畢業(yè)設計（論文）題目基于PT1000的精密測溫系統(tǒng)所屬院（系）電子信息工程學院2012年6月10日目錄目錄I摘要III第1章緒論111測溫技術的概述與發(fā)展1111溫標的發(fā)展1112溫度測量的成果1113溫度測量技術近年來的發(fā)展重點212本文設計的工作環(huán)境2第2章溫度測量概述與原理分析321溫度測量方法的分類及特點3211接觸式測溫方法3212非接觸式測溫422熱電阻測溫原理623鉑熱電阻溫度計724PT1000概述825PT1000測溫原理8第3章系統(tǒng)硬件組成1031總體系統(tǒng)框圖10311系統(tǒng)介紹10312元器件選型1032PT1000測溫系統(tǒng)的硬件組成11321熱電阻的引線方式11322溫度變送器ADT70123233V穩(wěn)壓模塊TPS78930133245V穩(wěn)壓模塊LM25761433主控單片機系統(tǒng)16331C8051F320單片機主要特性19332SPI總線介紹20333片內(nèi)可編程比較器2134AD轉(zhuǎn)換與LCD顯示電路23第4章系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)2641軟件流程圖2642SPI總線工作原理2743AD7795編程2844液晶編程28第5章實測數(shù)據(jù)29第6章總結(jié)30參考文獻31致謝32附錄33基于PT1000的精密測溫系統(tǒng)摘要溫度控制精度對精密工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的影響，而高精度的溫度測量時溫度控制的前提，設計并實現(xiàn)了基于四線制溫度變送器ADT70驅(qū)動PT1000的高精度溫度測量系統(tǒng)，分析了溫度測量中的恒流源、信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換等功能電路的工作原理和設計依據(jù)，給出了電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。實驗結(jié)果表明，該溫度測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，測量誤差不大于001。關鍵詞PT1000鉑電阻，溫度測量，單片機，液晶顯示HIGHPRECISIONTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMBASEDONPT1000ABSTRACTTHEACCURACYOFTEMPERATURECONTROLHASADECISIVEINFLUENCEONTHEQUALITYOFTHEHIGHPRECISIONINDUSTRIALPRODUCTS，ANDTHEPREMISEOFTHETEMPERATURECONTROLISTHEHIGHPRECISIONTEMPERATURE，MEASUREMENTTHISPAPERDESIGNSANDREALIZESTHEHIGHPRECISIONTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMBASEDONPT1000WHICHISDRIVENBYFOURWIRECONSTANTSOURCE，ITANALYZESTHEOPERATIONPRINCIPLESANDDESIGNBASISOFTHEFUNCTIONALCIRCUITSINTHISTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEM，WHICHCONSISTSOFCONSTANTCURRENTSOURCE，SIGNALPROCESSINGANDADCONVERSION，ITALSOGIVESCIRCUITSTRUCTURESANDPAREMETERSEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHISTEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMHASSTABLEHASSTABLEPERFORMANCESANDHIGHRELIABILITIES，ITSERRORSISNOTGREATERTHAN001KEYWORDSPT1000，TEMPERATUREMEASUREMENT，SINGLECHIP，LCD第1章緒論11測溫技術的概述與發(fā)展溫度測量是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科研等部門最普通的測量項目。它在工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代科學研究及高新技術開發(fā)過程中也是一個極其普遍而重要的測量參數(shù)。溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是國際單位制中7個基本物理量之一，它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究有著密切關系。隨著科學技術水平的不斷提高，溫度測量技術也得到了不斷的發(fā)展。111溫標的發(fā)展在生產(chǎn)和科學研究中，為了便于測量結(jié)果準確一致，需要給物體冷熱程度以定量的描述。