設(shè)計二數(shù)字儀表的制作

1、數(shù)字式溫度計的設(shè)計實驗?zāi)康暮鸵竽康模?）通過本次綜合設(shè)計，進一步了解智能傳感與檢測技術(shù)的基本原理、智能檢測系統(tǒng)的建立和智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計過程。（2）學(xué)生設(shè)計制作出數(shù)字式溫度計，提高學(xué)生有關(guān)工程系統(tǒng)的程序設(shè)計能力，。（3）進一步熟悉掌握單片機技術(shù)、c 語言、匯編語言等以及在智能檢測設(shè)計中的應(yīng)用。要求（1）充分理解設(shè)計內(nèi)容，并獨立完成綜合設(shè)計報告。（2）綜合設(shè)計報告要求：綜合設(shè)計題目，綜合設(shè)計具體內(nèi)容及實現(xiàn)功能，結(jié)果分析、收獲或不足，程序清單，參考資料。實驗設(shè)備熱電偶、Easypro編程軟件、熱電偶或智能傳感器DS18B20、Keil c安裝盤、PC機、剝線鉗、面包板、鑷子、導(dǎo)線、電源、示波器、

2、萬用表、頻率計、單片機及其外圍電路所需元器件、烙鐵、焊接板等焊接工具、萬用表、電源、TEKTRONIX TDS1002 60MHZ示波器。實驗原理、內(nèi)容 本實驗培養(yǎng)學(xué)生了解便攜式數(shù)字儀表的制作，數(shù)字式顯示儀表是一種以十進制數(shù)形式顯示被測量值的儀表，與模擬式的顯示儀表相比較，數(shù)字顯示儀表具有讀數(shù)直觀方便，無讀數(shù)誤差準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，易于和計算機聯(lián)機進行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點。數(shù)字式顯示儀表的基本構(gòu)成方式如下，圖中各基本單元可以根據(jù)需要進行組合，以構(gòu)成不同用途的數(shù)字式顯示儀表。將其中一個或幾個電路制成專用功能模塊電路，若干個模塊組裝起來，即可以制成一臺完整的數(shù)字式顯示儀表。其核心部件是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器

3、，可以將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以A/D轉(zhuǎn)換器為中心，可將顯示儀表內(nèi)部分為模擬和數(shù)字兩大部分。儀表的模擬部分一般設(shè)有信號轉(zhuǎn)換和放大電路，模擬切換開關(guān)等環(huán)節(jié)。信號轉(zhuǎn)換電路和放大電路的作用是將來自各種傳感器或變換器的被測信號轉(zhuǎn)換成一定范 圍內(nèi)的電壓值并放大到一定幅值，以供后續(xù)電路處理。儀表的數(shù)字部分一般由計數(shù)器，譯碼器，時鐘脈沖發(fā)生器，驅(qū)動顯示電路以邏輯控制電路等組成。經(jīng)放大后的模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，譯碼，驅(qū)動，送到顯示器件去進行數(shù)字顯示。熱電偶熱電偶的工作原理是基于熱電效應(yīng)，將被測溫度的大小轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱莸拇笮。瑹犭娕贾饕菧y高溫度源。熱電阻是將被測溫度轉(zhuǎn)換成電阻變化的

4、傳感器，敏感元件是金屬熱敏電阻。利用K型和E型熱電偶作為測溫敏感元件，將感測到的熱電勢經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換、放大，標(biāo)度轉(zhuǎn)換、線性化處理等數(shù)字化顯示出來，構(gòu)成基于熱電偶的數(shù)字溫度測試儀。1823年塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時，回路中就要產(chǎn)生熱電勢，稱為塞貝克電勢。這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。如圖1：兩種不同材料的導(dǎo)體A和B，兩端聯(lián)接在一起，一端溫度為T0，另一端為T（設(shè)T> T0），這時在這個回路中將產(chǎn)生一個與溫度T，T0以及導(dǎo)體材料性質(zhì)有關(guān)的電勢EAB（T，T0），顯然可以利用這個熱電效應(yīng)來測量溫度。在測量技術(shù)中，把由兩種不同材料構(gòu)成的上

