1、第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.1智能型温度测量仪的原理4.2智能型温度测量仪的电路结构及特点4.3软件结构和程序框图4.4典型智能型温度测量仪实例4.5实训项目三智能温控系统调测本章小结思考题与习题第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 智能型温度测量仪是指将温度变换元件变换所得的模拟量转换为数字量，通过单片机等智能芯片进行数据处理、运算等，并以数字形式显示测量结果或控制其他装置的智能化仪表。以单片机为主体的仪表中，软件完成众多的数据处理和存储任务，简化了传统常规仪表的电子线路，使仪表的结构发生了根本的变革；同时，较大幅度地增加
2、了功能，提高了准确性和可靠性，使仪表具有了一部分人脑的智能。4.1智能型温度测量仪的原理智能型温度测量仪的原理第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.1智能型温度测量仪的原理智能型温度测量仪的原理 通常，智能型温度测量仪能实现如下功能。1)自动零点调整及满度的校正由于智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正，因此可以减小测量误差，同时可实现一表多用。智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器，故又称为温度万用表。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2)自动修正各类测量误差智能型温度测量仪能实现对测量传感器（例如热电偶）的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电
3、阻的引线电阻影响的消除等，还可实现各类测量误差的自动修正。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 3)数据的处理和通信智能型温度测量仪可进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的；实现各种控制规律，满足不同控制系统的需求；与其他仪器和微机进行数据通信，构成各种计算机控制系统等。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4)多种输出形式智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示、打印记录、声光报警，还可以多点巡回检测。它既可输出模拟量，也可输出数字量（开关量）信号。5)自诊断和断电保护智能型温度测量仪对
4、仪表内部各种故障能自动诊断出来，并能进行故障显示或报警。断电时，仪表内的切换电路自动接上备用电池，以保持储存的数据。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.1.2智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪与其他智能化仪器一样，也是由硬件和软件两大部分组成的。1.硬件结构 智能型温度测量仪的硬件部分由单片机主机电路、过程输入/输出通道、键盘（人机接口部件）、通信接口和显示打印等部分组成，如图4-1所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-1智能型温度测量仪的硬件组成框图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 主机电路以单片
5、机为核心，用来储存数据和程序，并进行一系列的运算和处理。过程输入/输出通道由模拟量输入/输出电路（A/D转换电路和D/A转换电路等）以及开关量输入/输出电路等构成。模拟量输入/输出电路用来输入或输出模拟量信号；而开关量输入/输出电路则用来输入或输出开关量信号。利用键盘可以实现人与仪表之间的联系，而通信接口则用于使仪表与外界进行数据的交换。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2.系统软件系统软件智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。监控程序用于接受和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行；中断处理程序是用于人机联系或输入产生中断请求
6、以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序；软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 3.工作流程工作流程 智能型温度测量仪的工作流程如图4-2所示。由温度传感器进入的模拟信号(直流电势或电阻)经过输入信号处理，即经过交换、放大、整形和补偿后，由A/D转换成数字量。此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。微处理器CPU对输入的数据进行加工处理、分析、计算后，将运算结果存入读/写存储器中。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 与此同时，将数据显示和打印出来；也可将输出的开关量经D/A 转换成模拟量输出，或者利用串、并行标准接口实现
7、数据通信。整机工作过程是在系统软件控制下进行的。工作程序编制好后写入只读存储器中，通过键盘可将必要的参数和命令存入读/写存储器中。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-2智能型温度测量仪的工作流程第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 智能型温度测量仪的电路主要由主机电路、温度检测电路、过程输入/输出通道、人机接口部件等电路组成。各部分电路的结构、原理及特点分析如下。4.2智能型温度测量仪的电路结构及特点智能型温度测量仪的电路结构及特点第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.2.1主机电路主机电路智能型温度测量仪通常以单片机为核心。单片机是指在一块芯片中集成了微处理器