因此，有必要建立適當?shù)臉顺邅砗饬课矬w的冷熱程度，以便科學的描述物體各種性能隨溫度變化的關系。溫標就是溫度的數(shù)值表示方法，它是借助于隨溫度變化而變化的物理量來定義溫度數(shù)值的。各種各樣的溫度計的數(shù)值都是由溫標來決定的。所以可以說溫標就是溫度的標尺。溫度是表示溫度數(shù)值的一套規(guī)則，它明確了溫度的單位。溫度測量離不開溫標的概念，溫標是溫度測量中的參照標準。隨著社會生產(chǎn)及科學技術的進步，溫標的復現(xiàn)也在不斷的發(fā)展。大約每20年對溫標做一次較大的修改或更新。1990年國際溫標是根據(jù)第18屆國際計量大會第7號決議的要求，由第77屆國際計量委員會于1989年會議通過的。本世紀初國際權度局制定的“標準溫標”范圍從0100，其復現(xiàn)性為002，隨著科學技術的發(fā)展，標準溫標的復現(xiàn)精度大幅提高，前蘇聯(lián)計量科學研究院在0400范圍內(nèi)溫標點精度達00005，美國標準局水三相點的溫度復現(xiàn)性達00001。112溫度測量的成果在溫度測量方面各國均取得了許多可喜的成果，其中前蘇聯(lián)的壓電石英頻率溫度計分辨能力可達00001，理論上可達000001，而且在40230范圍內(nèi)具有溫度與頻率的線性特性；日本利用所謂石英溫度頻率轉(zhuǎn)換器可在80200溫度范圍內(nèi)，最大分辨率達00001；美國標準局研制的電阻溫度計25歐標準鉑電阻溫度計，電橋分辨率為000002；我國生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨率達到00001，誤差在005以內(nèi)，中國航天工業(yè)總公司702所研制的5901（STP1000）型粘貼式溫度片，其靜態(tài)測溫精度為05，快速響應時間小于0013S。113溫度測量技術近年來的發(fā)展重點傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測量方法以其技術成熟、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點，在未來溫度測量領域中依然能夠廣泛使用。隨著新材料、新工藝以及一些新技術的發(fā)展，其應用范圍更加拓展。12本文設計的工作環(huán)境硬件環(huán)境各種元器件、電路板、仿真軟件開發(fā)工具PROTEL99SE電路設計、MULTISUM仿真軟件、SILICONLABORATORIESIDE單片機編程界面。第2章溫度測量概述與原理分析21溫度測量方法的分類及特點溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是國際單位制中七個基本物理量之一，它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學技術研究有著密切關系。隨著人類社會的不斷進步和科學技術水平的不斷提高，溫度測量技術也得到了不斷的發(fā)展。溫度測量方法有很多，也有多種分類。比如從測量時傳感器中有無電信號可以劃分為非電測量和電測量兩大類；從測量時傳感器與被測物體接觸方式不同可以劃分為接觸式和非接觸式兩種等等。而每種測量方法中又有很多種類，如膨脹式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、光學溫度計和紅外溫度計等。近年來，隨著技術水平的進步，出現(xiàn)了更多新的測試方法。211接觸式測溫方法將接觸式測溫方法分為膨脹式測溫、電量式測溫和接觸式光電、熱色測溫等三大類。接觸式測溫法在測量時需要與被測物體或介質(zhì)充分接觸，測量的是被測對象和傳感器的平衡溫度。在測量時除了會對被測溫度有一定干擾外，還要保證傳感器不與被測介質(zhì)有化學反應，另外大多數(shù)接觸式測量方法會存在導熱誤差、輻射誤差等影響。2111膨脹式測溫方法膨脹式測溫是一種比較傳統(tǒng)的溫度測量方法，它主要利用物質(zhì)的熱脹冷縮原理，即根據(jù)物體體積或幾何形變與溫度的關系進行溫度測量。膨脹式溫度計包括玻璃液體溫度計、雙金屬膨脹式溫度計和壓力式溫度計等。2112電量式測溫方法電量式測溫方法主要利用材料的電勢、電阻或其它電性能與溫度的單值關系進行溫度的測量，包括熱電偶溫度測量、熱電阻溫度測量、集成芯片溫度測量等。2113接觸式光電、熱色測溫方法接觸式光電測量方法主要是指通過接觸被測對象，將溫度變化引起的熱輻射或其他光信號引出，通過光電轉(zhuǎn)換器件檢測其變化從而測量溫度的方法。接觸式光電測溫方法本身使用輻射或光電原理進行溫度測量，但在測量中傳感器要和被測對象接觸。因此這種測溫方法兼具有兩種測量方法的優(yōu)點和缺點。首先是不像電量式測量方法一樣容易受到電磁的干擾，可以應用在電磁環(huán)境下進行溫度測量；另外可以避免非接觸式輻射溫度計那樣容易受到被測對象表面發(fā)射率和中間介質(zhì)的影響。缺點是也會干擾被測對象的溫度，帶來接觸式測溫方法引起的一些誤差。熱色測溫方法主要通過示溫敏感材料的顏色在不同溫度下發(fā)生變化來指示溫度的。示溫涂料是一些化合物或混合物，能夠伴隨外界溫度的改變而迅速引起其固有顏色的變化，反過來可以根據(jù)其顯示的當前顏色來測量溫度。根據(jù)示溫涂料變色后出現(xiàn)顏色的穩(wěn)定性，可以分成逆型示溫涂料和不可逆型示溫涂料；又可根據(jù)涂層隨溫度變換所出現(xiàn)的顏色多少分為單變色示溫涂料和多變色示溫涂料。示溫涂料根據(jù)材料的不同，可以覆蓋室溫到1600溫度范圍，測溫誤差大約在（1020）。