基于C8051F410的热偶信号发生器的设计

基于C8051F410的热偶信号发生器的设计

学生学号：09540326

学生姓名：邹俊锋

专业班级：测控技术与仪器

指导教师：王影

职称：讲师

起止日期：2012-3-5~2012-3-25

吉林化工学院

Jilin Institute of Chemical Technology

2012年硬件课程设计任务书

一、设计题目：基于C8051F410的热偶信号发生器的设计

二、设计目的:

1．熟悉Keil uVision开发软件及Protel电路设计设计软件的使用。

2. 掌握C8051F410单片机体系结构及C语言程序设计方法。

3．掌握热偶信号发生的原理及信号调理电路的设计。

4. 掌握热偶信号发生系统的校准原理。

三、设计任务及要求

1．学习C8051F410单片机体系结构及程序开发。

2．设计热电路，并应用Protel画出其电路原理图。

3．完成C8051F410的热偶信号发生系统的焊装和硬件调试。

4. 编写完整的实验程序，进行整机调试。

5. 撰写设计说明书。

四、设计时间及进度安排

设计时间共三周,具体安排如下表：

周次设计内容设计时间

第一周

1．学习C8051F410单片机体系结构及程序开发；

2．设计热偶信号发生电路，并应用Protel画出其电路原理图。

第二周

1．完成C8051F410的热偶信号发生系统的焊装和硬件调试；

2. 编写实验程序。

第三周1. 整机调试；

2. 撰写设计说明书；

3. 答辩。

四、考核内容

1．出勤、学习态度以及纪律情况；

2．设计完成情况及设计说明书完成质量；3．答辩。

综合以上考核内容给出硬件课程设计总评成绩。

本设计是将由按键输入的模拟温度值输入到单片机中，然后通过单片机的处理，把温度信号通过显示器显示出来，从而实现对现场温度的模拟检测。同时要求将采集到的温度信号通过D/A变送成0~80mV的统一标准信号。再通过后级调理电路偏置电压，使输出在-10mV~70mV之间，从而使仪表的互换性和兼容性大为提高，仪表的配套也大为改善。所模拟的温度传感器有镍镉-镍硅，铂铑10-铂，铁-铜镍(康铜J)。

关键字：C8051F410 DA转换器热偶温度传感器

2012年硬件课程设计任务书 (2)

1 概述 (5)

2 整体设计思路及原理 (5)

3 硬件设计 (5)

3.1供电电源模块 (5)

3.2人机接口模块 (6)

3.3单片机最小系统模块 (7)

3.4调理输出模块 (7)

4 软件设计 (8)

4.1 系统初始化 (8)

4.2 DAC位扩展 (9)

4.3 抛物拟合插值 (9)

5结论 (10)

6 致谢 (10)

7 参考文献 (10)

附1 系统硬件电路图 (10)

附2 系统部分软件源程序 (12)

1 概述

课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。

1．进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；

2．培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；

3．培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。

2 整体设计思路及原理

作为数字检测仪表它的主要功能是把模拟信号转换成相应的数字信号，然后通过CPU 的处理和运算，最后通过显示器进行显示，完成相应的处理功能。因此，它的设计原理及流程如下图所示：

3 硬件设计

本设计的电路主要由电源模块、键盘调整输入模块、单片机最小系统及其接口电路模块、D\A 数模转换模块、0~100mV 输出模块。具体电路和工作原理下面一一介绍。

3.1供电电源模块

电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源, 它的特点是起电压调整功能的器始终工作在线性放大区，由50Hz 工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。

它的基本工作原理为：工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后，通过

单片机小系统

D/A

显示器显示

键盘输入

信号调理电路

供 系统电源

采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性。

本设计采用固定集成输出集成稳压电路，它主要由变压器（双9V，5W）、集成整流桥、集成稳压器LM7805（+5V）、LM431（2.5V）构成。电路图如下：

图1 稳压供电电源

3.2人机接口模块

我们所测的温度范围在-270~1372℃范围之内，因此可以方便的用键盘来调整并输入数据来模拟由不同种类的温度传感器所采集回来的温度数据。电路图如下：

图2 温度调整键盘和液晶显示电路

其中，名称为“Key1”的按键用来功能选择；名为“Key2”的按键用来对所选位进行加值；名为“Key3”的按键用来对所选位进行减值。

3.3单片机最小系统模块

单片机最小系统是单片机能正常工作的条件。它主要由时钟电路、复位电路构成。具体接法请观察各个端口的网络标号。

C8051F410 内部有两个12 位的电流模式数/模转换器（IDAC）。由于12位D/A精度不够，故需要扩展成15位D/A。从键盘输入温度数值，查表得其对应的电压值。故可算出IDAC对应的的输出电流值。

