毕业设计（论文）单片机应用系统设计——温度巡检系统

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1、单片机应用系统设计温度巡检系统摘要本论文采用台湾凌阳公司生产的µnSP系列16位SPCE061A单片机，设计了用于检测炉窑温度的温度巡检系统, 该系统在冶金、化工等领域应用较为广泛。课题主要内容包括硬件设计（热电偶温度传感器、热电偶温度变送器、驱动芯片、LED显示器等）以及软件程序设计（模拟量的采集、A/D转换模块、定时器、I/O模块等）。该系统可以在一个采样周期内实现四个温度采集点的巡回检测、各个采集点的温度的LED显示、温度的超限报警功能。论文详细阐述了软件设计的思路，并对硬件接口电路和程序流程图进行了详细的分析，并对系统的抗干扰性能进行了优化设置。大部分程序采用了C语言编程，相

2、较于汇编语言来说它具有结构灵活，数字信号处理能力强的特点，而且只要修改参数就可以方便地应用于其它类似的系统。关键字：SPCE061A单片机，采样，A/D转换The Design of System for Itinerant Temperature Measurement Using MCU AbstractThe author of the paper designs a itinerant measurement system of temperature in measuring the furnace temperature using the SPCE061A 16-bit MCU

3、in the µnSP series made by Taiwan Sunplus Ltd , which is used widely in the filed of metallurgical engineering and chemical industry. This paper contains the designs of hardware (the thermocouple sensor, the thermocouple convert, the driver, the LED displayer etc.) and the software (the analog

4、data collect, the ADC convert unit, the Timer，the I/O unit etc.).The system can measure the furnace temperature of the four points in a sample period, display the temperature data of each point on the LED displayer and give an alarm when the temperature oversteps the normal boundaries. The paper tel

5、ls the designing thought in detail and analyses the circuit diagrams and charts with clarity.Most of the programs are described by C language, which has the advantages of agility structure and strong Digital Signal Processing ability to the assemble language. The program can be transplanted convenie

6、ntly to other similar system just by modifying the parameters.Keywords: SPCE061A MCU, sample，analogy-digital-convert 第 69 页目录1 绪论11.1 课题的提出11.2 单片机的发展及现状11.3 课题的系统构成22 系统基本硬件42.1 凌阳16位单片机SPCE061A介绍42.1.1 SPCE061A的性能52.1.2 SPCE061A的内部结构和最小系统62.1.3 定时器和计数器82.1.4 输入输出接口112.1.5 A/D转换器132.1.6 凌阳SPCE061A的

7、指令系统152.2 温度传感器172.2.1热电偶的测温原理182.2.2 热电偶传感器的选型182.2.3 热电偶的结构形式192.2.4 热电偶的冷端补偿192.3 温度变送器213 系统硬件设计243.1 电路方框图其说明243.2 SPCE061A与计算机的接口243.3 SPCE61A与外部传感器、变送器的接口253.3.1 被测温度的输入通道253.3.2 温度传感器和温度变送器与SPCE061A的接口电路263.4 LED显示器接口电路263.4.1 七段数码管273.4.2 静态显示方式和动态显示方式273.4.3 LED显示器的接口电路283.4.4驱动芯片BIC781829

8、3.5声光报警电路303.5.1 通道14的报警电路接口303.5.2 SPCE061A的DAC输出通道与扬声器的接口313.6 SPCE061A的电源模块324 系统的软件程序设计334.1 主程序334.2 FIQ中断子程序354.3 采样及A/D转换子程序364.4数字滤波子程序384.5标度转换子程序394.6报警子程序394.6.1 报警子程序Sgbj（）404.6.2报警子程序Alarm（）414.7 LED显示子程序424.7.1 LED显示子程序Display（）424.7.2 LED显示器的段选码434.7.3 LED显示子程序Fshow（）434.8 放音子程序444.9

9、编程工作的总结455 系统调试475.1编程工具µnSP IDE的简介475.2 程序的调试516 总 结53参考文献54附录55附录一：SPCE061A引脚说明（PLCC84封装形式）55附录二：源程序代码57附录三：系统硬件电路图67致谢681 绪论1.1 课题的提出在工业的各个领域，如冶金、化工、机械、建材等部门，多种形式的炉窑成为其重要的生产设备。温度是否在工艺要求的范围之内，关系着生产是否能够顺利进行。例如在炼铁过程中，温度过低会导致铁水凝固，如果温度过高又会使铁水很容易被氧化，影响产品质量。在化工领域，反应炉温度的高低往往是化学反应是否发生的先决条件。因此在炉窑的运行过程