示溫涂料可以測量運動的物體或其他復雜情況表面的溫度分布，使用簡單方便，缺點是影響判別溫度結(jié)果的因素比較多，如涂層厚度、判讀方法、樣板和示溫顆粒大小等，目前主要還是靠人工判讀。212非接觸式測溫與接觸式測溫相比，非接觸式測溫法不需要與被測對象接觸，因而不會干擾溫度場，動態(tài)響應特性也很好，但是會受到被測對象表面狀態(tài)或測量介質(zhì)特性參數(shù)的影響。2121輻射式測溫方法輻射式測溫方法都是建立在熱輻射定律基礎上的。當實際物體的輻射強度（包括所有的波長或大部分波長）與黑體的輻射強度相等，則黑體的溫度稱為實際物體的輻射溫度；當實際物體（非黑體）在某一波長下的單色輻射亮度同黑體在同一波長下的單色輻射亮度相等時，則該黑體的溫度稱為實際物體的亮度溫度；當黑體與實際物體（非黑體）在某一光譜區(qū)域內(nèi)的兩個波長下的單色輻射亮度之比相等，則黑體的溫度稱為實際物體的顏色溫度?；谝陨先N表現(xiàn)溫度測量方法的高溫計分別稱為全輻射高溫計、亮度式高溫計和比色式高溫計。不同結(jié)構(gòu)類型的輻射高溫計測量范圍不同，目前定型的高溫計可以覆蓋503200的溫度范圍。2122光譜法測溫非接觸式的光譜法測溫方法主要適用于高溫火焰和氣流溫度的測量。它主要通過檢測被測激發(fā)光譜信號進行溫度測量。當單色光線照射透明物體時，會發(fā)生光的散射現(xiàn)象。散射光包括彈性散射和非彈性散射，彈性散射中的瑞利散射和非彈性散射中的拉曼散射都的光強都與介質(zhì)的溫度有關。相比而言，拉曼散射光譜測溫技術的實用性更好，其主要應用之一就是測量高溫氣體的溫度。2123激光干涉測溫方法激光散斑照相法、紋影法和干涉法均是基于光的干涉原理，都適用于高溫火焰和氣流溫度的測量?；诟缮嬖淼母鞣N光學方法測量介質(zhì)的溫度場，均可以等效為首先測量介質(zhì)的折射率分布。它們的測量原理是將流場中各處折射率的變化（即密度的變化）轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N光參量的變化，記錄并處理后可以得到其溫度和分布。2124聲波、微波法測量聲學測溫是基于聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度有關這一基本原理實現(xiàn)的，因此只要測的聲速，就可以推算出溫度?？梢灾苯訙y量聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度，也可以測量放在被測介質(zhì)中的細線的聲波傳播速度。這種方法可以用于測量高溫氣體或液體的溫度，選用合適的細線材料，也適用于測量腐蝕性介質(zhì)的溫度。聲波法測溫在高溫時有更高的靈敏度。溫度測量方法接觸式測溫非接觸式測溫膨脹式測溫電量是測溫接觸式光電、熱色測溫輻射式測溫激光干涉測溫光譜法測溫聲波、微波法測溫壓力式溫度計測溫雙金屬溫度計測溫玻璃液體溫度計測溫集成芯片測溫半導體測溫鉑熱電阻測溫熱電偶測溫光導管測溫光纖測溫示溫漆熱像儀測溫多光譜測溫比色式測溫亮度式測溫全輻射測溫激光散斑照相法測溫紋影法測溫、干涉儀法測溫激光全息照相法測溫光譜吸收法測溫受激熒光光譜測溫瑞利、拉曼散射光譜GARS測溫超聲波法測溫微波衰減法測溫圖21溫度測量方法22熱電阻測溫原理由于金屬、半導體等的電阻隨溫度的變化而變化，這就使得我們有可能利用金屬電阻的變化來測量溫度，利用金屬、合金或半導體的電阻的變化來測量溫度的儀器叫做電阻溫度計。電阻溫度計使用方便，易于實現(xiàn)自動測量和控制，因此在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應用。電阻溫度計的優(yōu)點是準確度高；輸出信號大，靈敏度高；測溫范圍廣，穩(wěn)定性好；不需要參考溫度點。但是抗機械沖擊差，元件結(jié)構(gòu)復雜、尺寸較大，熱響應時間長。原理上很多金屬的電阻率都隨溫度變化而變化，可以作為電阻溫度計的材料。但由于各方面因素的影響，只有若干種金屬適于作電阻溫度計的敏感元件，它們應滿足以下要求（1）為了達到電阻和溫度之間關系穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，要求在使用的溫度范圍內(nèi)材料的化學和物理性質(zhì)穩(wěn)定。（2）電阻溫度系數(shù)要大，這樣才有一定的靈敏度。（3）電阻率要大，使敏感元件可以小型化。（4）電阻與溫度必須單值對應，電阻與溫度的關系線性要好。（5）材料要易于提純，要能分批復制而不改變其性能，有良好的互換性。經(jīng)過對大量材料的比較研究，適宜作測溫元件的金屬有鉑（PT）、銅（CU）、鑷（NI）、鎢（W）等。其中以鉑為最好，其次是銅。鉑具有制造電阻溫度計的很多優(yōu)點，因此從ITS1927溫標以來一直作為內(nèi)插儀器，在工業(yè)上鉑電阻的應用也非常廣泛。銅的特點是電阻溫度系數(shù)大，電阻溫度關系近似于一條直線，銅易提純而且價格便宜，因此在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。但是它易于氧化，所以只能在低于150的溫度下無腐蝕的環(huán)境中使用，鑷與銅的情況類似。23鉑熱電阻溫度計鉑作為熱電阻溫度計的優(yōu)點是（1）鉑的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，即使在高溫下也不易氧化，除還原性介質(zhì)外不與介質(zhì)作用；（2）鉑的溫度系數(shù)大，在0100之間平均溫度系數(shù)為左右；310925（3）鉑的比阻較大，為；M2981（4）鉑的電阻與溫度關系平滑，可用一個比較簡單的方程表示；（5）鉑易提純，可達很高的純度。