毕业设计(：基于单片机的烘干炉温度自动检测系统的设计与实现资料.doc

毕业设计(：基于单片机的烘干炉温度自动检测系统的设计与实现（完整版）资料
(可以直接使用，可编辑 优秀版资料，欢迎下载）
1 引言
1.1 课题设计的目的和意义
在工业生产中，涂装工艺占据着举足轻重的地位。烘干又是涂装工艺的三大主要工序之一，它使液态（湿态或粉态）的涂膜快速转化为固态的漆膜，对生产效率、涂层质量和涂装成本等有直接的影响。在干燥固化过程中，烘干炉内各点的温度是否能保证在规定的工艺要求范围内，将对被涂装的材料、产品、工件的质量，降低能耗，以及提高生产效率和经济效益产生重要的影响，而且随着整机度的提高和元件的微型化、复杂化，在各种工业过程中对温度工艺的要求越来越高。而我国目前采用的传统的定点式烘干炉测温方法已经显得比较落后，无法满足生产工艺对温度测量的要求。因此，本文提出了一种新型的炉温检测系统，即：烘干炉温度自动检测系统。
近年来，随着微电子技术的发展，特别是单片微型计算机技术的飞速发展与成熟，给烘干炉炉温的检测提供了有力的技术支持。由此，本烘干炉温度自动检测系统采用单片机系统对炉温及炉内工件的温度进行采集和处理，监控烘干炉的热加工过程以及产品的质量状态，实现数据的存储，并实时显示温度值。该系统能够对烘干炉的温度进行实时的检测，以保证烘干炉的温度处于合理的范围之内，便于生产的正常进行，并且优化了生产过程，提高烘干炉热加工的产品质量和生产效率，降低能耗。
由于目前国内在烘干炉温度检测领域尚处于比较落后的阶段，而随着工业的迅猛发展，各种工业过程对温度工艺的要求也越来越高，因此，需要采用更高性能的温度检测系统。然而，从国外进口的该类产品，其性能虽能满足温度工艺的要求，但其价格确实十分昂贵，一般企业难以承受，限制了它的推广和应用。研制烘干炉温度自动检测系统，可以把国外的先进技术和方法引入我国，大大降低我国烘干炉热加工产品的成本和提高产品的质量，改变我国热加工领域测温技术相对落后的现状，推动我国烘干炉温度检测技术的发展，同时该课题的研究对经济建设、社会效益以及工程技术都有极其深远的意义。
1.2 本课题在国内外的发展概况及存在的问题
温度检测是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯、和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，检测得到的数据被显示为图表或数字。由于在很多工业生产过程中，温度都是很重要的控制指标，所以，温度检测技术具有非常广阔的应用前景。
国外的温度检测技术起于80年代，其先进的技术可以以1984年成立的英国达塔帕克公司为代表。该公司于1985年首次生产出温度检测的产品，是温度检测技术的开拓者。目前它的产品已遍布世界各地，主要生产精加工工业用烘干炉温度追踪仪、电子工业用回焊追踪仪、热处理工业用高温炉温追踪仪、陶瓷工业用炉窖温度追踪仪、食品加工业用的多功能温度追踪仪等。国外的温度检测技术除了在理论上进行的研究外，在实践中更是日益成熟。国际上，另一个在该领域的先进技术代表就是波兰，早在1992年就利用连续温度监测法预报煤井的瓦斯状态。国外的温度检测技术从普通的室温监测到高温监测技术，从遥感检测技术到各种炉膛的内部监测技术，正随着新技术的出现而不断更新和发展。
随着科技的进步和计算机检测技术的发展，我国从90年代开始对温度监测进行理论上的研究，在生产实践中也进行了一系列的应用。比如在2001年杭州商学院计算机与信息工程系用VB6.0开发出粮库监测系统的监测软件，利用微机来实现串行通信、数据处理的温度监测系统。然而我国采用的烘干炉温度检测方法一般是定点测量，即在炉内留出测量孔，把传感器通过测量孔伸到炉膛内，对温度进行测量。这种测量方法的缺点是测量孔多了将影响烘干炉的保温性能，而且，它所测量的温度，在烘干炉长度区间分布上不是连续的量，且存在测量死区，另外，它无法测量烘干炉内产品自身的温度。由于在工业现场的外部环境很不好，抗干扰问题就成为计算机检测技术中必须要解决的问题，而我国在此方面的技术与国外相比还存在较大差距[1]。
1.3 单片机技术简介
单片机技术的发展
所谓单片机是指在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU）、存储器和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等），即在这样一块芯片上能实现一台微型计算机的基本功能，因而被称为单片微型机，简称单片机。1970年微型计算机研制成功之后，随着就出现了单片机。美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，特别是1976年MCS-48单片机问世以来，在短短的二十几年间，经历了四次更新换代，其发展速度之快，应用范围之广，她已渗透到生产和生活的各个领域。从8位单片机算起，其发展历史大致如表1-1所示。
尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当数Intel的MCS-51系列单片机。MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。由于PHILIPS、ATMEL、WELBORD、LG等近百家IC制造商都主产51系列兼容产品，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，MCS-51系列应用非常广泛。国内尤以Intel的MCS-51系列单片机应用最广。由于8位单片机的高性能/价格比，估计近十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。
表1-1 单片机的发展历史
年代
代表产品
特 点
应用系统开发工具
70年代中后期
MCS-8048
采用2~3μｍ半导体工艺，8位CPU，寻址能力小于4K字节
仿真器