10、中，温度是其必不可少的检测参数。温度巡检系统就是针对工业生产中温度的检测而设计的，用于实现炉窑温度在一定周期内几个温度采集点的巡回检测，当温度超过工艺要求的最高值或者低于最低值的时候就会发出报警信号，以便于现场操作人员及时处理，保证生产的顺利进行。1.2 单片机的发展及现状单片机属于计算机的一个种类。从应用领域看，单片机之主要用于控制，所以也称它为微控制器（MCU. Microcontroller Unit）。它包括中央处理器CPU，随机存储器RAM，只读存储器ROM，中断系统，定时器/计数器，串行口和I/O 等等。现在，单片微型机已不仅指单片计算机，还包括微处理器，微控制器等。1970 年微

11、型计算机研制成功之后，随着大规模集成电路的发展又出现了单片微机，并且按照不同的发展要求，形成了两个独立发展的分支。美国Intel 公司1971 年生产的4 位单片微机4004 和1972 年生产的8 位单片微机8008，特别是1976 年MCS-48 单片微机问世以来，在短短的二十几年间，经历了四次更新换代，其发展速度为大约二到三年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻一番。在MCS-48 单片微机成功的刺激下，世界各地厂商已研制出大约50 个系列，30 多个品种的单片微机产品。其中有Intel公司的MCS51系列、MCS96系列，Atmel公司的AT89系列，Motorola公司的6801，68

12、02，ZiLOG 公司的Z8 系列，Siemens公司的SAB80系列, Philips公司的87、80系列,日本日立公司的 HS/300，HS/600 8 位单片微机，日本NEC 公司的78K/11 系列16 位单片微机等等。随着单片微机技术的不断发展和成员的不断扩大，单片微机的品种除了有不带片内ROM，带片内掩膜ROM 和带片内EPROM 三种基本品种外，还出现了带片内EEPROM，带片内闪速存贮器（Flash），以及具有高电磁兼容性单片微机等。计算机必须由三大基本单元，即CPU，存储器和输入/输出设备组成。单片微机在一块芯片上集成了ROM/EPROM，RAM，定时器，特殊功能寄存器SFR

13、和存储器扩展控制器，构成了单片微机的存储器；还集成了可编程并行I/O控制，串行口控制器，A/D转换器及D/A输出，构成了单片微机的输入/输出通道。尽管单片微机中没有键盘等输入设备，也没有CRT等输出设备，但单片微机允许利用I/O接口与各种输入/输出设备相连。单片微型机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测，数据的采集以及对应用对象的控制。除了工业控制领域，单片微型机在家用电器、电子玩具、通讯高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。根据CPU字长的不同，单片微型机可分为4位机、8位机、16位机和32位机。从发展来看，8位机的性能价格比越来越高，因此8位机是单片微型机

14、的主流机种。4位机和8位机主要用于家电、电子玩具、电话、一般性的工业控制等处理速度要求不太高而又需要较大批量的领域；16位机和32位机主要用于高速数据通讯等技术要求高的领域。 1.3 课题的系统构成在目前的工业过程控制系统中，由于单片机具有抗干扰能力强，适应恶劣的工作环境等特点，被广泛的用作工业控制现场的控制，完成现场数据的适时采集和相关控制操作。PC机将编制好的程序通过在线调试器下装到单片机中，使得单片机能够在一定的周期内实现对各个采集点的温度采集，然后通过A/D转换、滤波和标度转换，成为温度值，然后送显示电路实现温度值的显示，当温度值超过工艺要求的安全范围时发出报警信号。1.4 课题研究内

15、容本论文通过硬件电路和软件的设计，利用凌阳SPCE061A单片机完成四个模拟量输入通道的数据采集和处理，实现炉窑温度的巡回检测和报警。(1) 计单片机的硬件电路板，包括单片机需要的电源，外围的输入输出接口， 单片机的硬件电路等。(2) 成模拟量输入通道的硬件设计，包括接口电路和外围电路的设计，画出硬件线路图。(3) 用Protel软件完成系统电路板的设计。(4）完成系统软件设计，画出流程图，阐述编程思想，编制相应的单片机应用程序。(5) 系统仿真工具对系统进行调试。2 系统基本硬件系统硬件是以单片机为核心，其它的部分成为单片机的外围接口电路，围绕单片机而展开。这些部分主要包括温度传感器、温度变

16、送器、LED显示器、报警灯、蜂鸣器等。2.1 凌阳16位单片机SPCE061A介绍随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的µnSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片。围绕µnSP所形成的16位µnSP系列单片机采用的是模块式集成结构，它以µnSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰

17、富的各种外设接口部件，如图所示: 图2.1 µnSP家族的模块式结构µnSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品。µnSP家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。µnSP家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外，其指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应

18、用增添了DSP（数字信号处理）功能，使得µnSP家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。 而且它的指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。µnSP家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。2.1.1 SPCE061A的性能SPCE061A 是继µnSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器，它具有16位数据线和22位地址线。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用