具体电路见下图：

图3单片机最小系统及接口电路

3.4调理输出模块

0~80mV输出电路的主要功能是把温度变送成0~80mV电压输出。因为由D/A模数转换模块输出的是0~5V电压信号，所以为了模拟实现传感器测量温度输出标准值，要把信号进行衰减处理，使之变成0~80mV的标准电压信号，然后再将其送入一个电压跟随其中，实现高输出阻抗。在经过一个反向求和电路使输出电压范围变为-10~70mV,电路如图4。

图4电压跟随和反向求和电路

一级为电压跟随输出电压范围为0~80mV，第二级为反向求和。

运用虚短和虚断的概念可导出

(U1-U2)/100K=(U3-U1)/100；

令0mV时对应70mV，80mV时对应-10mV，可求出U2=35mV。

（U2为跟随输出电压，U2为二级运放负端的电压值；U3为最终输出电压）

又因为正端的电压与负端电压相等即为U2，故由滑动变阻器可调出35mV。则可输出-10~70mV。

4 软件设计

4.1 系统初始化

主控芯片采用C8051F410 MCU，其指令周期为1至2个时钟周期，系统时钟频率为

24.5MHZ，由于C语言易于移植，且语法简洁，本系统采用C语言编写，系统程序流程图如

图6所示

图5 流程图

C8051F410单片机是一款混合信号的处理器，内部集成AD 、DA 、晶振、SPI 、比较器等片上资源，3组P 口重的每个端口引脚都可以被定义为通用I/O(GPIO)或模拟输入/输出。所以在系统上电后为了使系统能够正确运行，必须对相应的寄存器做必要的配置；之后，还要对LCD 显示部分进行相应的初始化后才能够正确显示，所有这些的初始化工作都在系统初始化中完成。 经过系统初始化后，系统进入循环扫描的状态中，系统要不断地对按键输入进行测量，利用单片机的DA 转换器将其转换为模拟量， 然后在液晶上显示出来。

4.2 DAC 位扩展

C8051F410内嵌的2路12位DAC 转化器，其分辨率可达2/4096，用DAC0作为扩展后DAC 的高12位，DAC1产生低3位，DAC0采用最大电流为0~2mA ，DAC1采用最大电流为0~0.25mA 。所以扩展后的DAC 的只为二者之和。因此单片机输出的15位的DAC

的数字量为2.221515

÷?=DA DA num

4.3 抛物拟合插值

用二次函数L(x)近似的代替函数f(x),在几何上就是用通过三点的抛物线y=L(x)近似的代替曲线y=f(x),故三点插值又称抛物插值。

L(x)=

))(())(())(())(())(()

)((1202102

21012012010210

x x x x x x x x y x x x x x x x x y x x x x x x x x y ----+----+----

5结论

本次设计基本实现了设计的目标和要求，以及要达到的教学效果。设计中通过对每级的焊接与测试，反复的调节各级电阻，使输出信号中的杂质与导线电压降降到最低，设计的难点是输出电压的驱动电路和程序的调试与插值方法。由于输出小信号，所以在DAC输出时，外加一级电压跟随电路提高输出阻抗，在后级再加一级加法电路，使输出电压偏置在-10mV~70mV之间，同时提高了电路的驱动能力；编程要点在于对各个模块的初始化，以及对插值算法的编辑，由于热偶温度与电势不成线性关系，所以常规的二次插值和线性插值，难于满足精度要求，本设计采用抛物线插值，通过比较设定温度，寻找与之接近的三点作为插值点，这样拟合的曲线关系，与实际的热偶特性比较接近，提高了精度；本设计的精度与可信度，关键取决于后级调理电路的抗干扰能力，本次设计采用op07运放，op07具有响应速度快，温漂低，零点漂移小的特点，进一步提高了输出的精度，如果具有更高精度的运放，系统的输出效果一定会更好。

6 致谢

本次设计在王影老师的细心和耐心指导下，以较好的效果完成任务，在此，全体队友对王老师的支持和帮助表示深深的感谢；设计所需材料原件和器件由218实验室给予充足的支持，设计小组对他们的合作表示十分的感谢；同时在薛华龙同学及各位队友的配合努力下，最终完成了硬件的焊接，以及软件的调试，其中薛华龙完成了主要的焊接工作和调试过程，在设计过程中付出的辛勤的汗水，设计小组对薛华龙同学表示诚挚的谢意。