80年代
8051系列
6805系列
Intel的96/98系列

采用2~3μｍ半导体工艺，8位或16位CPU，寻址能力小于4K字节
仿真器、汇编器、编程器

90年代

Intel的8196/296、
251/930；
philipsP51xA;
Siemens166/167系列;
日立的5H3系列

采用0.8~0.25μｍ半导体工艺，8位、16位或32位的CPU，或32位的内部总线，芯片采用流水线结构及宽总线结构，寻址能力16~32M字节
由RTOS+Compliler+ICE组成的开发平台，其中RTOS，即实时多任务操作系统；
Compliler：基于嵌入式系统的工程语言编译器；
IEC：即实时在线仿真器

单片机技术的应用
随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备的小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和精度，加强控制功能；单片机也广泛应用于实时控制系统中，例如对工业中各种窖、炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的系统分布与智能控制以及机电一体化设备产品的到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了巨大作用[2]。其应用大致可分为以下几个方面：
1. 工业自动化
在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集还是测控技术，都离不开单片机。在工业自动化领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术中，单片机将发挥非常重要的作用。
2. 智能仪器仪表
目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。在智能仪器仪表中，单片机应用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。
3．消费类电子产品
该应用主要反映在家电领域。目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、 、IC卡、汽车电子设备等。在这些设备中使用了单片机后，其功能和性能大大提高，并实现了智能化、最优化控制。
4．通信方面
在调制解调器、程控交换技术以及各种通信设备，单片机得到了广泛的应用。
5．武器装备
在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机深入其中。
6．终端及外部设备控制
计算机网络终端设备中，如银行终端以及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、 机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。
7．多机分布式系统
可用多片单片机构成分布式测控系统，它使单片机的应用进入了一个新的水平。
本课题以单片机作为控制器，进一步研究单片机在自动检测及控制领域中的应用。
1.4 本课题设计的内容
本设计的技术要求如下:
1、该系统要求用炉温自动检测仪对烘干炉温度进行检测。炉温自动检测仪具有4个数据通道，每个通道可采集3600个数据。
2、温度检测范围：0℃ -- 300℃；温度检测精度：1℃。
3、温度检测采样间隔：1秒 — 4分钟可调。
4、系统工作电源：9V DC
5、系统工作温度：0℃ -- 70℃
6、能准确显示实时检测的温度值。
根据设计的技术要求，本设计采用单片机系统对炉温及炉内工件的温度进行采集和处理，监控烘干炉的热加工过程以及产品的质量状态，实现数据的存储，并实时显示温度值。该系统能够对烘干炉的温度进行实时的检测，以保证烘干炉的温度处于合理的范围之内，便于生产的正常进行，并且优化了生产过程，提高烘干炉热加工的产品质量和生产效率，降低能耗。本设计内容涵盖了本专业电子技术、微机原理、单片机应用技术、计算机控制技术等课程的内容。其具体设计内容包括以下几个方面：
1．控制系统的总体方案设计，画出整个系统的原理框图。
2．系统硬件设计：包括温度传感器的选择、温度检测电路的设计、A/D的选择及接口设计、CPU的选择、键盘及显示模块的设计等。
3．系统软件设计：含温度检测模块、数据处理模块、键盘及显示模块等。
本设计拟解决的关键问题如下：
1．传感器的选择
2．温度检测电路的设计
3．实时显示模块的设计