8、CPU、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM和各种功能的I/O接口电路的微型计算机。在智能型温度测量仪中，采用的单片机型号以MCS-51系列居多。下面简要介绍该系列单片机及其组成的主机结构。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 1)MCS-51系列单片机的结构与特点 MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器。片内的RAM和ROM空间都比较大，RAM可达256 B，ROM可达4 KB8 KB。由于片内ROM空间大，因此BASIC语言等都可固化在单片机内。现在的MCS-51系列单片机已
9、有许多品种，其中较为典型的是8031、8051和8751三种。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 8031型单片机片内无ROM，应用时必须外接EPROM才可使用；8051型片内具有4 KB字节的掩膜ROM；而8751型片内则具有4 KB字节的紫外线可擦除电可编程的EPROM。这三种芯片的引脚兼容，从而把开发问题减小到最低限度，并提供最高的灵活性。8751最适用于开发样机，以及小批量生产和需要现场进一步完善的场合；8051适用于低成本，大批量生产的场合；8031则适用于能方便灵活地在现场进行修改和更新程序存储器的场合。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 MCS-51系列单片机指令
10、系统提供了七种寻址方式，可寻址64 KB字节的程序存储器空间和64 KB字节的数据存储器空间；共有111条指令，其中包括乘除指令和位操作指令；中断源有5个（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级都是可编程的；第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在MCS-51系列单片机内部，还有1个由直接可寻址位组成的布尔处理机，即位处理机。指令系统中的位处理指令专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理，特别适用于位线控制和解决各种逻辑问题。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪
11、MCS-51 简化结构框图与逻辑符号如图4-3所示。图中信号端子的意义如下：XTAL1、XTAL2：内部振荡电路的输入/输出端。RESET：复位信号输入端。：内外程序存储器选择端。当为高电平时，访问内部程序存储器；当 保持低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部存储器。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 ALE：地址锁存信号输出端。：外部程序存储器读选通信号输出端。P0P3：四个8位I/O端口，用来输入/输出数据。P3口中还包括了一些控制信号线第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-3 MCS-51单片机结构框图与逻辑符号第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 M
12、CS-51系列单片机存储容量较小，许多情况下需要外接EPROM。此时，P0、P2口作为地址/数据总线口。关于MCS-51系列单片机的详细内容可查阅有关参考资料。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2）主机电路采用8031单片机等构成的主机电路的典型结构如图4-4所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-4用8031单片机等构成的主机电路第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 8031芯片内无ROM，必须外接EPROM。其P0口输出的低位地址信号经74LS373锁存送进存储器 2764、6116的D0D7。选片采用线选译码的方式，其中6116可与E2PROM 2816
13、互换，实现断电保护。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 P2口输出的高位地址信号分别送至2764的A8A12和6116的A8A10。P2.7、P2.3和P2.7、经与非门输出的信号分别作为6116（）和6116（）的选片信号。8155的AD0AD直接连到8031的口，而和IO分别与P2.7、P2.相连。存储器和8155的控制信号线分别与8031的相应端相接，从而可实现各种器件的读写操作。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.2.2 温度检测电路温度检测电路温度是一个很重要的物理参数，也是一个非电量，自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品的生产过程中，温度的测
14、量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。因此，温度的测量是一个具有重要意义的技术领域，在国民经济各个领域中都受到相当的重视。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器和热电偶及集成对管温度传感器等。由于各种温度传感器的工作原理不同，因此有不同的应用检测电路。下面仅以电阻温度传感器为例，介绍温度检测电路的原理。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 电阻温度传感器的主要优点是：(1)测量精度高，对非温度量不敏感；(2)有较大的测量范围，灵敏度高；(3)线性度好，便于自动测量。电阻温度传感器用来测量温度，主