正因為鉑具有制造電阻溫度計的很多優(yōu)點，因此從1927年國際溫標（ITS27）以來一直選用它作為內(nèi)插儀器。ITS90溫標選用它作為138033K96178范圍的標準內(nèi)插儀器。鉑熱電阻溫度計一般的使用范圍是200850，其電阻和溫度關系分成兩個溫度范圍分別描述。對于2000的溫度范圍10132TCBTAROT在0850的溫度范圍2TOT式中溫度為0時鉑電阻的電阻值，；R溫度為T時鉑電阻的電阻值，；TT被測溫度，；A常數(shù)，等于；13098B常數(shù)，等于；275C常數(shù)，等于。10834在工業(yè)生產(chǎn)和科研試驗研究中大量使用工業(yè)鉑電阻溫度計（IPRT）。在我國一般習慣稱為鉑熱電阻，國外稱RTD。鉑熱電阻的主要型式有兩種一種是由細鉑絲繞制而成，絲的直徑可以小到01MM，然后封裝在金屬、玻璃或陶瓷保護管內(nèi)；另一種使用鉑制薄膜作為元件，它又有厚、薄膜鉑電阻之分。厚膜是將鉑墨水印制在氧化鋁制的載體上，然后再繞制，隨后表面覆蓋一層釉，再次焰燒以在鉑元件的表面形成一層堅固的保護膜，它的使用溫度不太高，約為500。另一種薄膜鉑電阻是用真空濺射薄膜元件，經(jīng)過光刻、鍍保護膜，焊接引線而做成適宜于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，是現(xiàn)在比較常見的工業(yè)鉑熱電阻。24PT1000概述PT1000是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的1000即表示它在0時阻值為1000歐姆，在300時它的阻值約為2120515歐姆。它的工作原理當PT1000在0攝氏度的時候他的阻值為1000歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。25PT1000測溫原理鉑電阻傳感器是利用金屬鉑（PT）的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的溫度傳感器。以鉑電阻作為測溫元件進行溫度測量的關鍵是要能準確地測量出鉑電阻傳感器的電阻值。按照IEC751國際標準，現(xiàn)在常用的PT1000（R01000）是以溫度系數(shù)TCR0003851為標準統(tǒng)一設計的鉑電阻。其溫度電阻特性是對于2000的溫度范圍10132TCBTAROT在0850的溫度范圍2TOT式中溫度為0時鉑電阻的電阻值，；R溫度為T時鉑電阻的電阻值，；TT被測溫度，；A常數(shù)，等于；13098B常數(shù)，等于；275C常數(shù)，等于。10834這樣就可以把溫度的測量裝換為電阻值的測量，只要能精確地測出PT1000的電阻值便可以精確地測量出溫度。第3章系統(tǒng)硬件組成31總體系統(tǒng)框圖CPU5V電源模塊LED顯示開關溫度測量模塊33V電源模塊電源圖31系統(tǒng)總體框圖311系統(tǒng)介紹PT1000溫度測量系統(tǒng)主要由溫度測量模塊、CPU、LED顯示、電源部分以及開關等組成。312元器件選型經(jīng)過反復的篩選，所選用的器件既考慮到經(jīng)濟成本，又考慮到其精度問題，主要用到以下器件鉑電阻PT1000、單片機C8051F320、AD轉(zhuǎn)換芯片AD7795、鉑電阻溫度變送器ADT70、5V穩(wěn)壓電源芯片LM2576、3V穩(wěn)壓電源芯片TPS78930、液晶顯示器MZLH0412864。32PT1000測溫系統(tǒng)的硬件組成321熱電阻的引線方式二線制在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制，這種方法引線簡單，但由于連接導線存在電阻誤差，不適合精度要求較高的場合。三線制在熱電阻根部的一端連接一根引線，另一端引出兩根線，這種接線方式叫做三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻。四線制在熱電阻的兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定的電流I，把R的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號U的變化，再通過另兩根引線將U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度測量。在熱電阻中，由于PT1000具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓而且線性度好的優(yōu)點，因此在該設計中我們選用PT1000做為測溫傳感器。PT1000是鉑熱電阻，其外形如圖所示，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的1000即表示它在0度時阻值為1000歐，在100度時它的阻值約為1385歐。圖32PT1000實物圖322溫度變送器ADT70鉑電阻必須配以專用的變送器才可以高精度的工作，在此次設計中我們選用ADT70。ADT70為鉑電阻提供激勵源和信號整形電路，專為PT1000型鉑電阻設計使用，并允許一個寬溫度范圍。它也可以容易地應用于PT100鉑電阻。