2 烘干炉温度自动检测系统方案的确定
2.1 方案论证
方案一：
信号采集及
处理电路
A/D转换
时钟电路
复位电路
3位LED
显示器
LED显示器
驱动电路

8031
单片机
按键输入
该系统采用8031单片机作为主机，包括信号采集及处理电路，A/D转换电路，时钟电路，复位电路，按键输入电路，LED显示电路以及嗡鸣器电路。该系统基本能完成设计要求，但选用8031单片机需要外扩程序存储器，接线复杂，并且此方案的抗干扰性能较差。其结构框图如下：

图2-1 方案一系统结构框图
方案二：
该系统主要由AT89C51单片机、多路开关、信号处理及放大、采样保持、A/D转换、稳压电源、键盘及显示、串行通讯模块、看门狗等部分组成。其中单片机为系统的核心部分。四通道传感器由多路开关循环选通，被选中的温度传感器信号由信号处理电路进行处理与放大之后送入A/D转换器，再由单片机处理来自A/D转换器的数据，电源采用电池供电，经过DC/DC变换电路处理后，构成三路输出的稳压电源，给整个系统提供±12V及+5V电源。看门狗采用硬件看门狗电路，防止程序跑飞。为了扩展该系统的功能，设置了串行通讯模块，用于上位机与单片机之间进行通讯。其结构框图如图2-2所示。

显 示
键 盘

8279
串行口通讯模块
看门狗电路
稳压电源
A/D
转换
采样保持
信号处理及放大
多路开关
烘干炉

AT89C51

单

片

机

图2-2 方案二系统结构框图
2.2 方案确定
方案一和方案二都采用单片机系统来实现，单片机软件编程灵活、自由度大。单片机系统可用数码管显示温度的实际值，能用键盘输入设定值，并可实现打印功能。方案一采用8031作为系统主机，由于8031需外扩程序存储器，接线复杂，并且此方案的抗干扰性能较差。而方案二在方案一的基础上作了较大改进，此方案采用AT89C51作为系统的主机，由于AT89C51芯片含有内部EPROM，不需外扩程序存储器，可使系统整体结构更加简单。该方案的键盘及显示部分采用8279通用键盘显示，不仅能满足设计要求，还有利于二次开发。另外，此方案还采取了稳压电源、看门狗电路等抗干扰措施，使系统更加稳定、可靠。方案二的另一个优点就是设置了串行通讯接口，可用于扩展该系统的功能，这样，使整个系统功能更完善，操作简单方便。因此，通过对以上两种方案进行分析、比较，本设计采用了方案二。

