示范围及当前所测热电偶的路数；同时本设计具有报警功能，以保证系统的稳定正常工作。

1 最小系统电路

采用AT89C51作为主控模块，带4K字节存储器，晶振为12MHZ，其中单片机的P0口为输出，当输出数据时需要接上拉电阻。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，至内部时钟信号要通过一个二分频触发器。RESET为复位输入，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。单片机最小系统电路图如图1。

图1 最小系统电路图

2 前向通道模块

本设计需要测量20路热电偶信号，热电偶采用k型（镍铬-镍硅热电偶），温度测量范围为0~1300℃，精度为1℃。由于热电偶测量电路需要冷端补偿。使用传统的电路桥补偿，电路复杂、体积庞大且造价高。本设计使用本设计使用AD590集成温度传感器，不仅电路简单并且造价经济。如图2所示。

图2 AD590电路图

热电偶放大部分采用三运放差分放大器，如图3中的三级运放差分放大器由II级组成，第I级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗，第II级采用差动电路用以提高共模抑制比，且它还具有低噪声、低漂移的特点，由于ADC的输入电压范围为0~±1.9999V，根据表1-1，这里只需放大40倍。AD转换器选择14位半高精度的双积分集成ADC芯片ICL7135。它的分辨率相当于14位二进制数，转换误差为±1LSB。ICL7135转换结果输出是动态的，因此必须通过并行接口才能与单片机连接，故采用并行接口芯片8155与单片机连接。其中74LS157为4位2选1的数据多路开关，通过高位选通信号D5使其控制ICL7135的数据传送。一片16选1芯片CD4067和一片8选1芯片CD4051组合成多路模拟开关，满足20路测温要求。

图3 差分放大器电路图

系统连接图如图4所示。

图4 系统连接图

3 系统自检

开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理。开机自检程序包括对RAM、ROM、I/O口状态、前向通道、键盘、显示等的检测。

1RAM检查RAM读写是否正常，实际操作是向RAM单元写“00H”，读出也应为“00H”，再向其写“FFH”，读出也应为“FFH”。如果RAM单元读写出错，应给出RAM出错提示(声光或其它形式)，等待处理。测试RAM的真正目的是保证硬件系统的可靠性。。

2ROM单元的内容对ROM单元的检测主要是检查ROM单元的内容的校验和。所谓ROM的校验和是将ROM的内容逐一相加后得到一个数值，该值便称校验和。ROM 单元存储的是程序、常数和表格。一旦程序编写完成，ROM中的内容就确定了，其校验和也就是唯一的。若ROM校验和出错，应给出ROM出错提示(声光或其它形式)，等待处理。测试ROM的真正目的是保证程序完整性。嵌入式软件和启动代码存放在ROM里，不能保证长期稳定可靠，因为硬件注定是不可靠的

3I/O口状态首先确定系统的I/O口在待机状态应处的状态，然后检测单片机的I/O口在待机状态下的状态是否正常(如是否有短路或开路现象等)。若不正常，应给出出错提示(声光或其它形式)，等待处理。

4除了对上述单片机内部资源进行检测外，对系统中的其它接口电路，比如前向通道转换电路等，对与前向通道可以给单片机一个标准信号通过A/D转换检测，如图5标准信号电路所示，产生2.5V标准电压信号；又如键盘、显示电路，均应通过软件进行检测，确定是否有故障。

只有各项检查均正常，程序方能继续执行，否则应提示出错。

图5 标准信号电路

4 报警电路模块

设计中的报警模块，保证系统自检电路或单片机出现问题时，能及时发现故障所在之处。当系统自检或运行过程中发生故障时，给出声光报警信号。电路如图6报警电路所示。其中三极管型号为9013，二极管型号为4051。

图6 报警电路

5 显示模块及人机接口

本设计显示模块使用6个LED显示，其中2个LED作为显示当前热电偶路数显示，其余4个作为温度显示，温度3为整数一位小数。显示电路如图7 显示电路图所示。

图7 显示电路图

本设计采用矩阵式键盘，如图8利用A T89C51串行接口和74HC164扩展矩阵式键盘，扩展电路可以大大减少键盘对I/O接口的占用量。

图8 键盘电路图

6 电源电路

仪表需要电源为+5V、±12V电压

T1

图9 键盘电路图

7 系统软件设计

1、系统主程序及自检程序

主程序主要包括初始化模块、自诊断程序模块、键扫描与处理模块、显示模块等几部分组成。

开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理。开机自检程序包括对RAM、ROM、I/O口状态、前向通道、键盘、显示等的检测。

系统上电复位后，单片机首先进入系统的初始化模块，该模块的主要任务是

设置堆栈指针、初始化RAM工作区以及通道地址、设置中断和开断等。由于本系统通道比较多，而且采样数据位12位，加上一些给定值，所占的内存单位较多；因此，该系统将同时使用内部RAM及外部RAM。主程序流程图如图10所示。

图10 主程序流程图

然后程序进入自诊断模块，在模块中，先由程序自身设置一个测试数据，在多路开关、放大器和A/D转换器转换成数字量送入CPU，CPU把得到的数据与原来设定的数据相比较，如两者的差距在给定的范围内，表明自诊断正常，程序可以进行；否则出错，表明仪表工作不正常，发出警告，等待及时处理，如诊断正常，程序进入显示模块，进行动态测量数据的刷新显示。进入键扫面与处理模块，等待接收按键并进行相应处理，然后回到显示模块的入口，程序周而复始地循环进行下去。自检程序流程如图11.

图11 自检程序流程

2、键盘扫描程序及温度报警程序

在键盘扫描和处理程序中，程序首先判断是否有键输入，如果有键输入，则操作键值。然后判断被按下的键是数字键还是功能键。如果是数字键，则送入显示缓冲区，供显示；如果是功能键，即转到相应的功能键处理程序，完成功能操作。键盘扫描程序如图12，报警程序如图13所示。

图12 按键扫描程序

图13 报警程序