19、户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使µnSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以µnSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。 SPCE061A的主要性能介绍如下：（1）µnSP微处理器； （2）工作电压(CPU)VDD为2.43.6V, (I/O)DDH为2.45.5V （3）CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ； （4）内置2K字SRAM； （5）内置32K FLASH； （6）可编程音频处理

20、； （7）晶体振荡器; （8）2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； （9）2个10位DAC(数-模转换)输出通道； （10）32位通用可编程输入/输出端口（11）14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； （12）使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； （13）锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； （14）32768Hz实时时钟； （15）7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； （16） 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能； （17）具备串行设备

21、接口； （19）具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； （20）内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口； （21）具有保密能力； （22）具有Watchdog功能。2.1.2 SPCE061A的内部结构和最小系统SPCE061A的结构如图所示。图 2.2 SPCE061A内部结构图SPCE061A的结构比较简单，在芯片内部集成了ICE仿真电路接口、FLASH程序存储器、SRAM数据存储器、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟、模数转换器A/D、DAC输出、通用异步串行输入输出端口、串行输入输出接口、低电压监测/低电压复位等部分，

22、各个部分之间存在着直接或者间接的联系。它的数据总线、地址总线和大部分的控制总线都在内部。其中数据总线16位、地址总线22位。SPCE061A最小系统当中，包括SPCE061A芯片外围的基本模块，有：晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等，如下图所示。2.3 SPCE061A的最小系统2.1.3 定时器和计数器在介绍SPCE061A的定时器和计数器之前，有必要介绍一下其时钟电路。µnSP时钟电路采用晶体振荡器电路。下图为SPCE061A时钟电路的接线图，外接晶振使用32768HZ。外接晶振产生的频率比阻容振荡电路要稳定得多。3276

23、8HZ的实时时钟经过PLL（Phase Lock Loop）倍频电路产生系统时钟频率（Fosc）,可以调整至49.152MH2,40.96MHz,32.768MHz，24.576MHz或20.480MHz。系统时钟频率(Fosc)和CPU时钟频率(CPUCLK)可通过编程来控制.默认的Fosc,CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。图2.4 SPCE061A与晶体振荡器连接SPCE061A提供了两个16位的定时/计数器：TimerA和TimerB。TimerA为通用计数器；TimerB为多功能计数器。TimerA的时钟源由时钟源A和时钟源B进行“与”操作而形成；TimerB的时钟

24、源仅为时钟源A。TimerA和TimerB的结构分别如图2.5和2.6所示：图2.5 TimerA的结构 时钟源A是一个高频时钟源，来自带锁相环的晶体振荡器输出的Fosc，时钟源B是一个低频时钟源，它的频率来自32768HZ的系统时钟，它可以作为精确的计时器。它们的组合为TimerA提供了多种计数速度。从以上两图可以看出，TimerA有P_TimerA_Data(读/写)(700AH)、P_TimerA_Ctrl(写)(700BH)两个控制字，TimerB有P_TimerB_Data(读/写)(700CH)、 P_TimerB_Ctrl(写)(700DH)分别用来写入计数器的初始值和选择时钟源

25、。以TimerA为例，使用者可以通过设置P_TimerA_Ctrl控制单元的05位来选择TimerA的时钟源A、B，设置该单元的69位来对脉宽占空比输出进行控制。图2.6 TimerB的结构2.1.4 输入输出接口图2.7 I/O 端口结构 输入/输出接口（即I/O口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。µnSP内有并行和串行两种方式的I/O口。并行口线路成本较高，但是传输速率也很高；与并行口相比，串行口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。表2.1

26、I/O端口的组合控制设置DirectionAttributionData功能功能描述000下拉带下拉电阻的输入管脚001下拉带上拉电阻的输入管脚010悬浮悬浮式输入管脚011悬浮悬浮式输入管脚100高电平输出（带数据反相器）带数据反相器的高电平输出（当数据写入“1”时输出“0”）101低电平输出（带数据反相器）带数据反相器的低电平输出（当数据写入“1”时输出“0”）110低电平输出带数据缓存器的低电平输出（无数据反相功能）111高电平输出带数据缓存器的高电平输出（无数据反相功能）SPCE061A有两个16位通用的并行I/O口：A口和B口。这两个口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。SP

27、CE061A提供了位控制结构的I/O端口，每一位都可以被单独定义用于输入或输出数据。通常，对某一位的设定包括以下3个基本项：数据向量Data、属性向量Attribution和方向控制向量Direction。3个端口内每个对应的位组合在一起，形成一个控制字，用来定义相应I/O口位的输入输出状态和方式。A口和B口的Data、Attribution和Direction的设定值均在不同的寄存器里。I/O端口的组合控制设置如上表2.1所示：2.1.5 A/D转换器A. 采样及采样定理数字计算机只能接受和处理二进制代码，这些二进制码可以表示某一种物理两的大小或某个数值，称为数字量，它们在时间上是离散的。实