15、要是利用其温度特性。当温度变化时，电阻值发生改变，这样测温就变成了测量电阻值。最基本的测量电阻电路是惠斯登电桥，其单电桥测温电路原理图如图4-5所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-5单电桥测温电路原理图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 在进行电路设计时,一般是已知传感器的温度特性,根据测温环境确定电桥平衡方式、激励源选择、电压灵敏度、放大与引线电阻补偿等。现以铂电阻温度传感器为例，说明单电桥电路设计与应用的简单方法。假设已知某铂电阻温度特性如图4-6所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-6温度特性曲线第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪
16、t=0时，R(t)=100，t=200时，R(t)=150，则R=0.25/。设通过R(t)的电流小于2 mA，测温距离为100 m，要求U0=100 mV。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 1）电桥结构的选择如图4-5所示，电桥采用等臂电桥，选择R1=R2=R3=R4，铂电阻R(t)R1。为了调整电桥平衡，采用可变电阻RW，这样RW分为两部分。电桥平衡时，（RW1+R2）R4=R1+R(t)(RW2+R3)，则U0=0。因为R(t)冷电阻为100，所以可选择R110R(t)。设选取R=R1=R2=R3=R4=2 k，则RW可调电阻为200，这时可用RW调整电桥平衡，RW称为调零电位
17、器。在0时调整，使电桥平衡，即调节RW，使得U0=0 V。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2）激励电源电压的估算单电桥电路中激励电源的主要作用是：在电阻温度传感器R(t)以及固定电阻R1、R2、R3和R4中产生一定的电流，将电阻的变化转变为电压的变化。但R(t)中的电流是有限的，不能过大，否则会由于本身电流发热而影响温度的测量。对于固定电阻中的电流也不能过大，并要求固定电阻有较大的功率容量，其近似估算是：先设定一较低电压，例如E选用5 V，则总电流I为 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 则每臂电流I1、I2分别为 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 从上面估算可以
18、看到，流过R(t)的电流小于2 mA，故本身的热量变化不会影响环境的变化。同样,流过固定电阻上的电流也小于2 mA。所以，选取E=5 V是可行的。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 3）单电桥电路输出信号的放大由前面所选定铂电阻的R=0.25/，可得电压灵敏度为 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-5所示电桥是双端输出的，若采用运算放大器，则要用差动放大电路，如图4-7所示，其输出电压为B、D点的电位差。如电路选用Rf=R、R1=R2=R，则运算放大器放大的电压为选择不同的Rf与R，则可得到所放大的信号。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-7差动放大电路第第
19、4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4）传感器引线电阻的补偿实际测量中，由于被测温环境离控制室较远，因此传感器要经较长的导线置于测温环境中，这样，引线电阻必然会影响电桥的平衡。例如，50 m长的导线引入1 的引线电阻，会使R(t)测温偏离约5的误差，所以对引线电阻要进行补偿。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 最常用的引线电阻补偿方法是三线补偿法，如图4-8所示。图4-8(a)为二线连接法，由于有引线电阻RL,因此会影响电桥平衡（平衡点仍为B与D点）。图4-8(b)为用三根导线连接传感器，其中两根引线电阻在桥臂中以相同的方式发生变化并相互补偿，即这两根导线中电流的方向相反，引线电阻
20、正好抵消。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-8引线电阻补偿方法示意图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 上面仅仅是对单电桥电路的讨论，另外还有双电桥电路、有源测温电桥电路等，读者若有兴趣可参考有关书籍，这里不再赘述。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.2.3过程输入过程输入/输出通道输出通道过程输入/输出通道是智能仪器的重要组成部分。在测温过程中，温度传感器的信号由输入通道进入检测仪表，而仪表的控制信号则要通过输出通道传递给执行机构。因此，温度的测量与控制的准确程度以及过程通道的质量都有着密切的关系。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 1.模拟量输
21、入通道模拟量输入通道模拟量输入通道一般由滤波电路、多路模拟开关、信号转换放大器、采样保持器（S/H）和模/数转换器（A/D）等组成，输入通道经过输入接口与主机电路相接。模拟量输入通道有单通道与多通道之分。多通道中，每个通道有各自的A/D转换器等器件（如图4-9所示），或者共享A/D转换器等器件（如图4-10所示），这时，就要有多路模拟开关。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-9每个通道有各自的A/D转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-10多通道共享A/D转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 如果输入信号来自温度变换器，则