5、述 熱電交換元件稱為熱電偶，稱A，B導(dǎo)體為熱電極。兩個接點，一個為熱端（T），又稱工作端，另一個為冷端（T0），又稱為自由端或參考端。熱電勢EAB（T，T0）的產(chǎn)生，是由兩種效應(yīng)引起的智能溫度傳感器DS18B20是Dallas公司推出的單數(shù)字式測溫芯片，它能在現(xiàn)場總線采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接換成數(shù)字量輸出。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。DS18B20只有3個引腳，說明如下：DQ數(shù)據(jù)輸入輸出。漏極開路1線接口。也在寄生電源模式給設(shè)備提供電源。可選的電源電壓腳。在寄生電源模式時必須接地。GND地。DS18B20是在DS1820基礎(chǔ)上生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器，其特點是：可將被測溫度直接

6、轉(zhuǎn)換成計算機能識別的9到12位二進制數(shù)字信號輸出；準(zhǔn)確度高；信息傳送只需一根信號線。DS18B20測溫范圍為-55125，準(zhǔn)確度為2，而在-1085范圍內(nèi)，其準(zhǔn)確度為±0.5。它既可用于單點測溫，又可用于多點測溫，由于其輸出是數(shù)字信號，且是TTL電平，因此，使用非常方便。 DS18B20輸出的二進制數(shù)從最低開始起有效，其中最高位為符號位，即“0”為正溫度，“1”為負溫度， 其余位數(shù)表示被測溫度。圖2 DS18B20結(jié)構(gòu)圖 DS18B20的讀寫訪問DS18B20的順序如下：l 初始化；l ROM命令（接著是任何需要的數(shù)據(jù)交換）；l DS18B20函數(shù)命令（接著是任何需要的數(shù)據(jù)交換）。每

7、一次訪問DS18B20時必需遵循這一順序，如果其中的任何一步缺少或打亂它們的順序，DS18B20將不會響應(yīng)。初始化時序：所有與DS18B20的通信首先必須初始化：控制器發(fā)出復(fù)位脈沖，DS18B20以存在脈沖響應(yīng)。當(dāng)DS18B發(fā)出存在脈沖對復(fù)位響應(yīng)時，它指示控制器該DS18B20已經(jīng)在總線上并準(zhǔn)備好操作。讀/寫時序：控制器在寫時序?qū)憯?shù)據(jù)到DS18B20，在讀時序從DS18B20中讀數(shù)據(jù)。每一總線時序傳送1位數(shù)據(jù)。讀/寫時序圖見圖2-2。數(shù)據(jù)融合及方法基于知識型專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合基于知識的系統(tǒng)是將規(guī)則或知名的專家知識結(jié)合起來實現(xiàn)自動對目標(biāo)的識別。當(dāng)人工推理由于某種原因不能進行時，專家系統(tǒng)可以運用專

8、家的知識進行輔助推理?；谟嬎銠C的專家系統(tǒng)一般包括以下4個邏輯部分：一個知識庫，包括基本事實、算法和啟發(fā)式規(guī)則等；一個大型的包含動態(tài)數(shù)據(jù)的全局數(shù)據(jù)庫；一個控制結(jié)構(gòu)或推理機制；人機界面。由推理機制運用數(shù)據(jù)、事實和規(guī)則在知識庫中進行搜索，最后得出推理結(jié)果。圖3 讀/寫時序圖基于知識的專家系統(tǒng)檢測、分類和識別算法基于特征推理技術(shù)基于知識的模型基于物理的模型仿真最大似然估計卡爾曼濾波最小方差句法圖像代數(shù)貝葉斯方法基于參數(shù)的方法古典概率推理D-S理論廣義證據(jù)處理聚類算法基于信息論的方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表決方法熵量測邏輯模板模糊集理論品質(zhì)因數(shù)模式識別相關(guān)量測圖4 檢測、分類和識別算法的分類 .基于多點溫度傳感

9、器的數(shù)據(jù)融合方案多點溫度測量系統(tǒng)如圖5所示，可采用一個、兩個、三個等溫度傳感器測量被測對象的不同的溫度采用點的當(dāng)前溫度值，該系統(tǒng)的工作原理是二、三個DS18B20分布在不同位置用來感受被測對象不同位置的溫度，然后經(jīng)單片機處理，主要是數(shù)據(jù)融合的方法對不同位置的傳感器溫度數(shù)據(jù)進行空間數(shù)據(jù)融合，獲得有關(guān)溫度的一致性測量結(jié)果，對這些測量結(jié)果在顯示電路實時顯示。DS18B20·探測DS18B20探測DS18B20探測特征提取單片機目標(biāo)狀態(tài)測量目標(biāo)屬性測量顯示電路顯示實時溫度值特殊狀況處理如報警實驗步驟及方法基于E2ROM的數(shù)字溫度儀表 系統(tǒng)設(shè)計：基于熱電偶的數(shù)字溫度測試儀的設(shè)計方案如圖6所示。