28、际系统的被控制量大都是一些在时间上连续的信号，称为模拟量或连续量。本课题中温度传感器的输出信号是模拟信号，而单片机能处理的是数字信号，系统中同时存在时间特征完全不同的信号类型连续信号和数字信号。把不同性质的信息设备组织在同一个系统中，就必须有各种相应的信息变换和处理装置。连续信号和离散信号通过系统中的ADC和DAC进行相互的转换，从而使系统中的信息传递构成闭合回路。计算机获取信息的过程是：模拟信号通过按一定采样周期闭合的采样器，把连续信号变换成离散信号，经A/D转换（同时量化和编码），就变成计算机可以处理的数字信号了。采样周期T的选择（或者说采样频率的选择）是控制系统设计的重要参数。一般来说，

29、减小采样周期有利于控制系统的性能，T越小，采样信号的损失就越小，信号恢复精度就越高。但是T越小就会使控制系统的调节过于频繁，使执行机构不能及时相应而加快磨损，同时还会增加运算次数，使得计算机负担加重，要求计算机有更高的运算速度。然而T过大，使采样信号不能及时反映连续测量信号的基本变化规律，同时还会因为控制不及时而致使系统动态品质恶化，甚至导致体统的不稳定。采样定理给出了采样频率的下限值（或采样周期的上限值），又称为香农（Shannon）定理。叙述如下：对于一个连续信号f(t)进行连续采样，只要采样频率大于等于模拟信号中的最高频率的2倍，利用理想滤波器即可无失真地将采样信号恢复为原来的模拟信号。

30、用公式表示即为 （2.1）在工程上，一般取 。 （2.2）连续信号f(t)的最高频率；=2/T采样频率B. SPCE061A的A/D转换器SPCE061A内置8通道10位模-数转换器，其中7个通道用于将模拟量信号 (例如电压信号) 转换为数字量信号, 可以直接通过引线(IOA06)输入。另外一个通道只用于语音输入，即通过内置自动增益控制放大器的麦克风通道(MIC_IN)输入。ADC采用自动方式工作。硬件ADC的最高速率限定为(Fosc/32/16)Hz（Fosc表示系统时钟频率）。如果速率高于这个值，当读取ADC转换单元的转换结果时就会发生错误。 A/D转换的最高电压由片子上的第35引脚VRT

31、PAD决定。它是A/D转换外部参考电压输入脚，决定A/D转换电压的上限值。外部A/D最高电压不大于3.3V。 图 2.8 ADC输入接口的结构2.1.6 凌阳SPCE061A的指令系统 指令是CPU执行某种操作的命令。微处理器(MPU)或微控制器(MCU)所能识别全部指令的集合称为指令系统或指令集。指令系统是制造厂家在设计CPU时所赋予它的功能，用户必须正确的书写和使用指令。因此学习和掌握指令的功能与应用非常重要，是程序设计的基础。 SPCE061A单片机指令按其功能可划分为： （1） 数据传送指令，包括立即数到寄存器、寄存器到寄存器、寄存器到存储器、存储器到寄存器的数据传送操作； （2) 算

32、术运算，包括加、减、乘运算； （3） 逻辑运算，包括与、或、异或、测试、移位等操作； （4） 转移指令，包括条件转移、无条件转移、中断返回、子程序调用等操作； （5） 控制指令，如开中断、关中断、FIR滤波器的数据的自由移动等操作。下表中的符号是在指令系统叙述过程中所要用到的，在SPCE061A的指令系统中有统一的约定。表2.2 SPCE061A指令系统的符号约定R1,R2,R3,R4,R5(BP)通用寄存器PC程序寄存器CS,DSSR寄存器中的代码段选择字段和数据段选择字段NZSCSR寄存器中的四个标志位(请参考下面几行)SR段寄存器，其中BIT15BIT10对应DS;BIT9BIT6对应N

33、ZSC标志位; BIT5BIT0对应CSIM66位（BIT）的立即数IM1616位（BIT）的立即数A66位地址码A1616位地址码Rd目的（destination）寄存器或存储器指针Rs源寄存器或存储器指针数据传送符号MR由R4,R3组成的32位结果寄存器（R4为高字节,R3为低字节）&,|,，逻辑与记号，逻辑或记号，逻辑异或记号可选项寄存器间接寻址标志+,- -指针单位字增量，字减量ss，us两个有符号数之间的操作，无符号数与有符号数之间的操作Label程序标号FIRFinite Impulse Response(有限冲击响应)，数字信号处理中的一种具有线性相位及任意幅度特性的数字

