化工生产过程中加热罐的温度控制的设计.doc

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1、 摘 要本设计要求对化工生产过程中加热罐的温度控制系统进行设计,课题以单片机为控制核心。温度信号由铂电阻采集，通过信号调理、A/D转换成数字信号传送给单片机,单片机对采集的信号进行处理后，经输出通道送给加热罐进行控制。文中着重介绍了该控制系统的硬件部分，其包括：温度检测电路、温度控制电路、上下位机与单片机通讯电路及一些接口电路。通过此设计实现化工生产过程中对加热罐的温度控制。 关键词：单片机; 传感器; 温度测量; 温度控制 AbstractThe design requirements for the design of the heating tank in chemical produc

2、tion process of the temperature control system with single chip microcomputer as control core, subject. The temperature signal by the platinum resistance through acquisition, signal conditioning, A/D converted into digital signals transmitted to the microcontroller, microcontroller to process the si

3、gnal to control the output channel, to the heating tank. This paper emphatically introduces the hardware part of the control system, which comprises: a temperature detection circuit, temperature control circuit, computer and communication circuit of single chip microcomputer and some interface circu

4、its. By the design of the heating tank temperature control process in chemical production.Keywords: single chip microcomputer; sensor; temperature measurement; temperature controlIII兰州工业学院毕业论文目 录1 绪 论11.1 课题设计背景11.2 课题设计目的及意义22 方案的论证32.1 主要性能指标32.2 测温电路的方案选择32.3 控制电路的方案选择42.4 显示器的选择42.5 系统总体方案的确定53

5、硬件电路设计63.1 主控芯片63.2 温度测量电路的设计103.2.1 铂电阻简介103.2.2 铂热电阻的非线性123.2.3 铂电阻电桥电路133.2.4 温度检测电路图133.3 信号调理电路143.4 A/D转换电路163.5 输出通道203.5.1 固态继电器203.5.2 可控硅输出电路223.6 显示单元243.7 报警电路253.8 键盘单元电路263.9 电源部分283.10 接口通讯单元284 软件电路设计314.1 程序结构分析314.2 程序流程图314.2.1 温度检测模块324.2.2 报警模块334.2.3 显示模块345 结 论36致 谢37参考文献38附录A

6、39附录B40兰州工业学院毕业论文1 绪 论温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整

7、不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器热电阻，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器热电阻只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于热电阻芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器热电阻做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器热电阻进行范围的温度检测。而且工业上广泛应用热电阻温度计来测量-200500范围内的温度。1.1 课题设计背景电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了

8、根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的51系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。对于快速发展的现代社会，工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的

9、温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计就是基于MCS-51系列单片机8051温度控制系统的设计。1.2 课题设计目的及意义随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。本设计采用MCS-51系列单片机8051设计了对温度实时测量及控制的系统。8051单片机根据温度传感器所采集的温度在LED显示器上实时显示，控制系统则把加热罐的温度控制在设定的范围之内。本次设计要求我们更加的明确单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。还要对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法，进一步锻炼同学们在微

10、型计算机应用方面的实际工作能力。41兰州工业学院毕业论文2 方案的论证本设计的任务就是要设计一个以单片机控制为核心的加热罐温控系统，功能是对温度测量和控温：在测量部分，要求测量0200的温度范围，加热罐温度为：1802，测温的结果要求显示；在控制部分，要求系统能够将温度调节到加热罐给定的温度，一旦超过设定值,将会报警。2.1 主要性能指标(1) 系统主要技术指标：加热罐温度：1802,温度控制范围：0200；(2) 对加热罐实现智能恒温控制；(3) 要求智能控制其与上位机实现串行通信，通信距离可达1000m；(4) 要求显示设定温度和实时温度；(5) 被控过程参量超限时，系统应能发出光报警信号

11、。2.2 测温电路的方案选择方案一：采用热敏电阻作为测温元件热敏电阻精度高，但需要配合电桥使用，要实现精度测量需要配上精密较高的电阻，此外还需要制作相应的调理电路，使用和制作都比较麻烦。方案二：采用热电偶温度传感器热电偶时温度测量中使用最广泛的传感器之一，其温度范围宽，一般在-1802800的温度范围内均可使用。其测量的精度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内，有较高的精度。但是热电偶在使用过程中要解决冷段温度补偿，而且如果使用热电偶测500以下的中、低温，则会存在以下两个问题：第一，热电偶输出的热电势很小，这时对电子电位计的放大器和抗干扰存世要求都很高，仪表维修也困难；第二，由于冷段温度变化而引