3 烘干炉温度自动检测系统的硬件设计
本烘干炉温度自动检测系统设计包含两部分，一部分是系统硬件设计，另一部分是系统软件设计。本章主要介绍烘干炉温度自动检测系统的硬件设计，系统软件设计将在下一章介绍。
3.1 系统硬件的设计原则
在系统的扩展和配置设计中，应遵循以下原则：
(1) 尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。
(2) 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。
(3) 硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。
(4) 系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。
(5) 可靠性及抗干扰设计是硬件设计不可缺少的一部分，包括芯片、器件的选择、去耦滤波等。
(6)单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。
本系统的设计原则是高效、实用、方便。所谓高效，主要是指检测效率高，用较快的速度、较高的质量完成较好的检测功能；所谓实用，是指尽可能地增加系统的可扩展性、灵活性，功能尽可能完善，尽可能提高检测精度；所谓方便，是指操作、维护、使用、调试尽可能地简单方便。
3.2 温度自动检测系统主机的选择
烘干炉温度自动检测系统属于计算机检测系统的一种。计算机检测系统是由包括微型计算机在内的一些模块组成的，由于集成度很高，模块不至于很多，因此结构紧凑，可靠性高。计算机检测系统信息处理的核心是主机，获取检测信息进行初步处理的是分机，中、大型自动检测系统的主机可以是PC机或工控机，特大型自动检测系统的主机可以是巨型机，而小型检测系统则可以选择单片机系统为核心。
单片机是将中央处理器、存储器、接口电路以及连接它们的总线等全部集中到一块大规模集成电路芯片上，具有可靠性高、控制功能强、易扩展、低功耗、价格便宜等特点。
单片机具有较强的管理功能，本系统用单片机对整个测量电路进行管理和控制，可使整个系统智能化、体积小、功耗低，使用电子器件少，内部配线少，成本低，制造、安装、调试及维护方便。因此，决定选用单片机作为该系统的主机。
3.3 传感器的选择
在现代检测技术中，传感器技术和计算机技术是必不可少的两个方面。主机对数据有很强的处理能力，但对非电量和模拟信号是无能为力的。如果没有各种精确可靠的传感器去检测非电量和模拟信号并提供真实的信息，那么计算机也无法发挥其应有的作用。传感器把非电量转换为电量，经过放大处理后，转换为数字量输入计算机，由计算机对信号进行分析处理。因而传感器技术与计算机技术的结合，对自动化和信息化起着举足轻重的作用。
(1) 提高劳动生产率 采用带有微机的仪器、仪表进行自动化检测与控制，可以提高劳动生产率。
(2) 提高产品质量 采用各种传感器和微处理技术可以对各种工业参数及工业产品进行测控及检验，准确测量产品性能，及时发现隐患。为提高产品质量、改进产品性能，防止事故发生等提供必要的信息和更可靠的数据。由于系统的工作环境比较恶劣，且对测量要求比较高，所以本系统关键问题之一是温度传感器的确定。
目前国际上新型传感器正从模拟式向数字式，由集成化向智能化、网络化的方向发展。但是智能温度传感器的测温范围达不到工业现场的要求，表3-1给出几种类型的温度传感器。电阻温度传感器(RTD)虽然精确，但要求激励电流，通常用于电桥电路中；热敏电阻最灵敏，但非线性也最显著。现代半导体温度传感器在大约–55℃～+150℃的工作范围内具有良好的高精度和优良的线性。内部放大器可以将输出定标到方便的值。比如美国DALLAS公司最新推出的DS 18B20，内部包含温度传感器，A/D转换器、信号处理器、存储器和接口电路等，但其测温范围为–55℃～+125℃，无法满足系统要求。
热电偶是一种小型、牢固、相当便宜且能工作在极宽温度范围的接触型温度传感器，特别适合于在恶劣环境中测量极高的温度。其结构简单，主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；具有较高的准确度；测量范围宽：常用的热电偶，低温可测–50℃，高温可测到+1600℃左右，配用特殊材料的热电偶，最低可测–180℃，最高可测到+2800℃的温度；具有良好的敏感度；使用方便；能产生电动势，不用电源。与许多其他的传感器相比，热电偶的线性更好，而且其非线性己得到精确确定。尽管它们只能产生毫伏级输出，需要进行精确放大供进一步的处理，还要求采用冷端补偿技术，但是现在已有完整的将仪表放大器和热电偶冷端补偿器集成在一起的单一芯片，故热电偶的不足之处已得到良好的解决。考虑到热电偶的以上特性，本系统的传感器采用热电偶。表3-2列出了几种常用的热电偶。最常用的金属有铁、铝、佬、锌、镍铝合金、镍铬合金和康铜(铜镍合金)。尽管热电偶的热电势与温度关系为非线性关系，但K型热电偶在各类热电偶中是线性最好的一种[3]。考虑K型热电偶线性度好，它的热电势较大，精度较高，价格便宜，抗氧化性也较好，可在900℃以下的烘炉内长期使用，在工业环境应用较多，我们采用检测范围为0~600℃的K型热电偶。上海南浦东仪表厂生产的WRNM系列K型表面热电偶，可以与工件表面直接接触。还可以根据不同工件的要求，定做不同形状的热电偶探头，可以满足不同使用者的需求。
表3-1 温度传感器的类型
热电偶
测温范围：-184℃～2300℃；高精度和高重复性；需要冷端补偿；低压输出
RTD
测温范围：-200℃～185℃；线性良好；需要激励；低成本
热敏电阻
测温范围：0℃～100℃；线性差；需要激励；高灵敏度
半导体温度传感器
测温范围：-55℃～150℃；线性：1℃，精度：1℃；需要激励；10mV/K或20mV/K或1uV/K的典型输出