使用一個低成本的薄膜鉑電阻，ADT70的測量范圍是50度500度。使用高效能的鉑電阻，這個溫度可擴展至1000度。ADT70PRTD系統(tǒng)的精確測量范圍可以從200度1000度并取決于鉑電阻的質(zhì)量。ADT70的典型應用電路可在滿量程內(nèi)使誤差減小為1度，并且此誤差可通過修正后變?yōu)?。ADT70內(nèi)部含有兩個1MA的電流源，一個精密儀用放大器，一個25V基準源和一個獨立的運算放大器，另外ADT70有一個關斷控制引腳以使它工作在低功耗模式，它可以使ADT74的電流由4MA降到10A。用5V單電源或/5V雙電源供電,傳感器用四線制方式，可消除由鉑熱電阻引線而造成的測溫誤差。ADT70的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖39所示。單電源供電基本應用電路如圖310所示，芯片內(nèi)部包含25V基準電壓源、2個對稱輸出式電流源、儀表放大器A1、運算放大器A2以及低功耗控制電路等。圖33ADT70內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADT70與PT1000組成的電路如下圖所示，為了得到一個精密的電流源，在NULLA與NULLB之間必須加上一個50K的電位器，其中間抽頭與VS連接，BIAS引腳與25V基準源輸出連在一起，但如果需要不同的電流，它也可以連接到外部其它電壓基準。INOA、INOA、OUTOA組成的運算放大器在這里構(gòu)成一個電壓跟隨器，向外部提供25V的電壓基準。SHUTDOWN是一個芯片控制端口，接在單片機的I/O上，當單片機送一個高電平給它時，ADT70正常工作，工作電流為4MA，當電平為低電平時，芯片處于關斷狀態(tài)，工作電流為10A。VS1GND2REFOUT3BI4UL567890REOTHWJKMPF圖34ADT70應用電路兩個電流源IOUTA、IOUTB分別為傳感器與基準電阻提供恒定的電流，使電阻的值與轉(zhuǎn)換輸出的電壓值一一對應。若想使用PT1000鉑電阻，則RG兩端必須接一個499K的偏置電阻來調(diào)節(jié)OP的放大系數(shù)。在這里，OP的輸出會以5MV/C的速度變化，將該信號送給AD轉(zhuǎn)換芯片AD7795，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送給單片機，供單片機處理并顯示出來。3233V穩(wěn)壓模塊TPS78930TPS78930是一個低壓差穩(wěn)壓器，擁有低功耗、低噪聲以及微小的尺寸，并且擁有極小的工作電流。在其內(nèi)部有一個電阻與外部的旁路電容構(gòu)成一個低通濾波器，有效地減少了噪聲。TPS78930通過一個001的旁路電容和一個10的輸出電容建立了一個FF僅56輸出電壓紋波。待機模式僅僅1的靜態(tài)工作電流。100MA時的典型輸入輸RMSVA出電壓差為115MV。其管腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖35TPS78930管腳圖圖36TPS78930內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖在其內(nèi)部傳統(tǒng)的PNP三極管用一個PMOS調(diào)整管所代替。因為PMOS調(diào)整管擁有較低的電阻值，使得輸入輸出的電壓差變得很小，典型值為在100MA負載電流下的壓差為115MV，并且與負載電流是成比例的。應用電路如下圖所示IN1GD2EOUTBYPAS47890JCFRUF圖37TPS78930應用電路3245V穩(wěn)壓模塊LM2576LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片機集成電路，能提供降壓開關穩(wěn)壓器的各種功能驅(qū)動3A負載、有有意的線性和負載調(diào)整能力，這些器件的固定輸出電壓有33V、5V、12V、15V，還有可調(diào)整輸出的型號。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將外部元件的數(shù)目減到最少，使用簡便。LM2576的效率比流行的三段線性穩(wěn)壓器要高的多，是理想的替代，一般情況下不需要或只需要很小尺寸的外加散熱片。其他特征包括在指定輸入電壓和輸出負載條件下保證輸出電壓的誤差，以及振蕩器頻率的誤差，還包括外部的關斷電路，特410征有50的待機電流。輸出開關包括逐周限流，以及在故障狀態(tài)下提供安全保護的熱關A斷功能。特點33V、5V、12V、15V和可調(diào)節(jié)輸出電壓型號。可調(diào)節(jié)輸出型號輸出電壓范圍在線性和負載條件下123V37V（HV型號為57V）最大。4保證3A輸出電流。輸入電壓范圍廣，40VHV型號的60V。只需4個外部器件支持。52KHZ固定頻率的內(nèi)部振蕩器。TTL關斷功能，低功耗待機模式。高效率。使用現(xiàn)成可用的標準電感。熱關斷及電流限制保護。本次設計中使用LM2576的固定5V輸出型電源芯片，具體電路如下圖圖38LM2576應用電路33主控單片機系統(tǒng)該系統(tǒng)選用C8051F320單片機，相比傳統(tǒng)的51單片機而言，其內(nèi)部有豐富的資源，在本次設計中，單片機的內(nèi)部資源也得到了充分的應用。