12、起的相对误差突出，不易得到全补偿。方案三：热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的特性来测量温度的感温元件。大多数金属在温度每升高1时，其阻值要增加0.4%0.6%。电阻温度计就是利用热电阻这一感温元件将温度的变化转化为电阻值的变化，通过测量桥路转换成电压信号，然后送至显示仪表或记录被测温度，并且热电阻系列的铂电阻具有良好的耐腐蚀性。因此，工业上广泛应用热电阻温度计来测量-200500范围内的温度。综上所述本设计采用方案三热电阻温度传感器作为测温电路。2.3 控制电路的方案选择方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的温度控

13、制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐。方案二：采用FPGA（现场可编程门阵列）实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用。方案三：采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，电路设计和制作比较简单，成本也低，是目前应用最普遍、最实用的控制系统。综上所述本设计采用方案三作为控制电路。2.4 显示器的选择方案一：采用LED显示器LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方

14、面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1:10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示屏还可以进行联网播出。有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。 方案二：采用LCD显示器LCD是液晶显示屏的全称:它包括了TFT,UFB,TFD,STN等类型的液晶显示屏。笔记本液晶屏常用的是TFT。LCD是

15、由液态晶体组成的显示屏。简单地说，LCD与LED是两种不同的显示技术，而LED则是由发光二极管组成的显示屏。LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。目前市面上所谓的LED显示器，其实是“LED背光液晶显示器”；现在流行的液晶显示器，属于“CCFL背光液晶显示器”。所以此二者仍是液晶显示器，只是背光源不一样而已。不要看到LED显示器就误以为是下一代技术显示器，其实技术最新的是叫OLED。在环保理念逐渐深入人心的今天，一些重环保的人士和品牌开始强调LED面板的“无汞”概念，不含汞的LED面板将更加节能和环保，功耗只是普通LED的60%。综上所述虽然LCD显示器的显示效果好，是当今显

16、示器的主流，但是显示屏的单个元素反应速度慢，所以采用LED 作为显示器。2.5 系统总体方案温度传感器铂电阻从设备环境的不同位置采集温度，单片机 8051 获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感器出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。 系统总体方案结构图如下图2所示。图2 系统总体方案结构图3 硬件电路设计3.1 MCS-51单片机由于加热罐度控制器的核心就是单片机，单片机的选

17、择将直接关系到控制系统能否有效和协调的工作。MCS-51是美国Inter公司的8位高档单片机系列，是在MCS-48系列基础上发展而来的，也是我国目前应用最广泛的一种单片机系列。所以本次设计采用MCS-51系列的8051单片机，其应用广泛，性能稳定，抗干扰能力强，性价比高。8051包含了8位CPU，片内振荡器，4K字节ROM,128字节RAM,2个16位定时器，计数器，中断结构，I/O接口，AD和DA转换器，总线控制和晶体振荡电路等，可进行计算，监视定时等一系列功能。基于其内部资源丰富且功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。8051内部CPU由运算器（ALU）、控制

18、器（地那是控制部件等）、专用寄存器组三部分组成。8051 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Inter公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的8051可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。8051具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），

19、32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，8051设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有双列直插式封装，常为HMOS型器件所用，方形封装，大多数在CHMOS型器件中使用两种封装形式，以适应不同产品的需求。主控模块采用单片机最小系统是由于8051芯片内含有4 kB的 E2PROM ,无需

20、外扩存储器 ,电路简单可靠 ,其时钟频率为 12MHz ,并且价格低廉。其主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 2个16位可编程定时/计数器 全双工UART串行中断口线 128x8 bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针 看出8051提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器

21、/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时,8051可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。8051引脚图如下图3-1。图3-1 8051单片机引脚图8051 引角功能说明：Vcc ：电源电压。 GND ：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路。对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外

22、部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把

23、端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX Ri 指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。）P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3

24、口的第二功能如下表3-1所示。 表3-1 P3口的第二功能端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通RST： 复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。WDT益出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE

25、/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位禁位后，只有一条MOVX 和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据