7 参考文献

《电子设计与实践》，翟玉文等，北京：中国电力出版社，2005年

《数字电子技术基础》，阎石著，北京：高等教育出版社，2007年

《模拟电子技术基础》，童诗白著，北京：高等教育出版社，2000年

《C8051F410/1/2/3微控制器数据手册》，潘琢金译，2006年

《数据结构与算法》，张晓丽等著，北京：机械工业出版社，2002年

《单片机原理及应用》，张毅刚编，北京：高等教育出版社，2004年

8 附录

附1 系统硬件电路图

附2 系统部分软件源程序

/**************绝对值函数**************/ float Round(float x)

{

if(x >= 0)

{

if((x-(int)x)>0.5)

x = (int)(x)+1;

else

x = (int)x;

}

else

{

if(((int)x-x)>0.5f)

x = (int)(x)-1;

else

x = (int)x;

}

if(x<=0)

x=0-x;

return x;

}

/***************寻位函数*******************/ int SeekPosition(float x)

{

int idata i=0;

if(x>X1[N1-1])

i = N1-1;

else if(x

i = 1;

else

while(X1[i]

i++;

return i;

}

/************插值函数*******************/ float LIntp(float x)

{

float idata y=0 ;

float idata xx=0;

float idata xy=0;

float idata xz=0;

int idata pos;

pos = SeekPosition(x);

xx = (Y1[pos-1])*(x-X1[pos])*(x-X1[pos+1])/(X1[pos-1]-X1[pos])/(X1[pos-1]-X1[pos+1]);

xy = (Y1[pos])*(x-X1[pos-1])*(x-X1[pos+1])/(X1[pos]-X1[pos-1])/(X1[pos]-X1[pos+1]);

xz = (Y1[pos+1])*(x-X1[pos-1])*(x-X1[pos])/(X1[pos+1]-X1[pos-1])/(X1[pos+1]-X1[pos]);

y = xx+xy+xz;

return y;

}

/***************系统初始化函数****************/

void Config()

{

//-------时钟初始化---------

OSCICN = 0x87; //系统时钟24.5M

RSTSRC=0x04; //时钟丢失检测标志

//--------IO初始化----------

XBR0 = 0X00; //0000 0000

XBR1 = 0x40; // 0100 0000 使能交叉开关

// P0MDIN = 0xff; //1110 0011

P0SKIP = 0x03; //跳过P0.1,P0.1 234 0001 1111

P1MDIN = 0XFF; // P1.2不为模拟输入Vref

P1MDOUT = 0X04; // P1.2为模拟输出0000 0100

P1SKIP = 0x04; // P1.2 跳过交叉开关0000 0100

//----------DAC初始化------------

REF0CN = 0X11; //0001 0001

IDA0CN = 0XF4; //1111 0100;0.25mA

IDA1CN = 0XF7; //1111 0111; 2mA

//---------T定时器0初始化---------

TMOD=0x01; //定时器0工作在方式1 16位

CKCON=0x02; //使用系统时钟12分频

ET0=1; //开定时器0中断

TR0=1; //启动定时器0

EA=1; //开总中断

TH0=0x00;

TL0=0x00;

}

/***************Ms延时函数****************/

void DelayMs(unsigned int ms)

{

unsigned char i;

while(--ms)

{

for(i=0;i<100;i++)

{

_nop_();_nop_();

}

}

}

/****************大延时函数******************/ void YSH(unsigned int t)

{

uint i,j;

for(i = t;i>0;i--)

{

for(j = 100;j >0; j--)

; ;

}

}

/*****键盘延时函数*************************/ void delay(unsigned char tt)

{

while(tt--);

}

//****************键盘函数***************/

//-------------型号功能按键0 -------------

void key0(void)

{

k0=1;

if(k0==0)

{

delay(100); //前沿抖动消除

if(k0==0)

{

while(k0==0)

delay(100); //后沿抖动消除

if(k0==1)

{ //预处理事件

FunSel=(FunSel+1)%3;

}

}

}

}

//---------------加1 按键1 ----------------

void key1(void)

{

k1=1;

if(k1==0)

{

delay(100); //前沿抖动消除

if(k1==0)

{

while(k1==0)

delay(100); //后沿抖动消除

if(k1==1)

{ //预处理事件

if(FunSel == 1)

{

tishu=tishu+50;

if(tishu >1350)

tishu = 1350;

}

if(FunSel == 2)

{

tiishu=tiishu+50;

if(tiishu >1350)

tiishu = 1350;

}

if(FunSel ==0)

{

xh++;

if(xh>7)

xh = 7;

}

}

}

}

}

//---------------减1 按键2 ---------------

void key2(void)