10、數(shù)碼輸出數(shù)字顯示時鐘計數(shù)譯碼邏輯控制電路模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源放大電路信號轉(zhuǎn)換被測信號線性化電路及標(biāo)度變換系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)選用K型熱電偶測溫時，若被測溫度經(jīng)過熱電偶和數(shù)字溫度補償器后的熱電勢為20.636mv，經(jīng)過放大器的K型倍數(shù)放大后的A/D輸入電壓為0.394V，那么A/D轉(zhuǎn)換器的輸出讀數(shù)為：N=Ux / UR*2000=0.394/2*2000=394A/D轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼是0011 1001 0100，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應(yīng)的4511上，它將輸入BCD碼轉(zhuǎn)換成七段輸出，直接驅(qū)動共陰極型七段數(shù)碼管，進行讀數(shù)顯示。 當(dāng)選用E型熱電偶

11、測溫時，若被測溫度經(jīng)過熱電偶和數(shù)字溫度補償器后的熱電勢為27.452mv，經(jīng)過放大器的E型倍數(shù)放大后的A/D輸入電壓為0.450V，那么A/D轉(zhuǎn)換器的輸出讀數(shù)為：N=Ux / UR*2000=0.450/2*2000=450A/D轉(zhuǎn)換器輸出的BCD碼是0100 0101 0000，直接用BCD碼去尋址，然后EEPROM將該單元的BCD碼輸出到相應(yīng)的4511上，它將輸入BCD碼轉(zhuǎn)換成七段輸出，直接驅(qū)動共陰極型七段數(shù)碼管，進行讀數(shù)顯示。 可以用上述方法編制出K型和E型的分度表格，其它的測量參數(shù)表格的編制方法與這種表格方式類同。被測信號與信號轉(zhuǎn)換：采用K型和E型兩種熱電偶采集溫度信號，溫度源使用烘箱

12、。放大電路：采用ICL7650作為放大器，它具有極低的輸入失調(diào)電壓，溫漂、時漂也較低。A/D轉(zhuǎn)換器：采用MC14433作為A/D轉(zhuǎn)換器，它的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度非常適用于溫度測量系統(tǒng)。線性補償：利用查詢EEPROM的非線性補償方法，可以將非線性補償和標(biāo)度變換一起完成，簡化電路設(shè)計。計數(shù)譯碼：整個系統(tǒng)的工作頻率由A/D轉(zhuǎn)換器時鐘電路決定，在段碼轉(zhuǎn)換時采用了4511七段碼轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)字顯示與數(shù)碼輸出：最終的溫度值顯示使用LED數(shù)碼管輸出，也可以將其輸入計算機中做進一步運算處理。熱電偶微弱電壓信號的提取與放大熱電偶輸出的熱電勢信號，其大小只有毫伏級，不能做為后續(xù)電路的輸入信號，必須進入前置放大器進行信

13、號放大。因此選用ICL7650作為放大器，它具有極低的輸入失調(diào)電壓（典型值為±1uV），失調(diào)電壓的溫漂和時漂也極低，分別為0.01mV/°C和3.33nV/d。也可選用OP-07超低失調(diào)運算放大器作為前置放大器，但是失調(diào)電壓比ICL7650要大，因此，本方案采用ICL7650作為放大器。ICL7650的使用方法比較簡單，它和其他的運算放大器的使用方法類似，為了更好得起到放大的作用，需要對該芯片有一個電容補償元件，電容的型號為104即可，ICL7650的芯片資料如下面所示：Cextb： 外接電容1Cexta： 外接電容2-Input： 反向輸入端+Input：同向輸入端V-：