AD轉(zhuǎn)換和LCD顯示用到了SPI總線模式；超聲波接收電路的比較部分用到了單片機的可編程比較器；而時間計數(shù)部分用到了PCA可編程計數(shù)陣列和兩個定時/計數(shù)器。兩個外部中斷對系統(tǒng)運行的快速性也起到了積極的作用。以下對SPI及內(nèi)部比較器做詳細介紹。其內(nèi)部原理圖如圖311所示圖39C8051F320單片機內(nèi)部資料分配圖SILICONLABORATORIES是由NAVSOOCH、DAVEWELLAND和JEFFSCOTT在1996年于美國德州奧斯汀AUSTIN,TEXAS成立，專門開發(fā)世界級的混合信號器件。SILICONLABORATORIES首款產(chǎn)品是個人計算機的模擬調(diào)制解調(diào)器；十年后，公司已成為營運、銷售和設計活動遍及世界各地的跨國企業(yè)。SILICONLABORATORIES成立僅兩年就轉(zhuǎn)虧為盈，隨后又在2000年順利完成公司股票的首次公開發(fā)行IPO。今天，SILICONLABORATORIES已經(jīng)是一家資本額約5億美元的上市公司，并且在各種混合信號產(chǎn)品領域居于領先地位?！爸挥袠O少數(shù)公司能像SILICONLABS一樣保持穩(wěn)定的成長與獲利。我們努力為所做的每一件事情追求卓越，這不僅讓我們創(chuàng)造出一家擁有強大產(chǎn)品陣容和財務績效的公司，還有永續(xù)發(fā)展的價值導向文化和對社會的回饋。”SILICONLABORATORIES共同創(chuàng)始人暨董事長NAVSOOCH表示，“我們對過去十年的員工成就備感驕傲，對未來的業(yè)務潛力更感樂觀。在下個十年里，我們將運用更豐沛的資源、世界一流的混合信號工程師團隊和學習循環(huán)能力把我們的技術領先優(yōu)勢擴大到更多新市場?！眰涫芸隙ǖ幕旌闲盘栴I導者SILICONLABORATORIES產(chǎn)品廣獲業(yè)界重要刊物的認可，迄今已贏得20多項設計獎。公司還在許多半導體市場迅速取得領導地位，并且銷售將近20億顆CMOS混合信號器件，包括10億顆模擬調(diào)制解調(diào)器芯片，獲得全球超過一半的個人計算機與衛(wèi)星機頂盒6億顆AEROGSM/GPRS收發(fā)器，用于數(shù)百款不同的移動電話8,000萬顆VOIP器件，用于多數(shù)VOIP產(chǎn)品將近4,000萬顆微控制器和超過5萬套微控制器開發(fā)套件“隨著我們所處的模擬世界與計算機所在的數(shù)字世界持續(xù)匯集，混合信號已處在下一代創(chuàng)新的最前線。未來十年里，我們將看到便攜式裝置的耗電更少和電池壽命更長，大幅強化這些產(chǎn)品的功能匯集。廣播技術將具備高度便攜性；電源供應、無線網(wǎng)絡和遠距監(jiān)控將變得司空見慣，帶寬需求也會越來越大?！盨ILICONLABORATORIES總裁暨執(zhí)行長NECIPSAYINER表示，“這將帶來一個適合創(chuàng)新的市場，使得技術的成本更低、耗電更少和更容易使用。我們在這個環(huán)境表現(xiàn)杰出，未來十年更將在所處的競爭領域里開發(fā)更多創(chuàng)新產(chǎn)品。”財務優(yōu)勢SILICONLABORATORIES一直是德州公認成長最快的企業(yè)之一，以最佳實務為基礎所建立的財務結(jié)構(gòu)確保公司擁有最健全的財務績效和不斷增加的資金可供運用，目前的結(jié)余現(xiàn)金已超過4億美元，而且完全沒有負債。這種穩(wěn)健的財務管理讓公司持續(xù)投資于研發(fā)，進一步擴大公司專利的混合信號產(chǎn)品陣容。贏家文化SILICONLABORATORIES曾獲員工票選為德州中部最佳工作地點之一，贏家文化WINNINGCULTURE讓公司在成長過程專心一致。SILICONLABORATORIES員工對于他們所致力的核心價質(zhì)備感自豪，這包括開放透明的溝通方式、持續(xù)創(chuàng)新、堅持質(zhì)量、合作工作環(huán)境以及對于爭取勝利和商業(yè)成功的強烈企圖心。SILICONLABORATORIES致力將其營收成果與社會分享，同時捐贈資金和主動支持超過40個當?shù)厣鐖F，這使得奧斯汀的生活質(zhì)量有了非常明顯的進步。SILICONLABORATORIES（芯科實驗室）成立于1996年，位于美國德州奧斯汀市，是一家專業(yè)研發(fā)設計類比電路及混合信號IC的公司，為成長快速的通信產(chǎn)業(yè)設計等提供廣大應用。SILICONLABORATORIES8051混合信號微處理器C8051FXXX系列，經(jīng)過嚴格的調(diào)測，與全球領先的模擬器件、高速傳輸8051CPU、ISPFLASH存儲器、JTAG結(jié)合為一體。通過高品質(zhì)模擬器件、100MIPS8051中心以及內(nèi)置可編程系統(tǒng)，可以為客戶提供完全的設計彈性、更短的產(chǎn)品開發(fā)周期、可靠的系統(tǒng)品質(zhì)、卓越的終端產(chǎn)品特性。SILICONLABORATORIES公司的C8051F320單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片SOC，具有與MCS51完全兼容的指令集。該系列單片機機器周期由標準8051的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，大大提高了單片機的速度，能在執(zhí)行指令期間預處理下一條指令，提高了處理能力。