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1、智能型温度测量仪,1 智能型温度测量仪的原理 2 智能型温度测量仪的电路结构及特点 3 软件结构和程序框图 4 典型智能型温度测量仪实例 思考题与习题,1 智能型温度测量仪的原理,1.1智能型温度测量仪的基本功能 1) 自动零点调整及满度的校正 由于智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正，因此可以减小测量误差，同时可实现一表多用。智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器，故又称为温度万用表。 2) 自动修正各类测量误差 智能型温度测量仪能实现对测量传感器（例如热电偶）的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电阻的引线电阻影响的消除等， 还可实现各类测量误差的自动修正。,3
2、) 数据的处理和通信 智能型温度测量仪可进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的； 实现各种控制规律，满足不同控制系统的需求；与其他仪器和微机进行数据通信， 构成各种计算机控制系统等。,4) 多种输出形式 智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示、打印记录、 声光报警，还可以多点巡回检测。它既可输出模拟量，也可输出数字量（开关量）信号。 5) 自诊断和断电保护 智能型温度测量仪对仪表内部各种故障能自动诊断出来， 并能进行故障显示或报警。断电时，仪表内的切换电路自动接上备用电池， 以保持储存的数据。,图
3、1 智能型温度测量仪的硬件组成框图,2. 系统软件 智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。 监控程序用于接受和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行；中断处理程序是用于人机联系或输入产生中断请求以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序；软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。,3. 工作流程 智能型温度测量仪的工作流程如图2所示。由温度传感器进入的模拟信号（直流电势或电阻）经过输入信号处理，即经过交换、放大、整形和补偿后，由A/D转换成数字量。此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。微处理器CPU对输入的数据进行加工处
4、理、分析、计算后，将运算结果存入读写存储器中。与此同时，将数据显示和打印出来；也可将输出的开关量经D/A 转换成模拟量输出，或者利用串、并行标准接口实现数据通信。整机工作过程是在系统软件控制下进行的。 工作程序编制好后写入只读存储器中，通过键盘可将必要的参数和命令存入读写存储器中。,图 2 智能型温度测量仪的工作流程,2 智能型温度测量仪的电路结构及特点,2.1 主机电路 1） MCS-51系列单片机的结构与特点 MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器。片内的RAM和ROM空间都比较大，
5、RAM可达256字节，ROM可达48 KB。由于片内ROM空间大，因此BASIC语言等都可固化在单片机内。现在的MCS-51系列单片机已有许多品种， 其中较为典型的是8031、 8051和8751三种。,8031型单片机片内无ROM，应用时必须外接EPROM才可使用；8051型片内具有4 KB字节的掩膜ROM；而8751型片内则具有4 KB字节的紫外线可擦除电可编程的EPROM。这三种芯片的引脚兼容，从而把开发问题减小到最低限度，并提供最高的灵活性。8751最适用于开发样机，以及小批量生产和需要现场进一步完善的场合；8051适用于低成本，大批量生产的场合； 8031则适用于能方便灵活地在现场进
6、行修改和更新程序存储器的场合。,MCS-51系列单片机指令系统提供了七种寻址方式，可寻址64 KB字节的程序存储器空间和64 KB字节的数据存储器空间； 共有111条指令，其中包括乘除指令和位操作指令； 中断源有5个（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级都是可编程的； 在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在MCS-51系列单片机内部，还有1个由直接可寻址位组成的布尔处理机，即位处理机。指令系统中的位处理指令专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理，特别适用于位线控制和解决各种逻辑问题。,P0P3：四个8位I/
7、O端口，用来输入输出数据。P3口中还包括了一些控制信号线。 MCS-51系列单片机存储容量较小，许多情况下需要外接EPROM。此时，P0、P2口作为地址/数据总线口。关于MCS-51系列单片机的详细内容可查阅有关参考资料。,图 3 MCS-51单片机结构框图与逻辑符号 (a) 结构框图； (b) 逻辑符号,2） 主机电路,图 4 用8031单片机等构成的主机电路,2.2 温度检测电路 温度是一个很重要的物理参数，也是一个非电量，自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品的生产过程中，温度的测量与控制都直接和产品质量、生产效率、 节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。因此，
8、 温度的测量是一个具有重要意义的技术领域，在国民经济各个领域中都受到相当的重视。 常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等。由于各种温度传感器工作原理不同， 因此有不同的应用检测电路。,电阻温度传感器的主要优点是： （1） 测量精度高， 对非温度量不敏感； （2） 有较大的测量范围， 灵敏度高； （3） 线性度好， 便于自动测量。,图 5 单电桥测温电路原理图,在进行电路设计时,一般是已知传感器的温度特性,根据测温环境确定电桥平衡方式、激励源选择、电压灵敏度、放大与引线电阻补偿等。现以铂电阻温度传感器为例，说明单电桥电路设计与应用的简单方法。 假设已知某铂电阻