22、输入通道就可省略放大器。此外，由于温度是个缓慢变化的物理量，其变化速度比A/D转换速度慢得多，因此可以省略采样保持器（S/H）。由放大器发出的电压信号经过A/D转换器转换成与之对应的数字量，这就必然会产生一个问题：数字显示如何与被测量统一起来。例如，当被测温度为750时，A/D转换器输出1000个脉冲。如果直接显示1000，操作人员还要经过换算才能得到温度值，这是很不方便的，因此必须增加标度变换环节。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 标度变换可以在模拟量输入之间进行，也可以在数字部分进行处理。在模拟部分实现标度变换的优点是简单可靠，但缺点是使仪表的通用性大受限制。而在数字部分进行处理
23、却可增强仪表的通用性，但需要使用数字运算器电路或采用软件算法来实现，即经过A/D转换后的数字量先送到数字运算器，乘以或除以一个0.10.9中的任意值（根据需要也可乘、除两位以上的多位数，如0.0010.999中的任意值）。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 例如，被测温度为750，送出1000个计数脉冲，此时可将此计数值送入数字运算器进行乘以0.75的运算，即数字运算器输入1000个脉冲，输出750个脉冲，再送至单片机进行处理。显然，上述1000个脉冲也可以不经过数字运算器，而是直接送入单片机，由单片机通过一定的软件算法进行标度变换，这样可以大大节省硬件电路的成本。第第4章智能型温度测
24、量仪章智能型温度测量仪 常用的 位A/D转换器14433可直接与单片机8031相接。位A/D转换器7135与单片机8031的连接要由8155作为接口，如图4-11所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-117135与8031的接口电路第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 8155的定时器为方波发生器，输入时钟频率为2 MHz，经16分频后输出125 kHz的方波作为7135的时钟脉冲。7135的选通脉冲线STB接到8031的。A/D转换结束后，输出负脉冲向CPU申请中断。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2.模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道也分单通道
25、和多通道。多通道结构通常又分为两种，即每个通道都有各自的D/A转换器等器件（如图4-12所示），或多路通道共享D/A转换器等器件（如图4-13 所示）。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-12每个通道有各自的D/A转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-13多通道共享D/A转换器等器件的结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 在实际应用中，模拟量输出通道采用的器件按照仪表性能的要求来选择。对于多通道共用A/D转换器的形式，通常是用于输出通道数不太多，对速度要求不太高的场合。多路开关轮流接通各个保持器予以刷新，而且每个通道要有足够的接通时间，以
26、保证有稳定的模拟量输出。主机电路输出的数字量信号经D/A转换器后变成模拟量电压值，通过多路模拟开关分时切换到相应保持器的输入端，然后输出相应的直流电流值。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 4.2.4人人机接口部件机接口部件智能仪器要通过人机接口部件接收各种命令和数据，并给出运算和处理的结果。智能型温度测量仪的人机接口部件通常由键盘接口、显示器接口和打印机接口等组成。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 1.键盘接口键盘接口 键盘接口通常包括硬件和软件两部分。硬件是指键盘的结构及其与主机的连接方式;软件是指对按键操作的识别与分析，即键盘管理程序。虽然对不同的键盘结构其键盘管理程序
27、存在着较大的差异，但任务大体可分为以下几项：第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪（1）识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码；若无，则等待或转做别的工作。（2）译键：识别出哪一个键被按下，并求出该键的键值。（3）键值分析：根据键值，找出对应处理程序的入口并执行。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 键盘一般是一组开关（按键）的集合。常用的按键有三种：（1）机械触点式：利用金属的弹性使按键复位。（2）导电橡胶式：利用橡胶的的弹性使按键复位。（3）柔性按键：外形及面板布局等可按整机要求来设计，在价格、寿命、防潮、防锈等方面显示出较强的优越性。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪
28、 键盘按其工作原理又可分为编码式键盘和非编码式键盘。（1）编码式键盘：由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成。每按一次键，键盘编码器自动提供被按键的编码，同时产生一选通脉冲通知主机。这种键盘的硬件结构较为复杂，而软件相对较简单。（2）非编码式键盘：不含编码器，当有键按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，而按键代码必须依靠软件来识别。这种键盘的硬件结构相对较简单，而其软件却较为复杂。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 尽管非编码式键盘的软件比较复杂，但由于非编码式键盘可以任意组合，成本低、使用灵活，所以智能仪器大多采用非编码式键盘。非编码式键盘按照与主机连接方式的不同，可分为独立式键盘（