14、 負電源端Cretn： 外接電容的公共端Output：輸出端V+： 正電源端Int/clk： 時鐘輸出端Ext/clk：時鐘輸入端圖7 ICL7650為了更好的抑制共模輸入，在運放的輸入方式上選擇同向輸入，放大倍數(shù)是這樣考慮的，K型熱電偶的測溫范圍定在0到1299，E型熱電偶的測溫范圍定在0到799，然后將微弱的毫伏電壓放大到0到1伏的范圍，用于后面的A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。那么運放的放大倍數(shù)如下：A=1+R2/R1選用鎳鉻鎳硅（分度號為K）的熱電偶，要求測量范圍為01299，滿度1299時的熱電勢值為51.612mV，前置放大器的放大倍數(shù)A應(yīng)為 A1=A-1=1000/51.612-1=18.4若選

15、用鎳鉻銅鎳（分度號為E）的熱電偶，要求測量范圍為0799，滿度799時的熱電勢值為59.825mV，放大器的放大倍數(shù)A1應(yīng)為 A1=A-1=1000/59.825-1=15.7本數(shù)字儀表選用兩種型號的熱電偶測溫，則可通過切換開關(guān)改變放大器的放大倍數(shù)，使之滿度時的放大器輸出為1V。 A/D轉(zhuǎn)換的選用與設(shè)計：考慮到本設(shè)計屬于是一定范圍內(nèi)的溫度測量系統(tǒng)，溫度變化過程比較平穩(wěn)，不需要高速的A/D變換器，所以采用3.5位的雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器MC14433。MC14433是美國Motorola公司推出的單片3.5位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元

16、件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：(1) 精度：讀數(shù)的±0.05%±1字(2) 模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔(3) 轉(zhuǎn)換速率：2-25次/S(4) 輸入阻抗：大于1000M(5) 電源電壓：± 4.8V± 8V(6) 功耗：8mW（± 5V電源電壓時，典型值）(7) 采用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼分時在Q0Q3輪流輸出，同時在DS1DS4端輸出同步字位選通脈沖，很

17、方便實現(xiàn)LED的動態(tài)顯示。 圖8 MC14433(8) MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計等各類數(shù)字化儀表及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。Pin1(VAG)模擬地，為高阻輸入端，被測電壓和基準(zhǔn)電壓的接入地。Pin2( VR )基準(zhǔn)電壓，此引腳為外接基準(zhǔn)電壓的輸入端。MC14433只要一個正基準(zhǔn)電壓即可測量正、負極性的電壓。此外，VR端只要加上一個大于5個時鐘周期的負脈沖(VR)，就能夠復(fù)為至轉(zhuǎn)換周期的起始點。Pin3( Vx)被測電壓的輸入端，MC14433屬于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，因而被測電壓與基準(zhǔn)電壓有以下關(guān)系：輸出讀數(shù)Vx/VR*1999因此，滿量程的Vx=VR。當(dāng)

18、滿量程選為1.999V。VR可取2.000V，而當(dāng)滿量程為199.9mV時，VR取200.0mV，在實際的應(yīng)用電路中，根據(jù)需要，VR值可在200mV2.000V之間選取。Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接積分元件端,次三個引腳外接積分電阻和電容，積分電容一般選0.1uF聚脂薄膜電容，如果需每秒轉(zhuǎn)換4次，時鐘頻率選為66kHz，在2.000V滿量程時，電阻R1約為470k，而滿量程為200mV時，R1取27k。Pin7-Pin8( C01 C02 )外接失調(diào)補償電容端，電容一般也選0.1uF聚脂薄模電容。Pin9(DU)更新顯示控制端，此引腳用來控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。如果在積分器反向積分周

19、期之前，DU端輸入一個正跳變脈沖，該轉(zhuǎn)換周期所得到的結(jié)果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開關(guān)選擇后輸出。否則繼續(xù)輸出上一個轉(zhuǎn)換周期所測量的數(shù)據(jù)。這個作用可用于保存測量數(shù)據(jù)，若不需要保存數(shù)據(jù)而是直接輸出測量數(shù)據(jù)，將DU端與EOC引腳直接短接即可。Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)時鐘外接元件端，MC14433內(nèi)置了時鐘振蕩電路，對時鐘頻率要求不高的場合，可選擇一個電阻即可設(shè)定時鐘頻率，時鐘頻率為66kHz時，外接電阻取300k即可。Pin12（Vee）負電源端Vee，是整個電路的電壓最低點，此引腳的電流約為0.8mA，驅(qū)動電流并不流經(jīng)此引腳，故對提供此負電壓的電源供給電流要求不高。Pin13

