内蒙古科技大学课程设计说明书
图2.5.3 折线近似法
该种方法的电路原理图如图2.5.3所示。该电路的工作过程是：当输入的电压信号较低时，IC1中的反相端电压较同相端(A)低得多（同相端的电压大小是根据线性化要求设定的，B点同样），IC1的输出端电压较高，D1截止。当输入信号电压接近IC1的同相端时，IC1的输出逐渐降低，随之，D1逐渐导通，V4逐渐增大，直到V4接近A点电压为止。这就有效地限制了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。IC2的工作过程与此类似，不同的是B点电位比A点高。当输入电压在A点电压以下时，D2截止，IC2不工作；只有当输入电压高于A点电压或接近B点电压时IC2才工作。工作过程与IC1相同。所用折线的段数是根据精度要求决定的。对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到0.5%以上。当D1、D2都导通后，可推出： 式中，VF为晶体管发射结的正向压降。
本设计选用折线近似法对热电偶进行线性化近似。 2.6、TCL0832
TCL0832美国德州仪器公司生产的串行控制模数转换器，有两个可多路选择的输入通道，与单片机或控制器通过三线接口连线，性能比较高。TCL0832芯片具有以下特点： （1）8位分辨率；
（2）5V单电源供电，基准电压为5V； （3）输入模拟信号电压范围为0~5V；
（4）输入和输出电平与TTL和COMS兼容； （5）可直接和微处理器接口或独立使用；
（6）在250KHz时钟频率时，转换时间为32Us； （7）有两个可多路选择的模拟输入通道。 TCL0832DIP封装的引脚分配图7如下：
图7 TCL0832DIP封装的引脚分配图
16
内蒙古科技大学课程设计说明书
各引脚说明如下：/CS为片选端，低电平有效；CH0，CH1为模拟信号输入端；DI为多路器地址选择输入端；DO为模数转换结果串行输出端；CLK为串行时钟输入端；GND为电源地；VCC/REF为正电源端和基准电压输入端。
TLC0832处于工作状态时,置CS端有效,并使所有的逻辑电路使能,方可启动转换.CS在整个转换过程中必须置为低电平,接着从处理器接受一个时钟.当一个时钟的时间间隔被自动插入后,可以使转换器选定的通道稳定。而当DO脱离高阻状态是，可提供一个时钟的时间间隔的前导低电平，以使多路器稳定。SAR比较器用于对电阻梯形网络的输出。在转换过程中，转换的数据同时从DO端输出，并以最高位（MSB）开头。在经过8个时钟后，转换完成，CS变高，内部所有寄存器清零，此时，输出电路变为高阻太。如果希望另一个转换，CS必须有一个从高到低的跳变，且后面应紧跟着输入通道地址选择数据。TLC0832的输入配置可在多路器寻址时续中进行，多路器地址通过DI端移入寄存器。
第3章 硬件电路设计
如图2所示本设计是以AT89C51单片机为核心，K型热电偶采集数据，TLC0832转换数据，并最终由LDE数码管显示。则其具体硬件连线应参考第2章有关内容，在Protel 99 软件中查找器件并进行初步设计，经检查无误后最终确定硬件接线图如附录3硬件电路图接线所示。
第4章 软件电路设计
4.1 A/D转换子程序设计
A/D转换子程序流程图附录2中A/D转换子程序流程图。在该子程序中，首先对TLC0832的采样进行A/D转换，之后判断A/D转换是否完成，如果没有完成，则返回A/D转换，直到转换完成后，再进行数字滤波。待数字滤波后，将码值NX送到单片机缓冲单元存储，等待下一步线性化子程序调用该码值。
在工业测量中，被测对象常存在电场、磁场、噪声等恶劣环境中，这样采样值可能偏离真实值。所以，在软件设计中，还需要一组滤波程序，，以提高信噪比 ，减少乃至消除各种干扰及噪音，提高测量精度。一般在温度测量系统中采用限幅法或者限速法。限幅滤波是把两次相邻的采样值相减，求出增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际情况决定）ΔY进行比较，若小于或等于ΔY，则取本次采样；若大于ΔY，则仍取上次采样值作为本次采样值。而限速滤波法是一种折衷的方法，它利用最多3次采样值比较，决定采样结果。其方法是：
当|Y(2)-Y(1)|> ΔY时，不像限幅滤波那样，用Y(1)作为本次采样值，而是再采样一次，取得Y(3),然后根据|Y(3)-Y(2)|与ΔY的大小关系来决定本
17
内蒙古科技大学课程设计说明书
次采样值。其具体判别方式如下。
设顺序采样时刻t1、t2、t3所采集的参数分别为Y(1)、Y(2)、Y(3)，那么
当|Y(2)-Y(1)|≤ΔY时，则取Y(2)存入RAM
当|Y(2)-Y(1)|＞ΔY时，则不采用Y(2)，但仍保留，继续采样取得Y(3) 当|Y(3)-Y(2)|≤ΔY时，则取Y(3)存入RAM