29、如图4-14所示）和矩阵式键盘（如图4-15所示）。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-14独立式键盘结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-15矩阵式键盘结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 独立式键盘结构的优点是一键一线，按键识别容易；缺点是占用的口线较多，不便于组成大型键盘。矩阵式键盘结构的优点是，当按键较多时所占用的口线相对较少，键盘规模越大，其优点越明显。所以，当按键数目大于8时，一般都采用矩阵式键盘结构。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2.显示器接口显示器接口1）LED显示器常用的显示器为LED，即发光二极管。显示字符一般用的是七
30、段LED显示器，它是由数个LED组成的一个阵列，并封装于一个标准的外壳中。为了适用于不同的驱动电路，七段LED显示器有共阴极和共阳极两种结构，如图4-16(a)、(b)所示。其管脚图如图4-16(c)所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-16七段LED显示器的两种结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 用七段LED显示器可组成09数字和多种字母，如图4-17所示。实际应用时可将所测量温度的数据转换成相应的七段代码，并用硬件或软件译码的方式显示出来。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-17七段LED显示字符第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 硬
31、件译码时，显示器与单片机的接口可用译码/驱动集成电路（例如74LS47）BCD-7段译码/驱动器（如图4-18所示）。它将4位的二十进制数直接转换成相应的七段代码信号，直接驱动LED显示。而软件译码则采用软件查表的方法将字符转换成七段代码，再输出到锁存器，从而节省了硬件，降低了成本，简化了线路。所以，智能仪器中使用较多的是软件译码方式。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-18硬件译码显示电路第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 2)LCD液晶显示是被动显示的一个重要分支，较之本身发光的显示器件，如发光二极管、等离子体、荧光数码管、电致发光管等，它具有体积小、重量轻，特别是具
32、有低电压、微功耗（几微瓦到几十微瓦每平方厘米）、字迹清晰、寿命长、光照越强对比度越大等突出优点，已被广泛地应用在各种仪器仪表、计算器、终端显示等方面，尤其在便携式仪表设备的应用中更显出其独有的特性。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 液晶是特殊的有机物质，在外加电场条件下，利用液晶材料的“电光效应”可以做成具有平面显示结构的数字及图形显示。LCD有段码式、字符式及图形式等类型。根据实际应用的需要可选用不同的类型。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪（1）段码式LCD。段码式LCD每个显示位的电极配置与七段数码管相似，通常由多位字符构成一块液晶显示片。其驱动方式有静态驱动和叠加驱动
33、两种。从显示原理上讲，驱动电压为交、直流均可，通常采用交流驱动。应注意交流显示频率信号的对应性，严格限制其直流分量在100 mV以下。不同的驱动方式对应不同的电极引线连接方式，因此，一旦选择了LCD显示器件，也就相应地确定了其驱动方式。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 LCD静态驱动方式中某段驱动电路的原理和波形如图4-19所示。A端接交变的方波信号，B端接控制该段显示状态的信号。从图中可看出，当该段两个电极上的电压相同时，电极间的相对电压为0，该段不显示；当两极上的电压相位相反时，两电极间的相对电压为两倍幅值方波电压，该段即呈黑色的显示状态。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量
34、仪 图4-19LCD静态驱动电路原理和波形第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 LCD采用静态驱动方式时，每个显示器的每个字段都要引出电极，当显示位数增多时，为减少引出线和驱动电路，常采用叠加驱动方式（时分割驱动法）。叠加驱动方式通常采用电压平均法。其占空比有1/2、1/8、1/12、1/16、1/32、1/64等，偏比有1/2、1/3、1/5、1/7、1/9等。因叠加驱动方式的原理和波形较复杂，在此就不再详述，可参考有关文献。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 ICM7211AMIPL是MAXIM公司生产的用于段码式液晶驱动的专用芯片。它与微机有良好的接口，内置有“0”、“1”
35、、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“blank”、“E”、“H”、“L”、“P”、“”等16个代码，功耗较小，有方波驱动输出（可通过外接元器件驱动小数点和其他设备），可级联以驱动超过4位的液晶片，是现在市场上一种比较实用的液晶驱动芯片。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 ICM7211AM的内部结构框图如图4-20所示。从图中可看出：DS1与DS2引脚在芯片内部经过一个2/4译码器产生4位LCD的位选信号，即四种组合分别选择不同的显示位，“00”时选择第4位，“11”时选择第1位。因此，DS1和DS2相当于芯片的地址选择端；CS1和CS2为译码器和输入数
36、据锁存器的控制端，当其都为低电平时，位锁存器和输入数据寄存器才有效，在CS1、CS2的上升沿，数据被译码、锁存并存入输出驱动器中。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-20 ICM7211AM的内部结构框图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 ICM7211AM与8031单片机的接口如图4-21所示。图4-21ICM7211AM与8031单片机的接口第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪（2）字符式LCD。当前通用的LCD除前面介绍的数码型之外，还有点阵型。而点阵型按其显示方式的不同又可分为字符式和图形式两类。下面以LCM-512-01A为例，介绍点阵字符式液晶显示模块的