26、）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上12V的编程电压Vss。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。8051单片机内部构造及功能：特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片内空间地址并没有全部占用，没有占用

27、的地址不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。而写这些地址单元将不能得到预期的结果。中断寄存器：各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。双时钟指针寄存器：为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存储器：PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。在使用前初始化DPS。电源空闲标志：电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。存储器结构：MCS-5

28、1单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在8051,假如接至Vcc（电源），程序首先执行从地址0000H0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：在8051的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。看门狗定时器（WDT）：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看狗复位S

29、FR（WDTRST）构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄存器，当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT，当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。3.2 温度测量电路的设计 在工业上广泛应用电阻温度计来测量-200500之间的温度。在特殊情况下电阻温度计测量的低温可达到平衡氢的三相点温度（13.8033K），甚至可更低，高温可测到1000。电阻温度计的特点是准确度高，在中低温下（500以下）测温。它的输出信号比热电偶的要大得多，故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号

30、，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。本设计用铂电阻测量温度。3.2.1 铂电阻简介 铂电阻的特点是稳定性好，准确度高，性能可靠，这是因为铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定，所以1990国际温标（ITS-90）规定在13.8033K961.78温域内以铂电阻温度计作为标准仪器。铂电阻在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系。以次，必须用保护套把电阻体与有害的气氛隔离开来。并且铂电阻具有良好的耐腐蚀性，因此，铂电阻被广泛用于工业上和实验室中。铂的纯度常以/来表示。对于工业用铂电阻，规定其/为1.385.我国规定铂电阻的分

31、度号为Pt10和Pt100，后者用得较多。前者的铂丝较粗，能可靠地用600以上测温。Pt100的分度表如下表3-2所示。表3-2 Pt100的分度表分度号：Pt100 Ro=100W a=0.003850 电阻单位：WIpTS-68分度值IpTS-68分度值IpTS-68分度值-20018.4940115.54280204.88-19022.8050119.40290208.45-18027.0860123.24300212.02-17031.3270127.07310215.57-16035.5380130.89320219.12-15039.7190134.70330222.65-1404

32、3.87100138.50340226.17-13048.00110142.29350229.67-12052.11120146.06360233.17-11056.19130149.82370236.65-10060.25140153.58380240.13-9064.30150157.31390243.59-8068.33160161.04400247.04-7072.33170164.76410250.48-6076.33180168.46420253.90-5080.31190172.16430257.32-4084.27200175.84440260.72-3088.22210179

33、.51450264.11-2092.16220183.17460267.49-1096.09230186.32470270.860100.00240190.45480274.2210103.90250194.07490277.5620107.79260197.69500280.9030111.67270201.29铂电阻的温度特性可用下列（3-1），（3-2）二式表示：在-2000之间 （3-1） 在0850之间 （3-2） 以上两式中t时的电阻值； 0时的电阻值； A,B,C常数，对于工业用铂电阻，A=3.90802， B=-5.802，C=-4.27350。3.2.2 铂热电阻的非线性铂热

34、电阻具有测量精度高、测温范围宽、稳定性好等优点，但铂热电阻是一种非线性测温元件。根据国际电工委曲线图员会提供的数据，铂热电阻的电阻温度曲线图如下3-2所示。 图3-2 电阻-温度曲线图显然，随着测量范围的增大，非线性越来越严重。当温度测量范围为200850时，铂热电阻的最大非线性达到4.6%。当然，减小温度测量范围，将使非线性减小。但是，当精度要求高或测温范围宽时，就必须解决非线性问题。3.2.3 铂电阻电桥电路非平衡电桥原理图如图3-3所示，设电桥供电电源输出电压为，四个桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4（），其中R1、R2、R3为电阻箱，而R4（）为铂电阻或铜电阻传感元件，其阻值随温度而

35、变化，若R1R3R2R4（），则电桥有电压U（）输出，大小可用数字万用表显示。 不同温度，对应不同（），通过数字万用表显示的（）值就可确定对应温度值，这就是非平衡电桥测量温度原理。但数字万用表显示值与温度是非线性的，这给温度标定和显示带来困难。可以通过恰当方法进行线性化和数字化处理，使数字万用表显示毫伏数的十倍就代表温度值，即（）?（），并且保证显示温度误差。图 3-3 铂电阻电桥电路3.2.4 温度检测电路图温度测量模拟电路是把当前 PT100 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，即通过采用Pt100作为温度敏感元件，经过三线制恒流源电路、运算放大电路等环节，对温度进行检测，使当前