34、滤波器算法。N负标志，N=0时表示运算前最高有效位为0，N=1表示最高有效位为1。Z零标志，Z=0表示运算结果不为0，Z=1表示运算结果为0。S符号标志，S=0表示结果不为负，S=1表示结果为负数（2的补数），对于有符号运算，16位数表示的范围-3276832768，若结果小于零，则S1。C进位标志，C=0表示运算过程中无进位或有借位产生，C=1表示有进位或无借位产生/注释符2.2 温度传感器热电传感器是利用转换元件的参数随温度变化的特性，将温度和与温度有关的参数的变化转换为电量变化输出的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。这两种

35、传感器在工业生产和科学研究中已经得到广泛的应用，并有相应的定型仪表可供选用，以实现对温度检测的显示和记录。热电偶是目前接触式测温中应用最广的热电传感器。其优点是：（1）测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。因为它输出信号是电势，因而在测量时不必外加电源，室温下的输出电压为mV级，灵敏度一般在uV/。（2）测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。（3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。（4）便于远距离测

36、量、自动记录及多点测量。2.2.1热电偶的测温原理热电偶是基于热电效应工作的。把两种不同的导体或者半导体组成的闭合回路称为热电偶，如图所示。导体A和B称为热电极，温度高的接点称为热端、测量端或者工作端；温度低的接点称为冷端、参考端或者自由端。测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某一温度。图2.9 热电偶回路将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点1 和2的温度不同时，如果TT0，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，称为“热电动势”，记为Eab，热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接触

37、点温度有关而与导体的形状及尺寸无关。当热电偶制成后，热电动势的大小仅与T0 、 T有关。如果保持自由端温度T0=0，则热电势的大小仅与工作端温度T称对应关系。在使用热电偶都附有分度表，即在T0=0时，热电动势与被测温度T的数值对照表。只要测得被测点的电动势值，就可以根据分度表查出被测点的温度，或者直接用温度刻度，则可以在仪表上直接读出被测点的温度值。2.2.2 热电偶传感器的选型适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有4050种。国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(

38、B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜(E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。 本课题中选用了 铂铑30-铂铑6热电偶，分度号为B。这种热电偶适用于在氧化气体中的测温，长期测1600，短期测1800，测温范围在6001700，允许的误差是最高温度的0.25%，即±4.25。2.2.3 热电偶的结构形式 普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护管、接线盒等四部分组成。普通热电偶的结构如右图所示。安装连接时，可采用螺纹或法兰方式连接。根据使用条件，可以制作成密封式普通型或高压固定螺纹型。图2.10 普通热电偶的结构1.热端 2.热电极 3.绝缘套管

39、 4.保护管 5.接线盒为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：（1） 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；（2） 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；（3） 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；（4） 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。2.2.4 热电偶的冷端补偿 根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。常用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端的温度为0为先决条件的。但是在实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难于保持0，而且往往是波动的，无法进行参考

40、端温度修正。因此，要使变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用冷端温度补偿来消除由于冷端温度变化引起的温度误差。常用的方法是补偿导线法和电桥补偿法。补偿导线法又称为冷端延长法或者延伸热电极法。如图所示，用补偿导线将热电偶的参考端引至温度变化比较平缓的环境中，而显示仪表放在恒温或温度波动较小的地方。 图2.11 热电偶的冷端补偿使用补偿导线必须注意：热电偶与补偿导线的热电特性相同，热电偶与补偿导线要配套使用，不能乱接；热电偶和补偿导线都有正、负极性，使用时热电偶的正极接补偿导线的正极，负极接负极，不能反接；补偿导线的使用温度不能过高，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100；补偿导线的价格要比热

41、电偶便宜。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。 电桥补偿法又称为冷端自动补偿法，电路如图所示。该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。图2.12为补偿电桥法示意图。电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R1=R2=R3为锰铜线绕制的电阻，R4为铜导线绕制的补偿电阻，E是电桥的电源，R为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。使用时选择R4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出 Uab=0。当冷端温度升高时，

42、R4阻值随之增大，电桥失去平衡，Uab相应增大，此时热电偶电势Ex由于冷端温度升高而减小。若Uab的增量等于热电偶电势Ex的减小量，回路总的电势Uab的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化。图2.12 热电偶的电桥补偿法2.3 温度变送器热电偶温度输出的电压很小，一般不会超过几十毫伏，这样的信号直接输入单片机中不易被识别，无法进行处理，所以要用温度变送器将热电偶的输出信号进行放大处理。DDZ-型变送器是DDZ-型电动单元组合仪表的一个主要品种之一。是一种将各种参数变换成统一标准信号（直流420mA或者直流15V）的仪表。DDZ-型温度变送器有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、直流毫伏变送器三个