37、使用。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 LCM-512-01A点阵字符式液晶显示模块上自带驱动IC和液晶显示控制IC。该模块上的控制器是HD44780，其内部有字符发生器和显示数据存储器，可显示96个ASCII字符和92个特殊字符，并可进一步经过编程自定义8个字符（57点阵），由此可实现简单笔画的中文显示。该模块具有一个与微机兼容的数据总线接口（8位或4位）。它的内部结构如图4-22所示，引脚如图4-23所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图 4-22模块内部结构第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-23模块引脚图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪
38、各引脚的功能为：引脚1（USS）：地线输入端。引脚2（UDD）：+5 V电源输入端。引脚3（UO）：液晶显示面板亮度调节，通过10 k20 k的电阻接到+5 V和地之间起调节亮度的作用。图4-24所示为UO的接法。注意，有些模块需-5 V电源调节亮度。引脚4（RS）：寄存器选择信号输入线。当其为低电平时，选通指令寄存器；为高电平时，选通数据寄存器。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 引脚5（R/W）：读/写信号输入线，低电平为写入，高电平为读出。引脚6（E）：使能信号输入线。读状态下，高电平有效；写状态下，下降沿有效。引脚714（D0D7）：数据总线。可以选择4位总线或8位总线操作，选
39、择4位总线操作时使用D4D7。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 在图4-24所示的亮度调节电路中的电位器RP一般取10 k20 k大小。在某些使用双电源电压的场合，亮度调节电路中的电位器RP的一端接UDD（+5 V），另一端接负电源UEE（常为-5 V）。UO仍接中间头。HD44780控制信号功能组合见表4-1，其读/写时序如图4-25所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-24亮度调节电路第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 表表4-1HD44780控制信号功能组合表控制信号功能组合表 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-25HD44780的读/
40、写时序第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 液晶显示模块已将液晶显示器与控制、驱动器集成在一起，它能直接与微处理器接口，产生液晶控制驱动信号，使液晶显示模块显示所需要的内容。字符型液晶显示模块的接口实际上就是HD44780与CPU的接口，所以接口技术要满足HD44780与CPU接口部件的要求，关键在于要满足HD44780的时序关系。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 从图4-25的时序关系可知，R/W的作用与RS的作用相似，控制信号的关键是E信号的使用，所以在接口分配及程序驱动时要注意E的使用。接口原理电路如图4-26所示。初始化程序流程图如图4-27所示。第第4章智能型温度测量
41、仪章智能型温度测量仪 图4-26液晶显示模块与8031单片机的接口原理电路第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-27初始化程序流程图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪（3）图形式LCD。在有些智能仪器中需要显示信号的波形或显示大量汉字，这时应采用图形式液晶显示器。下面以MGLS-19264（64192点阵）为例介绍图形式液晶显示组件及其应用。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 MGLS-19264是内含HD61202液晶显示驱动器的液晶模块。HD61202是一种点阵图形式的液晶显示驱动器，它可直接与8位微处理器相连，它与HD61203配合，对液晶屏进行行、列驱动。M
42、GLS-19264中共有三片HD61202和一片HD61203。MGLS-19264的电路结构如图4-28所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-28MGLS-19264电路结构图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 HD61202内部有6464 bit=4096 bit显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮、灭状态。“1”表示亮，“0”表示灭HD61202是列驱动器，具有64个列驱动口。其读/写操作时序与68系列微处理器相符，因此，它可以直接与68系列微处理器接口相连。其占空比为1/321/64。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 各引出脚的功能如
43、下：UCC：模块+5 V电源输入端。GND：地线输入端。UO：显示亮度调节。、：芯片选择控制。其值为00时选通HD61202(1)，即选择左屏有效；值为01H时选通HD61202(2)，即选择中屏有效；值为10H时选通HD61202(3)，即选择右屏有效。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 D/I：数据、指令选择。D/I=1时进行数据操作；D/I=0时写指令或读状态。R/W：读/写选择信号。R/W=1为读选通；R/W=0为写选通。E：读/写使能信号。在E的下降沿，数据被写入HD61202；在E高电平期间，数据被读出。D0D7：数据总线。HD61202模块有三根控制信号线和两根片选线，它