C8051320F320單片機具有片內(nèi)C2調(diào)試模式，通過JTAG接口可以對板上器件進行非侵入式、全速的系統(tǒng)調(diào)試。SILABSIDE軟件支持觀察和修改存儲器、寄存器，支持斷點運行，堆棧指示器和單步執(zhí)行。調(diào)試時不占用MCU的其它資源，并且所有的模擬和數(shù)字外設都正常地工作。當MCU單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設ADC除外都停止運行，以保持同步。令外，該單片機采用33V供電，工作電流20MA以下，可謂是低功耗單片機。331C8051F320單片機主要特性高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達25MIPS）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）通用串行總線（USB）功能控制器，有8個靈活的端點管道，集成收發(fā)器和1KFIFORAM電源穩(wěn)壓器（5V至3V）真正10位200KSPS的17通道單端/差分ADC，帶模擬多路器片內(nèi)電壓基準和和溫度傳感器片內(nèi)電壓比較器（兩個）高精度可編程的12MHZ內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器16KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器2304字節(jié)片內(nèi)RAM（2561K1KUSBFIFO）硬件實現(xiàn)的SMBUS/I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口4個通用的16位定時器具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器25/21個端口I/O（容許5V輸入）C8051F320是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節(jié)省功耗。片內(nèi)SILICONLABS二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（45到85）內(nèi)用27V36V的電壓工作。端口I/O和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓。332SPI總線介紹其中我們所用到的SPI0總線是增強性外設接口。SPI0提供訪問一個全雙工同步串行總線的能力。SPI0可以作為主器件或從器件工作，可以使用3線或4線方式，并可以同一總線上支持多個主器件和從器件。從選擇信號（NSS）可被配置為輸入以選擇工作在從方式的SPI0，或在多主環(huán)境中禁止主方式操作，以避免兩個以上主器件試圖同時進行數(shù)據(jù)交換時發(fā)生SPI總線沖突。NSS可以被配置為片選輸出（在主方式），或在3線操作時被禁止。在主方式，可以用其他通用端口I/O引腳選擇多個從器件。其原理圖及所用到的寄存器如圖所示圖310SPI總線工作原理圖由原理圖可知，若要正常使用SPI，就必須對時鐘速率寄存器SPI0CKR、配置寄存器SPI0CFG、控制寄存器SPI0CN進行配置。另外，320單片機的端口為采用浮動的交叉開關配置型的，在使用之前必須對其進行配置，才能將SPI總線信號引出單片機引腳。SPI所使用的有四個信號引腳MOSI、SCK、MISO、NSS。其中MOSI為主輸出從輸入信號。SCK為串行時鐘信號。MISO為主輸入從輸出信號。NSS的功能取決于NSSMD1與NSSMD0位的設置。333片內(nèi)可編程比較器該系統(tǒng)還使用到了片內(nèi)的電壓比較器，該單片機共有兩個片內(nèi)比較器，其原理圖如圖所示圖311比較器工作原理圖C8051F320/1器件內(nèi)部的電壓比較器，可以由用戶軟件使能/禁止和配置。端口I/O引腳可以通過多路選擇器被配置為比較器輸入。如果需要，可以將兩個比較器輸出連到端口引腳一個鎖存輸出和/或一個未鎖存的輸出（異步）。比較器的響應時間是可編程的，允許用戶在高速和低功耗方式之間選擇。比較器的正向和負向回差電壓也是可配置的。比較器能在上升沿、下降沿產(chǎn)生中斷，或在兩個邊沿都產(chǎn)生中斷。當MCU工作在空閑方式時，這些中斷可用于喚醒MCU。比較器0還可以被配置為復位源。主控在系統(tǒng)中的接線如下圖312主控接線圖34AD轉(zhuǎn)換與LCD顯示電路AD在系統(tǒng)中是模擬量與數(shù)字量的橋梁。電源的POW_INT、超聲波的時間擴展電路、兩路溫度轉(zhuǎn)換電路都需要進行AD轉(zhuǎn)換，因此外擴一個AD轉(zhuǎn)換芯片是有必要的，AD7795是一個6差分，16位低功耗、低噪聲、型AD，并帶有片上程控放大與內(nèi)部基準電路。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所圖313AD7795內(nèi)部原理圖由內(nèi)部原理圖可知，我們在進行轉(zhuǎn)換時，可以配置其基準源為內(nèi)部或外部，經(jīng)過多路選擇器后再經(jīng)過緩沖和放大后給了AD轉(zhuǎn)換電路，串行接口和邏輯控制模塊再將轉(zhuǎn)換結(jié)果以串行數(shù)據(jù)的形式送給單片機。