43、品种。这里显然要用到的是热电偶温度变送器。DDZ-型热电偶温度变送器具有热电偶冷端补偿、零点调整、零点迁移、量程调节以及线性化等重要功能。量程调节的主要目的是使变送器的输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。如图所示。量程调节相当于改变变送器的输入-输出特性的频率。变送器的零点调整和零点迁移的目的均是使其出处信号的下限值与测量范围的下限值相对应。根据迁移的方向不同，有正迁移、负迁移之分。变送器零点迁移之后，其量程不变、即斜率不变，却可以提高精确度。图2.13 温度变送器的输入-输出特性DDZ-型温度变送器的主要特点有：（1）采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性以及各项技术性能。（2

44、）在热电偶和热电阻的温度变送器中采用了线性化电路，使变送器的输出电流或电压信号和被测温度（输入信号）呈线性关系。（3）线路中采用了安全火花防爆措施，可用于危险场所的温度测量变送。如下图所示，DDZ-型温度变送器由量程单元和放大单元组成。热电偶的热电动势Ei与调零量程回路的信号Uz和反馈回路的信号Uf进行综合后，输入放大单元进行电压和功率的放大、整流输出电流信号DC420mA或电压信号DC15V。 量程单元由输入回路、冷端补偿回路、调零调量程回路和非线性反馈回路等部分组成。热电偶温度变送器的放大单元由集成运算放大器、功率放大器、直流-交流-直流变换器、输出电路等部分组成。其作用是将量程单元的输出

45、电压信号进行电压和功率放大，输出电流信号420mA或电压信号DC15V。图2.14 DDZ-型温度变送器的结构组成框图 系统的温度变送器采用了上海仪表股份有限公司的SBW系列热电偶温度变送器。它是DDZ-型仪表中的现场安装式温度变送器单元。它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入、信号输出的公用传输线）。将热电偶信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的4 20mA的输出信号。送器具有输入端开路指示功能，热电偶温度变送器具有冷端温度自动补偿功能。精度高、功耗低、使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。 3 系统硬件设计系统的硬件图主要包括微控制器、温度传感器、变送器、LED显示模块、报警模块以及电源

46、模块。3.1 电路方框图其说明系统硬件电路有四个模拟量输入通道、四组四位LED显示电路和五组声光报警电路。模拟量输入通道外接四组温度传感器和变送器电路，每一路通道都有自己的声光报警电路和LED显示电路。同一时刻当四路通道中有三路通道的温度值超过温度的上限或者下限值的时候，会启动第五组报警电路的报警。图3.1 测温系统电路方框图3.2 SPCE061A与计算机的接口SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A片内置的在

47、线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPU-SPCE061A调试、运行用户编制的程序。图3.2 SPCE061A、PROBE、计算机三者之间的连接PROBE的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。图3.2是计算机、PROBE、用户目标板三者之间的连接示意图。 3.3 SPCE61A与外部传感器、变送器的接口温度传感器和温度变送器

48、承担着整个系统的数据采集的任务。只有这部分工作的稳定性和可靠性有保障，整个系统才能正常运行。3.3.1 被测温度的输入通道下图是被测温度输入通道的框图，温度信号经过热电偶温度传感器的测量，变成毫伏信号，然后经过温度变送器转换成标准的420mA的电流信号。 图3.3 被测温度的输入通道3.3.2 温度传感器和温度变送器与SPCE061A的接口电路温度传感器采用铂铑30-铂铑6热电偶，分度号为B，温度变送器采用上海仪表股份有限公司的SBW系列热电偶温度变送器。由于温度变送器具有自动冷端补偿功能，所以省去了昂贵的补偿导线的费用，直接将传感器的输出端接温度变送器的输入端子就行了。SPCE061A的I/

49、O引脚能接受的信号是电压信号。所以，温度变送器输出的420mA的直流电流信号需要经过一个电阻Rt转换成电压信号。由于本系统中I/O口的参考电平引脚VDDH接了3.3V的输入电压，即I/O引脚的输入输出最高电平是3.3v，因此需要限制电阻Rt的大小。 Rt*20mA<3.3V (3.1)Rt<165 (3.2)这里取Rt=150共需要这样的Rt四个，A/D转换能够得到的最高输入电压是3V，最低输入电压是0.6V。温度变送器输出端的接法如图3.4所示。输出端的负极接SPCE061A的VSS引脚，表示外部的传感器、变送器和单片机是共地的。图3.4：温度传感器和温度变送器与SPCE061A