20、(Vss)數(shù)字電路的負電源引腳。Vss工作電壓范圍為VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有輸出端均以Vss為低電平基準(zhǔn)。Pin14(EOC)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志位。每個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時，EOC將輸出一個正脈沖信號。Pin15(OR)過量程標(biāo)志位，當(dāng)|Vx|>VREF時，OR輸出為低電平。Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路選通脈沖輸出端。DS1、DS2、DS3和DS4分別對應(yīng)千位、百位、十位、個位選通信號。當(dāng)某一位信號有效（高電平）時，所對應(yīng)的數(shù)據(jù)從Q0、Q1、Q2和Q3輸出，兩個選通脈沖之間的間隔為2個時鐘周期，以保證數(shù)據(jù)有充分的穩(wěn)定時間。Pin20、21

21、、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD碼數(shù)據(jù)輸出端。該A/D轉(zhuǎn)換器以BCD碼的方式輸出，通過多路開關(guān)分時選通輸出個位、十位、百位和千位的BCD數(shù)據(jù)。同時在DS1期間輸出的千位BCD碼，還包含過量程、欠量程和極性標(biāo)志信息。Pin24(VDD)正電源電壓端。MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計等各類數(shù)字化儀表及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。至此，已經(jīng)將溫度信號放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 地址鎖存器：MC14433 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果采用BCD碼動態(tài)掃描輸出，因此每位數(shù)字要增加一個四位的鎖存器74LS373，把經(jīng)過多路組合的數(shù)據(jù)分離出來，并寄存在相應(yīng)的鎖存器內(nèi)，由MC14433的多

22、路調(diào)制選通脈沖DS4，DS3，DS2控制Q0，Q1，Q2，Q3BCD碼三位數(shù)據(jù)的輸出，經(jīng)個位，十位和百位鎖存器鎖存，輸出個，十，百三位BCD碼，在下一步中，以這十二位BCD碼作為EEPROM的地址線，對其進行尋址。在最初設(shè)計中，EEPROM的尋址應(yīng)該使用二進制碼進行，但是由于BCD碼到二進制碼的轉(zhuǎn)換芯片已經(jīng)停產(chǎn)，所以直接用BCD碼做為EEPROM的地址線，所以，就要在相應(yīng)的存儲單元存儲相應(yīng)的溫度值?？刂凭€轉(zhuǎn)換的頻率是由A/D轉(zhuǎn)換芯片的頻率決定的，通過選定外圍電路的電阻值來控制頻率的高低，在地址鎖存的時候本應(yīng)該在控制信號到來時傳輸數(shù)據(jù)的，由于我將A/D轉(zhuǎn)換的頻率設(shè)置在70赫茲，這樣在后續(xù)電路顯示

23、的時候，人眼是分辨不出來的。 EEPROM線性化器：AD轉(zhuǎn)換器的輸出作為地址碼訪問EEPROM時，EEPROM存放的表格內(nèi)容將被取出，送入顯示器以顯示被測的溫度。表格的編制方法如下：首先根據(jù)熱電偶的Et 特性曲線，在E坐標(biāo)上進行有限等分。K型的鎳鉻鎳硅熱電偶用于測量01299。設(shè)量化單位為q。Et 的量化曲線如圖4-3所示。顯然，AD轉(zhuǎn)換器的量化誤差d是與量化單位q、輸入函數(shù)x(t)有關(guān)。以K分度號熱電偶表格編制方法為例加以說明，溫度測量范圍0至1299，1299時的熱電勢查表為51.612mV。01299內(nèi)平均熱電勢為0.0516mV，即量化單位q0.0516mV。當(dāng)溫度為0時，熱電勢為0.000mV，AD轉(zhuǎn)換器輸出地址（16進制，下同）為0000，EEPROM內(nèi)寫入000.0數(shù)。經(jīng)過這種線性化的補償方法，可以把熱電偶的溫度特性曲線進行擬合，擬合的結(jié)果如圖4-4所示： 采用了這種借助線性化輔助曲線的方法，詳述如下：首先將K型熱電偶在1299時其轉(zhuǎn)換電壓是51.612mv，將其分成一千份，那么其最小分度就是q0.0561mv，分得越小，其精度越高，不過要受后續(xù)器件的精度影響。其次，在熱電偶的溫度特性表上每隔10找一個參考點，它的作用在于使線性化補償之后的擬合曲線始終在原溫度曲線附近，不會偏差太多，也可以選擇20，或更高，參考點相距越近，測量精度就越高。最后，在測量的時候，將實際測