表3-2常用热电偶及其主要特征
热电偶材料
典型使用范围
（℃）
标称灵敏度
（uV/℃）
美国国家标准学会（ANSI）规定的符号
铂（6﹪）/ 铑-铂（30﹪）/ 铑
38～1800
7.7
B
钨（5﹪）/ 铼-钨（26﹪）/ 铼
0～2300
16
C
克露美尔-康铜
0～982
76
E
铁-康铜
0～760
55
J
克露美尔-阿留迈
-184～1260
39
K
铂（13﹪）/ 铑-铂
0～1593
11.7
R
铂（10﹪）/ 铑-铂
0～1538
10.4
S
铜-康铜
-184～400
45
T
为了更好理解热电偶的使用，下面简略介绍一下热电偶的工作原理。热电偶是利用热效应制成的温敏传感器。当两种不同的导体A和B组成闭合回路时，若两端结点温度不同(分别为T0和T)，则回路中产生电流，相应的电势称为热电势，这种热电偶，其结构图如图3-1所示。热电势是由接触电势和温差电势两部分组成，其大小和两端点温差有关，还和材料性质有关。实验和理论都表明，在A, B间接入第三种材料C，只要结点2，3温度相同，则和2, 3直接联接时的热电势一样。这一点很重要，它 接多路转换开关
为热电偶测量时接测量引线带来方便。这种由
两种不同导体组成的热电偶的热电势一般情况 接AD574的+IN脚
下和两端点温度T0和T都有关。使T0为给定 2 T0 3
的恒定温度，如取为0℃，则热电势仅为T一
端(称为测量端)温度T的单值函数。显然利用
热电偶的这一特性可做成测温计用于测温，但
要求材料的热性能要稳定，电阻系数小，导电 1 T
率高，热电效应强、复制性好[4]。 图3-1 热电偶结构图
3.4 信号采集及处理电路的设计
信号处理及放大电路主要由多路开关、传感器信号调理电路(包括热电偶冷端补偿、线性化电路)、放大电路组成。其任务主要是实现对不同通道的选通，将定时采集的热电偶毫伏级的输出信号调理放大后，输出A/D转换器要求的输入电压范围。其结构如图3-2所示。