其應用電路如圖所示圖314AD轉(zhuǎn)換原理圖為了確保AD轉(zhuǎn)換的精度需要在AD779513管腳處外加一個125V電壓基準。125V電壓基準用芯片MAX6161提供，具體接線如下圖所示12456JMAXC0UF圖315基準源LCD在，電路中主要起到一個顯示的功能，其通信協(xié)議與AD7795一樣，也是SPI總線形式。因此，其接線也相對簡單，如圖所示圖316LCD接線圖第4章系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)41軟件流程圖主函數(shù)的編程主要就是協(xié)調(diào)各功能模塊的工作、顯示以及電源監(jiān)控的功能。各功能模塊主要包括溫度測量模塊、液晶顯示模塊等。初始化電量充足功能模塊測試正常溫度測量計算溫度值切換顯示模式顯示電量檢測報警電路休眠NYNY圖41軟件流程圖由于上電后單片機從主函數(shù)開始執(zhí)行，在第一步需進行初始化操作，其中包括對內(nèi)部比較器、SPI總線、中斷源、IO端口進行配置，并對各外部電路進行初始化。例如今NE555禁止輸出，清除超聲波接收端的中斷標志等。為使電池不至于過放，在初始化完成后，對電波電量進行檢測，此數(shù)據(jù)經(jīng)過按鍵電路的兩個分壓電阻后送給AD7795，并將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在程序里與設定值進行比較。如果電量不足，會發(fā)出報警，并使外部器件CS端置高，然后使單片機處于低功耗方式。如果電量充足，則進行下一步，對各個模塊的性能進行試用，也就是功能模塊測試，如果某電路出現(xiàn)故障，單片機會發(fā)出報警信號，該信號由兩個LAMP的不同狀態(tài)組成。以防止人們在未發(fā)現(xiàn)故障時誤使用該產(chǎn)品。各功能測試正常后，就開始正常工作，首先由ADT70輸出一個電流給PT1000，將溫度值轉(zhuǎn)換成為固定的電壓值然后送給了AD7795，然后單片機讀取AD7795里的數(shù)據(jù)通過計算便算出了此時的溫度值。然后通過液晶顯示將其顯示出來。在一個周期完成后，為防止在工作過程中電池過放，此時再進行一次點量檢測，為此一個完整的工作過程就完成了。溫度測量和電量檢測程序在系統(tǒng)中，重要的一環(huán)不光是超聲波流量的測量，溫度測量也同樣重要，由于電路上的復雜性，使我們的程序處理相對簡單，只需經(jīng)過一次AD轉(zhuǎn)換電路即可，然后再通過一定的數(shù)學表達示計算出來，電量檢測也是同樣的道理。因此，對AD7795的編程顯得尤為重要，下面敘述對AD7795的編程。42SPI總線工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換和液晶顯示都用到了SPI總線的編程，所以對SPI的編程介紹如下SPI總線上的所有數(shù)據(jù)傳輸都由SPI主器件啟動。通過將主允許標志（MSTEN，SPI0CFG6）置1將SPI0置于主方式。當處于主方式時，向SPI0數(shù)據(jù)寄存器（SPI0DAT）寫入一個字節(jié)時是寫發(fā)送緩沖器。如果SPI移位寄存器為空，發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)字節(jié)被傳送到移位寄存器，數(shù)據(jù)傳輸開始。SPI0主器件立即在MOSI線上串行移出數(shù)據(jù)，同時在SCK上提供串行時鐘。在傳輸結(jié)束后SPIF（SPI0CN7）標志被置為邏輯1。如果中斷被允許，在SPIF標志置位時將產(chǎn)生一個中斷請求。在全雙工操作中，當SPI主器件在MOSI線向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)時，被尋址的SPI從器件可以同時在MISO線上向主器件發(fā)送其移位寄存器中的內(nèi)容。因此，SPIF標志既作為發(fā)送完成標志又作為接收數(shù)據(jù)準備好標志。從從器件接收的數(shù)據(jù)字節(jié)以MSB在先的形式傳送到主器件的移位寄存器。當一個數(shù)據(jù)字節(jié)被完全移入移位寄存器時，便被傳送到接收緩沖器，處理器通過讀SPI0DAT來讀該緩沖器。43AD7795編程AD7795的編程主要有配置子函數(shù)，檢測子函數(shù)和轉(zhuǎn)換子函數(shù)組成。對于配置子函數(shù)，主要是寫模式寄存器，在這里我們把它寫成單次轉(zhuǎn)，外部時鐘，斬波使能，開PSW，并寫IO寄存器為0。在檢測寄存器中，先復位AD7795，然后讀取配置寄存器，模式寄存器的值，如果和默認值相同，則表明該芯片正常。對于AD轉(zhuǎn)換，我們要一個通道一個通道的讀取，而每次轉(zhuǎn)換完成會在RDY輸出一個低電平,來判斷轉(zhuǎn)換是否完成。由于在整個設計中，AD轉(zhuǎn)換的重要性很大，能不能正確的編程對系統(tǒng)的影響明顯，所以需對AD進行合適的編程。44液晶編程對于液晶的編程，有相應的控制指令字，如下所示表41液晶命令字表命令功能命令功能命令功能80清屏01繪點07顯示ASCII81設置ASCII02畫直線08顯示漢字82漢字類型03矩形框0B顯示UCHAR83設置繪圖色04矩形0CUSHORT89字符覆蓋模式05圓框0E位圖顯示8A背光亮度06圓注以上數(shù)字均為16進制數(shù)，如果相對LCD進行操作，只需對相應控制字進行更改即可，讀取數(shù)字亦是如此。