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1 系统综述
1.1 方案论证与选择
设计主要是实现数控机床机床4路温度的采集，正确选择温度传感器和设计放大电路对整个设计起到事半功倍的作用。下面简要分析设计硬件电路方案的选择和上位机编写软件的选择。 （1）温度传感器选择
设计中温度传感器可以选择数字温度传感和模拟温度传感器。设计中要求采集的温度精度为0.5℃,数字温度传感器相对容易实现对温度的高精度测量，如数字温度传感器DS18B20，但进行多路温度采集时使用数字温度传感器成本高，在满足温度测量精度的条件下，选择模拟温度传感器。模拟温度传感器又分为电压输出型温度传感器和电流输出型温度传感器两种。其中电流输出型温度传感器，输出电流一般都很小，如AD590电流输出型温度传感器，需要将输出电流的变化转化电压的变化，才能进行电压放大和A/D转换等[11]。设计中选用电压输出型温度传感器TC1047温度传感，TC1047输出电压每变化10mV,表示温度变化1℃，正确设计放大电路和选择A/D转换芯片就可以满中温度测量精度为0.5℃的要求。 （2）滤波电路设计
设计中温度传感器选择的是电压输出型温度传感器，设计中要求将大于50Hz的信号给予滤除。设计中选择使用无源RC低通滤波电路即可以满足设计要求。 （3）电压放大电路的设计
设计中可以选择使用仪用放大器或运算放大器组建电路进行电压放大。选用仪用放大器可以大大减小电路设计的复杂度，如仪用放大器AD620和AD623只需要外接一个滑动变阻器就可以实现放大倍数的精确调节。而使用运算放大器电路设计复杂，精度也没有仪用放大器的高，但仪用放大器的价格相对运算放大器来说价格非常昂贵。设计中选择运算放大器OP07进行放大电路的设计，也可以满足设计的要求，并且设计成本大大降低。
（4）A/D转换芯片选择
设计中要合理选择A/D转换芯片的分辨率。设计放大电路的放大数5，只要A/D能分辨放大电路25mV输出电压的变化，就可以实现测量温度精度为0.5℃的要求。设计中选用8位分辨率的A/D转换芯片ADC0832，在参考电压为5V时可以分辨最小20mV的电压变化，满足设计要求。 （5）上位机编程软件选择
以上主要分析了硬件电路设计方案的选择，上位机的设计也是设计的难点。设计选
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择使用LABVIEW作为上位机的编写软件，LABVIEW是图形化编程语言，相对于其他文本编程语言来说，LABVIEW相对简单的多，可以很容易实现程序的编写和显示界面的美化设计[10]。 1.2 系统整体框图
设计主要任务分为上位机的设计和下位机设计两个大模块。其中，下位机主要是硬件电路的设计和C语言程序的编写。用电压输出型温度传感器TC1047来实现四路温度的实时监测，用液晶LCD1602显示采集到的温度值。将温度传感器输出的电压，通过RC滤波电路，将50HZ以上的信号给予滤除，再经过运算放大器OP07组建的放大电路对滤波后的电压信号进行放大，使用两片ADC0832将四路放大的模拟信号转化为数字信号。主控芯片STC89C52将A/D转换的数字量经过基于MAX232芯片的串行通信方式，发送到用LABVIEW软件编写的上位机，同时将数字量经数据处理转化为温度值在液晶LCD1602上显示。上位机将接收到的数据进行处理和显示，显示温度随时间的变化曲线以及用颜色的浅深来表示温度的高低，上位机可以设定报警温度上限值和采集温度的速率。上位机分为两个面板，一个为实时数据显示面板，另一个为历史数据读取显示面板，可以实现实时数据采集，同时也可以读取和分析历史数据。设计的整体框图如图1-1所示。
LCD液晶显示 温度传感 器 ． ． ． 温度传感 器 放大电路 ． ． ． 放大电路 滤波电路 ． ． ． 滤波电路 Ａ／Ｄ 转换 STC89C52 串 口 LABVIE PC机 串口电路 . . . 稳压电源 图1-1 数控机床测温系统整体框图
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2 硬件电路设计
2.1 51单片机主控电路
设计所选用的单片机型号为STC89C52,其与市场大部分51系列单片机完全兼容，并且在性能方面和速度上更具有优势。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89系列单片机CPU主要功能是产生各种控制信号，控制输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。STC89系列单片机几乎包含了所有数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上是一个片上系统[6-10]。 2.1.1 单片机主控电路设计