放大电路

信号处理电路
热电偶1
热电偶2
热电偶3
热电偶4

多
路
转
换
开
关

图3-2 信号采集及处理模块结构图
(1)多路开关
在数据采集系统、巡检装置、智能仪器及程控设备中，都离不开模拟开关。由于在数据采集系统中，多数时候需要同时采样若干个传感器的数据，这就需要用到多路转换开关，轮流把传感器采集的数据送到A/D转换器。多路开关有两种基本用法：①当信号从多路模拟开关的公共端输出时，可作为多信号传输器，实现从多线到一线的功能；②当信号从多路模拟开关的公共端输入时，又变成信号器，实现从一线到多线的传输功能。本系统中采用了多路模拟开关的用法一，用多路转换开关轮流使四个传感器中的一个与信号处理电路接通，从而把数据送到A/D转换器，即完成多到一的转换。
本系统选用CD4051作为多路开关。它的INH脚接地，A，B，C口分别接单片机P1口的P1.0，通道多路模拟开关，IN0~IN7分别为八路模拟开关的输入输出端，作多路传输时为输入端，作信号分离时为输出端。I/O为输出端，分离信号时变成输入端，INH为禁止端，INH为“1”时，模拟开关均断开，输出呈高阻态。A,B, C是二进制地址码输入端，当INH =0时根据地址码选中相应的通道。例如当A=1, B=1,C=0时，地址码为011(所对应十进制数为3)，就接通第3路。VEE为负电源端，通常与USS短接，在传输交流信号时应接负电源。这种多路输入开关电平范围广，数字量为3至15伏，模拟量可达15V，二进制3-8译码器用来把选择输入端A，B，C的状态进行译码，以控制开关电路TG，使某一路开关接通，从而使输入与输出通道相连。
(2)信号采集及处理电路
由于K型热电偶(镍铬一镍铝)需要冷端补偿，我们采用美国模拟器件公司（Analog Devices Inc.，简称MI）生产的芯片AD595，其内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。它通过激光微调芯片进行预先校准，使之与K型热电偶的特性相匹配，它完整的将仪表放大器和热电偶冷端补偿集成在单一芯片上(其原理图见图3-3)，将冰点参考同预先经校准的放大器结合，直接依据热电偶信号给出高电平输出((10mV/℃)。引脚搭接选择利用固定值或远程设定值控制允许将它用作线性放大器―补偿器或用作开关输出设定值控制器。它可以用来直接放大本身的补偿电压，因而成为一个具有10mV/℃输出的独立摄氏温度传感器。在这类应用中，使集成电路芯片处于与热电偶冷端相同的温度是十分重要的，这可通过使两者紧靠在一起并与其它任何热源隔离来实现。
AD595包括一个指示热电偶的一根或两根引线是否断开的热电偶故障报警器，其报警输出包括TTL驱动功能在内的灵活形式。本系统采用了热电偶故障报警功能，当热电偶断开时，LED亮，进行故障显示。该器件可以由单端电源供电，通过加入负电源，便能测量低于0℃的温度。本系统不需要测量零下温度，故不需要负电源。在封装引脚上提供了温度传感器电压和增益控制电阻，因此，电路可以通过附加电阻来对其它类型的热电偶进行重新校准。

图3-3 AD595原理图 图3-4 AD538原理图
由于AD595只能提供调理和电压增益，不能补偿热电偶的非线性，故仍需对热电偶进行线性化。线性化的方法很多。这里采用的是多项式线性化的方法，设温度为T，各项系数为a0，…，则热电偶的热电势E可表示为：E=a1T+a2T2+… +aNTN如果获得高次幂级数的函数。就可构成线性电路。幂次越高，精度也越高，但电路复杂。实际上只要取到2次幂就可以获得足够的精度。K型热电偶的热电势近似表达式为：
（）
如前所述，线性化电路的关键是求平方运算，而集成电路AD538（原理图如图3-4所示）是最适宜进行平方运算的芯片。它提供实时精确的乘法、除法和求幂运算，AD538的精度为0.25%，动态范围宽，片内设有高精度的+2V或+10V的基准电压源。三个输入管脚Vx, VY和Vz及一个输出管脚VO，可组成VO=VY ( Vz/Vx )m的函数关系。不用接元件就可构成平方运算的电路。
由传感器、多路开关、AD595, AD538及OP07组成的信号调理及放大电路由图3-5所示。经过处理以后，0-300℃的温度信号转换为0～5V的电压信号，输出的电压信号送到数据采集处理电路。AD595要求接热电偶的正极，故热电偶负极就接多路转换开关。电位器Ｗ用于微调冷端补偿电压。AD595的7脚是负电源端，由于不测0℃以下的温度，不用负压供电，所以7脚可接地，12、13脚是热偶故障报警电路的输出端，13脚接地后，集电极开路的12脚接上拉电阻。热电偶正常工作时输出高电平；断偶故障时输出低电平，发光二极管亮，显示热电偶故障。