当|Y(3)-Y(2)|＞ΔY时，则取［|Y(2)-Y(1)|+ |Y(3)-Y(2)|］/2输入计算机。
本设计采用限速法。其原理如上所述。 4.2 线形化标度变换子程序设计
线形化标度变换子程序流程图如附录2中的线形化标度变换子程序流程图 一般测温仪表所采用的线性化方法大致有以下几种：
1、计算方法：即先用数学上的曲线拟合方法对热电势和对应温度进行拟合，得出误差最小的近似表达式T=f(e)。为简化起见，常常是分段表达式，然后用计算程序进行分区计算得到温度。
2、直接查表法：对分度表不经处理，直接按一定的排列形式存入，用测得的A/D转换值靠软件搜索来查得相对应的温度值。
3、数据压缩法：即将分度表进行压缩处理，减少数据表字节数，通过软件的适当计算得出所测温度。
以上几种方法虽然都有其各自的优点，但它们所占的字节数，对把十几种分度好的线性修正数据或公式放入有限的单片机内存中，都是很困难的。
本设计采用分段直线拟合方法，既节省大量存储器，又有很高的测量精度，程序流程图如附录2中的线形化标度变换子程序流程图。
基本原理是：预先根据分度值表计算出A/D转换值所对应折点的温度值T0、T1?TN，形成数据表，单片机进行修正时，根据测量值的大小，找到合适的修正直线段两个端点温度值，通过简单直线方程计算出被测温度。
光进行线性化还不够的，还需要进行标度变换。在该热电偶测温仪表中，需要将测量的温度通过热电偶转换成0～+5V的电压信号，再将对应的电压信号经A/D转换，转换成对应的00～FFH（8位）的数字量DX。之后还需将DX值滤波，滤波后的码值为NX,最后在现行化程序进行过程中，将转换成实际测量温度的显示码值。在这个信号转换过程，就是标度变换。
线性化标度变换的前提是被测量参数值与A/D转换结果为线性关系。线性标度变换的公式为：
AX=(AM-AO)(NX-NO)/(NM-NO)+AO 式4.1
该式是线性化标度变换的通用公式。式中， AO:一次测量仪表的下限； AM:一次测量仪表的上限； AX:实际测量值（工程量）； NO:仪表下限所对应的数字量 NM:仪表上限所对应的数字量； NX:测量值所对应的数字量
18
内蒙古科技大学课程设计说明书
其中AO、NO、AX、NM对于某固定的被测量来说是常数，不同的参数有着不同的值。为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限所AO对应的A/D转换值置为0，也既NO=0。这样式4.1也可以写成：
AX=(AM- AO)NX/NM+AO 式4.2
当仪表下限值AO=0，此时，对应的NO=0，进一步将式4.2简化为：
AX=AMNX/NM+AO 式4.3
或者是 NX =（AX-AO）NM /（AM- AO） 式4.4
4.3 总程序设计
电路连接完后，编写软件程序，如线形化标度变换子程序， A/D转换子程序 并在KeilμVision2软件上运行程序，通过编译无误后，再编写测温仪总体程序，也即把线形化标度变换子程序， A/D转换子程序有机联系起来，最后在KeilμVision2软件上运行，通过编译若提示有误，再核查更改程序，直至无误后生成.hex文件，并通过rfe810烧路器软件把程序代码拷到单片机AT89C51内。
总结
通过7周的微机化仪表课程设计，接受认识了新的知识：Protel 99SE设计系统它具有原理图设计，PCB（印刷电路板）设计，层次电路图设计，报表制作，电路仿真以及逻辑器件设计等功能，大大开阔了视野，同时也基本掌握了其使用技巧，操作技能。 只有理论知识的我们，重新认识了AT89C51单片机，TLC0832，74LS164等硬件，对其工作原理更加明了，知道了其内部结构和管脚分布，让我们基本了解了硬件结构知识，也理解了其具体型号和封装方式的不同。再有，烧路器软件rfe810是新的知识，以前从未接触过，现在了解了其操作界面和工作流程，理论和实践有机地结合在了一起。总之，这7周是收获的7周，是学知识的7周，是掌握本领的7周，是我们共同学习探讨的7周，是我们互相学习的7周，是我们团结合作的7周。我们既学习了知识，又紧紧地靠在一起，你帮助我我支持你，让我们更加深刻了团队合作的重要性。零散的6个人，在李文涛老师的带领下深入实践，查找资料，借阅资料，学习知识等按部就班的进行，终于工夫不负有心人，我们成功了，一个个灿烂的笑脸后满怀的是收获后的欣悦和滴水不忘的感激之情。感谢学校提供了这样一个机会，也感谢李文涛老师的孜孜不倦的督导！
19
附录
附录1 硬件管脚分布图
图3 AT89C51管脚分布图
图5 74LS164管脚图
图7 TCL0832DIP封装的引脚分配图
图4 LED管脚分布图及内外部结构图 图6 X2045芯片引脚图