36、温度在0到200摄氏度变化时，输出信号的幅值为05V。其温度检测电路图如下图3-4所示。图3-4 温度检测电路图3.3 信号调理电路信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的

37、数据处理。信号调理电路图如图3-5。 图3-5 信号调理电路图信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟数字转换器（ADC）的范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号噪声比。2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。衰减对于测量高电压是十分必要的。3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传

38、输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。5.过滤滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或60Hz的噪声（来自于电线或机械设备）。大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz噪声而专门设计的低通滤波器。6.激励激励对于一些转换器是必需的。例如，应变计，电热调节器，

39、和RTD需要外部电压或电流激励信号。通常RTD和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成，这个电流源将电阻的变化转换成一个可测量的电压。应变计，一个超低电阻的设备，通常利用一个电压激励源来用于惠斯登（Wheatstone）电桥配置。7.冷端补偿冷端补偿是一种用于精确热电偶测量的技术。任何时候，一个热电偶连接至一个数据采集系统时，您必须知道在连接点的温度（因为这个连接点代表测量路径上另一个“热电偶”并且通常在您的测量中引入一个偏移）来计算热电偶正在测量的真实温度。3.4 A/D转换电路 1.ADC0809的主要技术指标 (1) 分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越

40、高。 (2) 转换速度 完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。 (3) 相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。 (4) 其它 功率、电源电压、电压范围等。2.ADC有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端，另一类有使能控制端，可与微机直接接口。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。ADC0809的姊妹芯片是ADC0808，也可以相互替换。ADC0809有8路模拟开关、地址锁存器与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。(1) 8路模

41、拟开关及地址锁存器与译码器8路模拟开关用于输入IN0IN7上的8路模拟电压。地址所存和译码器在ALE信号控制下可以所存ADDA、ADDB和ADDC上是我地址信息，经译码后控制IN0IN7上那一路模拟电压送入比较器。例如，当ADDA、ADDB和ADDC上均为低电平0以及ALE为高电平时，地址所存器和译码器输出使IN0上的模拟电压送到比较器输入端VIN。(2) 256电阻阶梯和树状开关(3) 主次逼近式寄存器和比较器ASR在A/D转换过程中存放暂态数字量，在A/D转换完成后存放数字量，并可送到“三态输出锁存器”。(4) 三态输出器和所存电路 三态输出锁存器用于所存A/D转换完成后的数字量。CPU使

42、OE引脚变为高电平就可以从“三态输出锁存器”取走A/D转换的数字量。控制电路用于ADC0809的工作工程。3.ADC0809的引脚功能ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚如图3-6所示。图3-6 ADC0809引脚图(1) IN0IN7（8条）IN0IN7位8路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。(2) 地址输入和控制（4条）ALE为地址所存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线上的地址信号得以所存，经译码后控制8路模拟开关工作。ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线，选择IN0IN7上的哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换

43、。ADDA、ADDB和ADDC对IN0IN7的选择如表3-3所示。表3-3 ADDA、ADDB和ADDC对IN0IN7的选择被选模拟电压路数ADDAADDBADDCIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111(3) 数字量输出及控制线（11条）START为“启动脉冲”输入线，该线上的正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns是，上升沿清零SAR，下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线，该线上的高电平表示A/D转换结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”，OE为“输出允许”线，高电平时能使输出端输出转换后的数字量。(4) 电源线及其他（5条）C

44、LOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供主次比较所需640KHz时钟脉冲序列。VCC为+5V电源输入线，GND为地线。VREF(+)和VREF(-)为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。VREF(+)和VREF(-)常接地或接负电源电压。4ADC0809的内部结构ADC0809多路开关选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。其内部逻辑结构图如下图3-7。图3

45、-7 ADC0809内部逻辑结构5.ADC0809与MCS-51单片机的连接电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。(1) 路模拟通道选择启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。通道选择表如表3-4。ADC0809与单片机8051的连接图如图3-8所示。 表3-4 通道选择表图3-8 ADC0809与单片机8051的连接图(2) 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。a.定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换