图3-5 信号处理及放大电路
3.5 单片机系统主板设计
单片机系统由CPU、74HC573锁存器、AD574模数转换器、FM1808数据存储器、GAL16V8译码器、MAX813L看门狗芯片、串行通讯模块等组成，完成数据采集、处理、实时显示等功能，是整个系统的核心模块。系统原理图见附录一，以下对各部分分别予以介绍。
3.5.1 CPU的选择
单片机是整个系统的核心，对系统起监督、管理、控制作用，并进行复杂的信号处理，产生测试信号及控制整个检测过程。
从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列单片机机，比在片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，与87C51、87C52单片机性能相当，但功耗小。程序修改直接用+5伏或+12伏电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至2.7伏~6伏，因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求，此外，AT89C51还支持由软件选择的2种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其它要求低功耗的场合。鉴于以上的分析、比较，本系统选用ATMEL生产的AT89C51单片机作为主机。
3.5.1.1 AT89C51性能简介
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，采用了ATMEL的高密度非易失性的存储器工艺，它除了具有与MCS-51完全兼容的若干特性外，最为突出的优点就是片内集成了4K字节EEPROM，可用来存放应用程序，这个FLASH程序存储器除允许用一般的编程离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达20MHz，一个机器周期仅500ns，比MCS-51快了一倍[5]。其特性如下：
(1) 4K字节可编程闪速程序存储器;1000次循环写/擦。
(2) 全静态工作：0Hz～20MHz。
(3) 三级程序存储器锁定。
(4) 128 × 8位内部数据存储器，32条可编程I/O线。
(5) 两个十六位定时器/计数器，六个中断源。
(6) 可编程串行通道，低功耗闲置和掉电模式 。
3.5.1.2 AT89C51单片机主要接线简介
程序存储器为4K，在CPU内部，内部程序存储器能满足本系统，故不需外扩程序存储器。数据存储器为32K的存储器FM1808，地址为8000H～FFFFH。
A/D转换器采用精度高，速度快的AD574，并在转换前对信号作了采样保持处理。AD574启动地址为4000H，高八位地址为4002H，低八位地址为4003H。.
8279是一种通用可编程键盘/显示器接口芯片，其地址为7000H～7FFFH。
串行通信接口采用美信的RS-232驱动/接收器MAX232，用它把单片机输出的TTL电平转换为RS232标准电平。该芯片适用于电池供电系统。
AT89C51的主要管脚接线如下：
P0.0—P0.7：TTL输出，接地址锁存器74HC573的1D～8D、FM1808的数据/地址线。用于锁存数据存储器的地址及选择向FM1808写入数据的地址，被定义为数据/地址总线的低八位；接AD574的12位数据线，从AD574接收数据。
P1.0—P1.7： P1.0～P1.2接多路模拟开关CD4051，作为温度传感器的选通信号。
P2.0—P2.7： TTL输出，输出数据/地址总线的高八位；并产生控制信号送GAL16V8选通FM1808, AD574，8279。由于本系统不需要外部程序存储器，故31脚(内部和外部程序存储器选择线)接高电平。地址0000H～0FFFH空间为内部ROM。
3.5.2 CPU最小系统设计
3.5.2.1 时钟电路设计
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟控制信号。MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式。
内部时钟方式：MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。
外部时钟方式：使用外部振荡脉冲信号。外部时钟源直接接至输入端XTAL2端，通过XTAL2端输入到片内的时钟发生器上。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，所以接一个4.7～10KΩ的上拉电阻。

（a） 内部时钟方式 (b) 外部时钟方式
图3-6 AT89C51的时钟电路方式
在本系统中采用内部振荡方式，其电路如图3-7所示。采用芯片内部反相器和电阻组成的振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时组件，如晶振和电容组成的并联谐振回路,则在内部可产生与外接晶振同频率的振荡时钟。该系统晶振为12MHz，电容C1，C2取30pF，对时钟起微调作用。
3.5.2.2 看门狗复位电路设计
本系统采用了一个硬件看门狗来监视程序的运行。美信公司的MAX813L具有“看门狗”、主电源检测的功能。单片机通过I/O脚加给WDI(看门狗输入)脚正脉冲，如果两次脉冲时间间隔不大于1.6s时，则(看门狗输出)脚一直为高电平，说明微机程序执行正常。当两次发出正脉冲的时间间隔大于1.6s时，“看门狗”便使引脚变为低电平，将脚与相连，可使RESET脚(与单片机的RST相连)产生高电平的复位脉冲，使程序能从头重新开始执行，起到监视程序运行的作用，其电路如下图所示