图2-1 单片机主控电路
设计单片机最小系统原理图如图2-1所示。主控模块由复位电路，晶振时钟电路和IO电路3部分组成。复位电路设计为按键复位和上电复位，通过在单片机的RST脚接10uf电容接电源，10K电阻接地的方式，完成上电复位，RST引脚再经过一个200欧的电阻和一个按键可以实现按键复位。测温电路设计要用到串口通信，为了得到较准确的
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波特率，降低通信的误码率，晶振电路使用的是11.0592MHZ的晶振，晶振两端分别接2个22pf电容接地，保证其时钟电路的稳定性。单片机引脚为访问外部存储器控制信号，将其接高电平，访问内部ROM。IO电路其引脚的功能具体如下：P0口为液晶LCD1602的并行数据总线，为了增加对LCD1602的驱动能力，外加了10K排阻；P1.0～P1.2为LCD的控制口；P2.0～P2.4为ADC0832的数据输入输出和控制口。P3.0和P3.1分别为串口通信的数据接收和数据发送口。 2.1.2 C51程序语言
C51是为51系列单片机设计的一种C语言，其特点：结构化语言，代码紧凑；接近真实语言，程序可读性强；库函数丰富，编程工作量小；机器级控制能力，功能很强；与汇编指令无关，易于掌握；对于有复杂计算的程序来说，更突显其优势，C51语言已成为51系列单片机程序开发的主流软件方法。C51与标准C语言对比，其语法规则、程序结构、编程方法大致相同，而数据类型、存储模式及中断处理存在着差异[13]。 2.2 TC1047温度采集电路
设计采用4个温度传感器TC1047A来采集4路温度，将温度的变化转化为电压的变化。TC1047和TC1047A是线性电压输出温度传感器，可以精确地测量从-40℃到+125℃之间的温度。10mV/℃的输出电压的斜率响应允许在温度范围内对预计的温度进行测量。 TC1047传感器输出电压的大小会随温度的改变而改变，温度增大，输出电压会增大，温度减小，其输出电压也会减小[12]。TC1047温度传感器输出电压与温度变化成线性关系，关系表达式为：
Vout?10?Temperatute?500
e测量温度值，单位为℃。TC1047其中:Vout为传感器输出电压，单位为mV；Temperatur温度传感器输出电压随温度变化的关系曲线如图2-2所示。
Vout = 0.01t + 0.51.61.41.210.80.60.40.20-40-20020t(℃)406080100120Vout（V）图2-2 TC1047输出电压随温度变化的关系曲线
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如图2-3所示为TC1047温度传感器接口电路的设计，其中3号管脚用于为该芯片供电，管脚1为电源地，管脚2为电压输出，只要给芯片供电就可以使温度传感器正常工作。
图2-3 TC1047接口原理图
2.3 RC低通滤波电路
设计采用一阶无源RC低通滤波电路滤除频率为50HZ以上的干扰信号，使温度传感器的输出电压较稳定。
常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC∏型滤波和RC∏型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。滤波电路还可以分为高通、低通、带通和带阻滤波器，是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。
设计需要采集由温度传感器将温度转化为电压的信号，在实际中温度的变化频率不可能是太高的。为了使采集到的电压信号更加稳定可靠，设计需要将高于50HZ以上的信号滤除掉，才能进行电压信号的放大。在满足要求的前提下，为了使设计更加的简单，采用RC无源低通滤波电路。RC低通滤波器的截止频率计算公式为:
1f?
2???R?C其中:R为电阻的阻值，单位为?;C为电容值，单位为F。设计中选用的电容为
C?0.1?F,电阻R?33?，所以可以计算出低通滤波器的截止频率为:
f?1?48.2?z?50?z 3?62?3.14?33?10?0.1?10所以满足截止频率小于50HZ的要求，RC低通滤波电路原理图设计如图2-4所示。