9、温度特性如图6所示。 t=0时，R(t)=100;t=200时，R(t)=150 ; 则R=0.25 /。 设通过R(t)的电流小于2 mA，测温距离为100 m，要求U0=100 mV。,图6 单电桥测温电路原理图,1） 电桥结构的选择 如图5所示，电桥采用等臂电桥，选择R1=R2=R3=R4，铂电阻R(t)R1。为了调整电桥平衡，采用可变电阻RW，这样RW分为两部分。电桥平衡时，（RW1+R2）R4=R1+R(t)(RW2+R3)，则U0=0。因为R(t)冷电阻为100，所以可选择R110R(t)。 设选取R=R1=R2=R3=R4=2 k，则RW可调电阻为200，这时可用RW调整电桥平衡
10、，RW称为调零电位器。在0时调整，使电桥平衡，即调节RW，使得U0=0 V。,2） 激励电源电压的估算 单电桥电路中激励电源的主要作用是：在电阻温度传感器R(t)以及固定电阻R1、R2、R3和R4中产生一定的电流，将电阻的变化转变为电压的变化。但R(t)中电流是有限的，不能过大， 否则由于本身电流发热而影响温度的测量。 对于固定电阻中的电流也不能过大，并要求固定电阻有较大的功率容量， 其近似估算是：,先设定一较低电压，例如E选用5 V，则总电流I为,则每臂电流I1、I2分别为,从上面估算可以看到，流过R(t)的电流小于2 mA，故本身的热量变化不会影响环境的变化。同样, 流过固定电阻上的电流也
11、小于2 mA。,3） 单电桥电路输出信号的放大 由前面所选定铂电阻的R=0.25 /，可得电压灵敏度为,图5所示电桥是双端输出的，若采用运算放大器，则要用差动放大电路，如图7所示，其输出电压为B、D点的电位差。如电路选用Rf=R、R1=R2=R，则运算放大器放大的电压为,选择不同的Rf与R，则可得到所放大的信号。,图7 差动放大电路,4） 传感器引线电阻的补偿 实际测量中，由于被测温环境离控制室较远，因此传感器要经较长的导线置于测温环境中，这样，引线电阻必然会影响电桥的平衡。例如，50 m长的导线引入1 的引线电阻，会使R(t)测温偏离约5的误差，所以对引线电阻要进行补偿。 最常用的引线电阻补
12、偿方法是三线补偿法，如图8所示。 图8(a)为二线连接法，由于有引线电阻RL, 因此会影响电桥平衡（平衡点仍为B与D点）。 图8(b)为用三根导线连接传感器，其中两根引线电阻在桥臂中以相同的方式发生变化并相互补偿，即这两根导线中电流的方向相反， 引线电阻正好抵消。,图 8 引线电阻补偿方法示意图 (a) 二线连接方法； (b) 三线连接法,2.3 过程输入输出通道,1. 模拟量输入通道 模拟量输入通道一般由滤波电路、多路模拟开关、信号转换放大器、采样保持器（S/H）和模/数转换器（A/D）等组成， 输入通道经过输入接口与主机电路相接。 模拟量输入通道有单通道与多通道之分。多通道中，每个通道有各
13、自的A/D转换器等器件（如图9所示），或者共享A/D转换器等器件（如图10所示），这时，就要有多路模拟开关。,图 9 每个通道有各自的A/D转换器等器件的结构,图 10 多通道共享A/D转换器等器件的结构,如果输入信号来自温度变换器，则输入通道就可省略放大器。此外，由于温度是个缓慢变化的物理量，其变化速度比A/D转换速度慢得多， 因此可以省略采样保持器（S/H）。 由放大器发出的电压信号经过A/D转换器转换成与之对应的数字量，这就必然会产生一个问题： 数字显示如何与被测量统一起来。例如，当被测温度为750时，A/D转换器输出1000个脉冲。如果直接显示1000，操作人员还要经过换算才能得到温度
14、值，这是很不方便的，因此必须增加标度变换环节。,标度变换可以在模拟量输入之间进行，也可以在数字部分进行处理。在模拟部分实现标度变换的优点是简单可靠，但缺点是使仪表的通用性大受限制。而在数字部分进行处理却可增强仪表的通用性，但需要使用数字运算器电路或采用软件算法来实现，即经过A/D转换后的数字量先送到数字运算器，乘以或除以一个从0.10.9的任意值（根据需要也可乘、除两位以上的多位数，如0.0010.999中的任意值）。例如，被测温度为750，送出1000个计数脉冲，此时可将此计数值送入数字运算器进行乘以0.75的运算，即数字运算器输入1000个脉冲， 输出750个脉冲，再送至单片机进行处理。显
15、然，上述1000个脉冲也可以不经过数字运算器，而是直接送入单片机，由单片机通过一定的软件算法进行标度变换，这样可以大大节省硬件电路的成本。,常用的3位半A/D转换器14433可直接与单片机8031相接。4位半A/D转换器7135与单片机8031的连接要由8155作为接口， 如图11所示。 8155的定时器为方波发生器，输入时钟频率2 MHz，经16分频后输出125 kHz的方波作为7135的时钟脉冲。7135的选通脉冲线STB接到8031的INT1。A/D转换结束后，STB输出负脉冲向CPU申请中断。,图11 7135与8031的接口电路,2. 模拟量输出通道 模拟量输出通道也分单通道和多通道
16、。多通道结构通常又分为两种，即每个通道都有各自的D/A转换器等器件（如图12所示），或多路通道共享D/A转换器等器件（如图13 所示）。,图12 每个通道有各自的D/A转换器等器件的结构,图 13 多通道共享D/A转换器等器件的结构,2.4人机接口部件 1. 键盘接口 键盘接口通常包括硬件和软件两部分。硬件是指键盘的结构及其与主机的连接方式; 软件是指对按键操作的识别与分析， 即键盘管理程序。虽然对不同的键盘结构其键盘管理程序存在着较大的差异， 但任务大体可分为以下几项： （1） 识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码； 若无，则等待或转做别的工作。 （2） 译键：识别出哪一个键被按下，并求出该键的键值。 （3） 键值分析：根据键值，找出对应处理程序的入口并执行。,键盘一般是一组开关（按键）的集合。 常用的按键有三种： 机械触点式： 利用金属的弹性使按键复位。 导电橡胶式： 利用橡胶的的弹性使按键复位。 柔性按键：外形及面板布局等可按整机要求来设计， 在价格、寿命、防潮、防锈等方面显示出较强的优越性。 键盘按其工作原理又可分为编码式键盘和非编码式键盘。,