44、们具有与微控制器直接接口的时序。各种信号波形的时序关系如图4-29所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-29CPU写时序图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 由于HD61202模块中有三个列驱动器，因此该显示器分成了左、中、右三个显示屏。三个显示屏唯一的不同就是每屏的有效地址不同。只要掌握了一个显示屏的控制驱动方法即可，其他两屏与其相同。HD61202模块中对应一个显示屏的RAM的地址结构如图4-30所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-30HD61202显示RAM的地址结构图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 从显示RAM的地址结构图中可看
45、到，显示屏是按页显示的，每次从数据总线上送来的数据对应显示屏的8行、1列，这种显示方式与计算机上显示汉字的格式相差90，这需要特别注意。如果从计算机内提取汉字的点阵作为汉字库，则在送显示前，要编写一个格式转换子程序，对从计算机内提取的汉字库进行格式转换，即转换90。液晶显示模块与8031单片机的接口如图4-31所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-31液晶显示模块与8031单片机的接口第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 该图中用A1、A2对R/W和D/I进行控制，A3、A4则与地址译码后的片选信号进行或运算,对CSA、CSB进行控制。对整个液晶显示的操作共有12个端口
46、地址，见表4-2。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 表表4-2液晶模块的端口地址表液晶模块的端口地址表 第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 整个屏幕分为三屏，每屏分为8页、64列，每屏可显示16个44点阵的汉字。汉字的点阵可从计算机的字库中取出，并固化到程序存储器中。显示一个汉字的流程如图4-32所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-32显示一个汉字的流程图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪（4）液晶条图显示。前面介绍的各种LCD，以数字或波形的形式可显示出最终结果。但有时需要观察被测量的动态变化过程（如液位测量）等，这时用条图显示器则更直观。条图亦
47、称条状图形，或称条棒或模拟条状显示。它主要用来观测连续变化的模拟量。目前，比较常见的条图显示器有液晶（LCD）条图和LED光柱（它由多只发光二极管排列而成）。下面仅以液晶条图显示为例，简单介绍这种显示器的应用。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 液晶条图显示A/D转换器的典型产品有美国Harris公司的ICL7182、美国Teledyne公司的TSC827，它们能直接驱动101段（0100段）液晶条图。此外，还有TSC825、TSC826型中等分辨率的液晶条图显示A/D转换器。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 TSC827是美国Teledyne公司研制的具有串行数据输出、可编
48、程（上、下限设定及报警）、高分辨率液晶条图A/D转换器。它不仅能作为条图显示的控制驱动器单独使用，而且能与各种单片A/D转换器配套使用，组成多重显示仪表。TSC827还具有串行数据与时钟输出，可直接与微型计算机相连，进行数据处理和实时控制。TSC827大多采用PLCC-68封装，引脚图如图4-33所示。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 图4-33TSC827引脚图第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 引脚9、10、26、27、43、44、60、61均为空引脚，其余各引脚的功能如下：U+、U-：分别为正、负电源端。COM：模拟地，U+与COM之间有一个3.3 V的 基准电压源。I
49、N+、IN-：分别为模拟信号的高、低输入端。UREF+、UREF-：基准电压的正、负输入端。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 BUF：缓冲器输出端，接积分电阻RINT。INT IN、INT OUT：积分器输入、输出端，分别接自动调零电容CAZ、积分电容CINT。OSC1、OSC2：振荡器引出端，外接振荡电阻。ANNUNC：标志符驱动端。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 UDISP：设定LCD的驱动电平。此端接GND时，驱动电平峰一峰值为5 V。BP1BP3：LCD的背电极13。098：依次为098段液晶条图的驱动端。UR、100、99：分别为欠量程、100段、99段的驱动端
50、。OVR、LL、HL：分别为超量程、下限段、上限段的驱动端。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪/OUT：输入/输出控制端，低电平时允许引脚5658输入设定值，高电平时启动上下限设定值及超量程报警信号的输出。：双向引出端，接GND时作输入端用，可输入下限设定值ULL，开路时作输出端用，当UINULL时输出高电平。：双向引出端，接GND时可输入上限设定值UHL，开路且UINUHI时输出低电平。：双向引出端，作输入时用以设定上下限值，作输出用且超量程时，此端输出低电平。第第4章智能型温度测量仪章智能型温度测量仪 GND：数字地。SCLK：串行时钟输出端。SDO：串行数据输出端，每次A/D转换