图3-7 时钟电路 图3-8 看门狗复位电路
3.5.3 单片机系统主板各功能模块设计
3.5.3.1 数据采集处理模块
本系统的数据采集处理电路主要由采样保持器和A/D转换器组成。其相关电路图参见单片机系统原理图。
(1)采样保持器
采样保持器在数据采集系统中，常用来为A/D转换器提供固定的采样值，它位于模拟信号源与A/D转换器之间。本系统采用美国National Semiconductor公司生产的LF398。 LF398是由双极性绝缘场效应管组成的单片采样/保持电路，由Al, A2两个运算放大器、模拟开关和开关驱动电路、三级管D1, D2构成的保护电路等组成，其原理图如图3-9所示。是反馈型采样/保持器，具有采样速度高、捕捉信号快及保持电压下降速率慢等特点。当8端为高电平，处于跟踪状态，当UK负跳变（由“1”到“0” ）则LF398转向保持状态[6]。
(2) A/D转换器
A/D转换器把采集到的采样模拟信号量化和编码后，转换成数字信号并输出。本系统采用12位逐次逼近式的转换器AD574，它的突出特点是芯片内部包含微机接口控制逻辑电路和三态输出缓冲器，可以直接与8位、12位或16位微处理器的数据总线相连。它由模拟芯片和数字芯片两部分组成，除了包含D/A转换器、逐次逼近式寄存器SAR、比较器等基本结构外，还有时钟、控制逻辑、基准电压和三态输出缓冲器等部分组成，其原理如图3-10所示。其芯片引脚功能如下：
DB0—DB11：12位数据输出。
12/8：数据模式选择，此线为“1”时，12条输出线均有效。此线为“0”时，12位输出线分成高8位和低4位两次输出。本系统此脚为低电平。
A0/SC：字节地址/短周期。在读数状态，如果2脚为低电平，当A0=0时，则输出高8位数。当A0=1时，则输出低4位数，禁止高8位输出；当2脚为高电平，此脚的状态不起作用。另一功能是控制转换周期，在转换状态，当A0=0时，产生12位转换，转换周期为25μs，反之产生8位转换，转换周期为16μs。
：此脚为0时，芯片被选中。
R/：此脚为1，读A/D转换结果；为0时允许启动A/D转换。
CE：芯片允许。
REFout：基准电压输出。
REFin：基准电压输入。
BPLROF：双极性补偿。若输入模拟信号为双极性，要同时使用此脚。此脚还可用于调零点。
图

图3-9 LF398原理图

图3-10 AD574原理图
本检测系统采用双极性输入方式，可对-5～+5V的输入电压进行转换。由于AD574输出12位数据，因此单片机分两次读取转换结果。故本系统设置12/脚为低电平，此时由A0的状态决定控制高、低位数据的读取。本系统将转换结束状态线STS与AT89C51的P3.2相连，采用查询的转换方式，AT89C51不断检查P3.2口位电平。当STS为高电平时，A/D转换器处于转换周期；为低电平时，A/D转换结束。
3.5.3.2 数据存储模块
数据采集包括记录和存贮数据，更重要的是能在失去电源的情况下，不丢失任何资料。在数据采集的过程中，数据需要不断高速写入，EEPROM的写入寿命和速度往往不能满足要求。传统半导体记忆体有两大体系：易失性存储(volatile memory)和非易失性存储器(non-volatile memory)。易失性记忆体如SRAM和DRAM在没有电源的情况下都不能保存数据，但这种存贮器具有高性能和易用等优点。非易失性记忆体如EPROM，EEPROM和FLASH能在断电后仍保存资料，但由于所有这些记忆体均起源自只读存贮器(ROM)技术，所以，不难想到它们都有不易写入的缺点，如写入缓慢、有限写入次数、写入时需要特大功耗等，且需要后备电源。可见传统的存储器不能满足本系统的要求。而FRAM1808则能较好地克服以上缺点，其优点如下：
(1)速度快 可以跟随总线速度(bus