50、的接口电路3.4 LED显示器接口电路在本系统中，共有四个温度采集点，经过A/D转换和单片机处理后，会出现四个温度值。每一路温度都要用LED显示电路显示出来。设系统的正常温度范围为12001600，而且不需要精确到0.1，则系统需要四组四位的七段数码管。3.4.1 七段数码管LED数码管是用7个直线状（有的还有一个小数点形状或者冒号形状）的发光二极管组成。和其他二极管一样，在放光二极管的两端加上一定的电压产生电流后，发光二极管导通并发亮。这些二极管可以接成共阴极方式（如图所示），也可以接成共阳极方式。共阴极方式就是阴极接地，阳极受控。共阳极方式就是阳极+5V，阴极受控。使用放光二极管时要注意发

51、光二极管的工作电流，发光二极管静态时通过的电流一般不超过10mA,如果电路中的电流过大则需要串入适当的电阻以防止二极管被烧毁。SPCE061A的I/O 口作为数据输出口静态驱动能力比较弱，输出电流较小，不能满足发光二极管的放光要求，所以需要外加驱动芯片。图3.5 共阴极连接方式3.4.2 静态显示方式和动态显示方式在单片机系统中可以利用七段数码管灵活地构成所要求位数的显示器。N位的LED显示器有静态显示方式和动态显示方式两种。LED工作在静态显示方式下时，共阴极接地或共阳极接+5V，每一位的段选线（ag）与7位I/O并行口相连，显示器的每一位通过单片机对输出口的控制都可以实现独立显示，只要在该

52、位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。由于每一位由独立的I/O口控制，故在同一时刻可以显示不同的字符。本系统由四组四位LED显示，如果用这种方式就需要占用64个I/O口，而SPCE061A仅共提供32个I/O口，所以宜采用动态显示方式，LED动态显示方式是将所有位的段选线并接在七位I/O口线上，共阴极段或共阳极端分别用相应的I/O口线控制。由于每一位的段选线都连接在同样的I/O口线上，所以每送一个段选码，N位就同时显示同一个字符，这种显示器是不能用的。解决这个问题的方法是利用人的视觉暂留，从I/O口线上按位次分别送显示字符的段选码，在位选控制口也按相应的次序分别选通相应的显示

53、位（共阴极送低电平，共阳极送高电平），选通位就显示相应的字符，并设置程序保持一定的延时，未选通位不显示字符（保持熄灭）。这样，对各位显示就是一个循环的过程。从计算机的工作来看，在一个瞬时只有一位显示字符，其他的部位都是熄灭的，但是因为人的视觉暂留（人的视觉暂留为1/12到1/16秒），只要不断循环地选通相应的位，两次选通同一位的时间间隔不超过人的视觉暂留时间，这种动态的变化是感觉不到的。从效果上来看，各位显示器能连续而稳定地显示不同的字符。3.4.3 LED显示器的接口电路课题中的温度巡检系统有四路通道，根据其温度的检测范围，每一路至少有四位显示器，整个系统共需要十六位显示器。发光二极管采用共

54、阴极接法，用SPCE061A的I/OA814做LED的段选位，用I/OB016做LED的位选，并用BIC8718作驱动器。由于接入了+3.3V电源，为防止烧坏发光二极管，在电路中串入了限流电阻。限流电阻的阻值选择原则是示电路中的电流不小于发光二极管的最小发光电流并且不大于发光二极管的最大电流。限流电阻的阻值R的计算：5mA<(3.3-0.7v)/R<10mA (3.3)260<R<520 (3.4)取R=510LED显示部分共需要这样的电阻25个。LED显示的接口电路和BIC8718的管脚图如图所示，这里只画出了两个通道的LED显示电路，其他两个通路的显示电路与这两个通

55、路的接法相同。图3.6 LED显示器接口电路3.4.4驱动芯片BIC7818SPCE061A的I/O作为输出口时，瞬时（1us）驱动能力较强，但是它的静态驱动电流仅为2mA3mA，不能满足LED显示电路的要求。驱动芯片的作用就是增强系统的驱动能力，使外围电路能够正常工作。图3.7 BIC7818管脚图3.5声光报警电路本系统用I/OA47的输出信号控制通道14的报警电路，通过I/OB15 控制第五组报警电路的报警灯，扬声器则由DAC1输出引脚控制。当系统的温度值满足一定的报警条件时，相应的控制位置“1”报警，发光二极管点亮，蜂鸣器发出声音。14路报警灯采用红色的发光二极管和蜂鸣器，第五组采用黄

56、色发光二极管和SPCE061A特有的放音功能。3.5.1 通道14的报警电路接口为了保护发光二极管不被烧毁，在电路中串入了保护电阻，保护电阻Rv的阻值须满足以下的条件：5mA<(3.3-0.7v)/Rv<10mA (3.5)260<R<520 （3.6）取Rv=510 图3.8 I/OA47的报警电路接口由于蜂鸣器需要的驱动电流比较大，约几十毫安，所以用采用了三极管的射极跟随电路。根据三极管的工作原理，管脚c处的电流是基极b处电流的倍（是三极管的放大倍数）。此处选用 NPN型三极管，它的放大倍数是10，采用塑封双极晶体管KSD882，封装形式是TO-92L。3.5.2