{

k2=1;

if(k2==0)

{

delay(100); //前沿抖动消除

if(k2==0)

{

while(k2==0)

delay(100); //后沿抖动消除

if(k2==1)

{ //预处理事件

if(FunSel == 1)

{

tishu=tishu-50;

if(tishu <-270)

tishu = -250;

}

if(FunSel == 2)

{

tiishu=tiishu-50;

if(tiishu <-270)

tiishu = -250;

}

if(FunSel ==0)

{

xh--;

if(xh<0)

xh = 0;

}

}

}

}

}

/*======================================================*/

//--------------主函数--------------

void main()

{

float qx,qy,qz;

int posl;

PCA0MD = 0X00;

Config(); //0000,0000 00000000 ;0000,0000 00000000

LCM_CS = 1; // ---- -------- ---

LCM_Delay(50);

LCM_Init();

LCM_Delay(50);

LCM_CN_Dis(0,0,"模拟热偶校准仪");

LCM_CN_Dis(2,0,"Welcome To Using");

IDA0L = 0X00; //max 54.6- 00 00 00 00 -0 IDA0H = 0X00; //min -6.458- 0c 0f 00 07 -24703 IDA1L = 0Xbe;

IDA1H = 0X0a;

YSH(4000);

while(1)

{

key0() ;

key1() ;

key2() ;

wencha = tiishu - tishu;

if(wencha<-270)

wencha = -250;

if(wencha>1372)

wencha = 1300;

tvolt = Round(LIntp(wencha));

IDA0L = tvolt%8;

IDA0H = 0x00;

IDA1L = (tvolt/8)%256;

IDA1H = (tvolt/8)/256;

posl = SeekPosition(wencha);

qx = (Z1[posl-1])*(wencha-X1[posl])*(wencha-X1[posl+1])/(X1[posl-1]-X1[posl])/(X1[posl-1]-X1[posl+1]);

qy = (Z1[posl])*(wencha-X1[posl-1])*(wencha-X1[posl+1])/(X1[posl]-X1[posl-1])/(X1[posl]-X1[posl+1]);

qz = (Z1[posl+1])*(wencha-X1[posl-1])*(wencha-X1[posl])/(X1[posl+1]-X1[posl-1])/(X1[posl+1]-X1[posl]);

qq = qx+qy+qz;

qq = (qq*10);

(int)qq;

}

}

//--------------定时器中断函数-----------------

void timer0() interrupt 1

{

TH0=0x00;

TL0=0x00;

flag++;

if(flag == 6)

{

flag = 0;

if(FunSel == 1)

{

LCM_WriteCmd(0x01); // 清除显示，并且设定地址指针为00H

LCM_Delay(100);

LCM_CN_Dis(0,0,"> 温度T1");

Transmitsz(tishu);

LCM_CN_Dis(0,5,pp);

LCM_CN_Dis(1,1,"温度T2");

Transmitsz(tiishu);

LCM_CN_Dis(1,5,pp);

LCM_CN_Dis(2,1,"型号");

nn[0] = A1[xh] ;

LCM_CN_Dis(2,5,nn);

LCM_CN_Dis(3,0,"输出电压");

Transmitsx(qq);

LCM_CN_Dis(3,5,pp);

}

if(FunSel == 2)

{

LCM_WriteCmd(0x01); // 清除显示，并且设定地址指针为00H

LCM_Delay(100);

LCM_CN_Dis(0,1,"温度T1");

Transmitsz(tishu);

LCM_CN_Dis(0,5,pp);

LCM_CN_Dis(1,0,"> 温度T2");

Transmitsz(tiishu);

LCM_CN_Dis(1,5,pp);

LCM_CN_Dis(2,1,"型号");

nn[0] = A1[xh] ;

LCM_CN_Dis(2,5,nn);

LCM_CN_Dis(3,0,"输出电压");

Transmitsx(qq);

LCM_CN_Dis(3,5,pp);

}

if(FunSel == 0)

{

LCM_WriteCmd(0x01); // 清除显示，并且设定地址指针为00H

LCM_Delay(100);

LCM_CN_Dis(0,1,"温度T1");

Transmitsz(tishu);

LCM_CN_Dis(0,5,pp);

LCM_CN_Dis(1,1,"温度T2");

Transmitsz(tiishu);

LCM_CN_Dis(1,5,pp);

LCM_CN_Dis(2,0,"> 型号");

nn[0] = A1[xh] ;

LCM_CN_Dis(2,5,nn);

LCM_CN_Dis(3,0,"输出电压");

Transmitsx(qq);

LCM_CN_Dis(3,5,pp);

}

}

}