57、SPCE061A的DAC输出通道与扬声器的接口当同一时刻四路通道中有两路以上出现小于温度下限值或者高于温度上现值的状况时，该放音电路启动。此处已采用了三极管的共射极放大电路，三极管的型号同上。图3.9 SPCE061A的DAC输出通道与扬声器的接口3.6 SPCE061A的电源模块SPCE061A的内核供电是3.3v，其I/O端口、A/D转换模块等都需要供电，电源需要较强的驱动能力。下图是系统电源模块的线路图。交流电源经过整流后，经过电容器的滤波，再经过稳压芯片LM7833，获得比较稳定的直流电压。LM7833的驱动能力很强，可以保证系统正常的工作。 图3.10 SPCE061A的电源模块4

58、系统的软件程序设计温度巡检系统的软件设计主要是由主程序、FIQ中断程序、采样及A/D转换子程序、滤波子程序、标度转换子程序、LED显示子程序、声光报警子程序、放音子程序构成。其中LED显示子程序和声光报警子程序均有自己的子程序。程序设计采用C语言和汇编语言混合编程。下面对各程序进行逐一介绍。4.1 主程序程序首先是对系统环境初始化，执行关中断指令屏蔽中断，对I/O口A、B进行设置，并选择TimerA的时钟源、设置TimerA的初始值。设置完毕后，TimerA就开始计数了。此时再开FIQ中断，允许系统响应由TimerA引起的中断。当CPU还没有响应中断时，循环执行清看门狗、数字滤波、标度转换、报

59、警处理等子程序。当TimerA计时时间到，即经过一个采样周期的时间，CPU则转去执行FIQ中断程序。图4.1 主程序流程图模拟量输入通道LINE03（IOA03）接入了温度变送器，按照A/D转换电路的要求应该设置为悬浮式输入方式。而IOA47接的是通道14的报警电路，需要设置成为带数据缓存器的低电平输出口。IOB0IOB15外接的是LED电路的位选段，也需要设置成为带数据缓存器的低电平输出口。程序如下：*P_IOA_Data=0xffff; /IOA03为悬浮式输入方式，IOA47为带/数据缓存器的低电平输入方式*P_IOA_Dir=0xfff0;*P_IOA_Attrib=0x000f;*P

60、_IOB_Data=0xffff; /B口设置为带数据缓存器的低电平输出口*P_IOB_Dir=0xffff;*P_IOB_Attrib=0;系统的采样周期为2s。TimerA的时钟源A选择了A时钟源1HZ，B时钟源2048HZ，所以该时钟每秒钟计时2048次，要完成2s钟的定时，计数次数应为4096次，转化成十六进制是0x1000，初始值应该为：0xFFFF-0x1000=0xEFFFTimerA的设置如下：*P_TimerA_Ctrl=0x0005; /A时钟源1HZ，B时钟源2048HZ，所以/该时钟每秒钟计时2048次*P_TimerA_Data=0xefff; /时钟初始值系统的时钟

61、频率Fosc采用了默认的24.576MHZ，CPU的时钟频率采用了默认的Fosc/8，即3.072MHZ。在默认频率下CPU将所有的程序执行一遍的时间不超过40ms。而SPCE061A的Watchdog的周期是0.75s，故清看门狗计数器的程序只在数据处理的循环中执行一次便可以保证正常执行程序时不会出现看门狗电路溢出复位。人眼睛的视觉暂留为1/12到1/16s，即83.3ms62.5ms，LED的显示程序在数据处理程序调用一次即可。4.2 FIQ中断子程序当TimerA计时时间到时，CPU开始执行中断子程序。首先，执行关中断指令屏蔽其他的中断响应，然后进行断点信息保护。由于中断子程序采用C语言

62、编程，不会改变寄存器的值，故无须将寄存器值入栈。在中断程序中，还要对TimerA进行一次时钟源选择和初始值的设置。之所以在主程序里启动TimerA是因为假如没有在子程序中启动的话，程序永远也不可能通过FIQ中断的入口地址进入中断子程序来对模拟量进行采样和A/D转换。在中断子程序中A/D转换完毕后，调用LED显示程序，对各通道的温度值进行显示。值得注意的是，在第一次点亮显示器时，所有的显示数据都为0，因为此时还没有数据存储在相应的数组里，而数组的默认初始值是0。执行完关中断程序后，系统返回断点，继续顺序执行程序，等待下一次计时时间到时再执行中断程序。在等待中断的时间里，循环往复地执行数据处理程序。中断子程序的流程图如下图所示：图4.2 中断子程序流程图4.3 采样及A/D转换子程序