水塔水位控制系統(tǒng).doc

吉林師范大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院畢業(yè)論文 摘要溫度測量與控制在社會的發(fā)展而廣泛的使用。利用單片機技術(shù)的溫度測控系統(tǒng)以其體積小，可靠性高而被廣泛采用。本文對該測控系統(tǒng)進行了分析設(shè)計。首先，設(shè)計針對系統(tǒng)所使用的單片機的性能和發(fā)展情況做了簡單介紹；對系統(tǒng)使用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809做了性能方面的簡單說明；同時對測量溫度在-55150之間的集成型恒流測溫元件AD590做了介紹。其次，論文重點對測控硬件、軟件的組成進行了分項、模塊化逐步分析設(shè)計。對各部分的電路一一進行了介紹，最終實現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件電路。繪制了電路原理圖，繪制了印制電路板圖，并將制成的線路板焊接上了元件，完成了硬件調(diào)試。根據(jù)硬件的設(shè)計和測控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，本設(shè)計對軟件也進行了一一設(shè)計，并經(jīng)過反復(fù)的模擬運行、調(diào)試，修改簡化了軟件系統(tǒng)，最后形成了一套完整的程序系統(tǒng)。關(guān)鍵詞： 單片機、ADC0809、AD590、軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)AbstractThe temperature survey and the control in profession and so on industry, agriculture, national defense has the widespread application. Using monolithic integrated circuit technology temperature observation and control system by its volume small, the reliability is high but is widely used. This article has carried on the analysis design to this observation and control system.First, this article the monolithic integrated circuit performance and the development situation which used in view of the system has made the simple introduction; To system use mold/Number transformation chip ADC0809 has given the performance aspect simple explanation; Meanwhile to surveyed the temperature to make the introduction in -55 150 between integration constant flow temperature element AD590.Next, this article key to observe and controlled the hardware, the software composition carries on the sub-item, the modulation has analyzed the design gradually. 11 has carried on the introduction to each part of electric circuits, finally has realized this system hardware electric circuit. Has drawn up the electric circuit schematic diagram, has drawn up the printed circuit board chart, and will make in the line board welding the part, has completed the hardware debugging. Function must realize which according to the hardware design and the observation and control system, this design has also carried on 11 designs to the software, and after the repeatedly simulation run, the debugging, the revision simplified the software system, finally has formed set of complete software. Key words： MCU, ADC0809, AD590, software system, hardware system目錄第1章 前言1第2章 單片機多通道溫度采集測控系統(tǒng)分析與設(shè)計22.1 總體分析22.2 AT89C51單片機的性能及應(yīng)用22.3 控制框圖的設(shè)計系統(tǒng)8第3章 單片機多通道溫度采集測控93.1 輸入電路的設(shè)計93.1.1 集成溫度傳感器AD590的簡單介紹93.1.2 放大電路的設(shè)計113.2 單通道，循環(huán)檢測工作方式選擇電路的設(shè)計123.3A/D0809與AT89C51接口電路的設(shè)計133.4 輸出電路設(shè)計163.4.1 四位LED數(shù)碼管驅(qū)動電路的設(shè)計163.4.2 超溫報警電路的設(shè)計173.4.3 溫度控制電路的設(shè)計183.5 電源的設(shè)計實現(xiàn)213.6電路板的制作與調(diào)試213.6.1電路原理圖的繪制過程213.6.2 PCB板的制作233.6.3 電路的焊接25第4章 單片機多通道溫度采集測控系統(tǒng)的軟件264.1 主程序的逐步264.1.1 初始化和工作方式選擇程序的設(shè)計274.1.2 顯示程序的設(shè)計284.1.3 二進制溫度值轉(zhuǎn)化成BCD碼溫度顯示值的程序設(shè)計294.1.4 延時子程序的設(shè)計304.1.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換測量子程序的設(shè)計314.1.6 按鍵檢測子程序的設(shè)計324.1.7 超溫報警程序及繼電器控制程序的設(shè)計334.2CPU抗干擾技術(shù)的程序設(shè)計344.2.1數(shù)字濾波344.2.2指令冗余和“看門狗”技術(shù)354.2.3提高RAM 資料可靠性374.2.4總結(jié)374.3程序的匯編與調(diào)試384.3.1第一課建立您的第一個C 項目38第5章 結(jié)束語405.1 本次設(shè)計心得體會405.2 總結(jié)41致 謝44參考文獻、資料45吉林師范大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院畢業(yè)論文第1章 前言溫度測量在各個設(shè)計有著廣泛的應(yīng)用，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對溫度測量的精度要求愈來愈高。由于AT89C51單片機的設(shè)計時間有限其精度不是很高，它的測溫范圍在0100之間，可以直接應(yīng)用在對溫度精度要求不高的各種現(xiàn)場。單片機多通道溫度采集測控系統(tǒng)采用集成溫度傳感器滿足溫度測量，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成電流，轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過放大電路最終交由模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)單片機處理并經(jīng)輸出驅(qū)動電路顯示于共陽極數(shù)碼管。該測量儀可實現(xiàn)多點（8點）不同區(qū)域測量，單通道，循環(huán)測量。還具有超溫報警和自動控制功能，當溫度超過某一設(shè)定值時，系統(tǒng)控制繼電器來關(guān)閉加溫設(shè)備。由以上大致分析，整個系統(tǒng)控制將由AT89C51單片機為核心構(gòu)成。選用ADC0809作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，各個檢測信號、控制信號、顯示信號可由單片機的I/O口進行，并由程序保證系統(tǒng)抗干擾的能力。 設(shè)計任務(wù)為：用單片機設(shè)計一個測溫范圍在0100的多通道溫度測量儀。設(shè)計要求：完成該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，學(xué)習(xí)掌握單片機采集測控系統(tǒng)的設(shè)計方法，提高學(xué)習(xí)新知識、新技能的能力，培養(yǎng)獨立設(shè)計的能力。 第2章 單片機多通道溫度采集測控系統(tǒng)分析與設(shè)計2.1 總體分析由于AT89C51單片機的設(shè)計時間有限其精度不是很高，它的測溫范圍在0100之間，可以直接應(yīng)用在對溫度精度要求不高的各種現(xiàn)場。單片機多通道溫度采集測控系統(tǒng)采用集成溫度傳感器滿足溫度測量，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成電流，轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過放大電路最終交由模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)單片機處理并經(jīng)輸出驅(qū)動電路顯示于共陽極數(shù)碼管。該測量儀可實現(xiàn)多點（8點）不同區(qū)域測量，單通道，循環(huán)測量。還具有超溫報警和自動控制功能，當溫度超過某一設(shè)定值時，系統(tǒng)控制繼電器來關(guān)閉加溫設(shè)備。由以上大致分析，整個系統(tǒng)控制將由AT89C51單片機為核心構(gòu)成。選用ADC0809作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，各個檢測信號、控制信號、顯示信號可由單片機的I/O口進行，并由程序保證系統(tǒng)抗干擾的能力。2.2 AT89C51單片機的性能及應(yīng)用單片機是早期Single Chip Microcomputer的直譯，它反映了早期單片機的形態(tài)和本質(zhì)。然后，按照面向?qū)ο?，突出控制功能，在片?nèi)集成了許多外圍電路及外設(shè)接口，突破了傳統(tǒng)意義上的計算機結(jié)構(gòu)，發(fā)展成microcontroller的體系結(jié)構(gòu)，目前國外已普遍稱之為微控制器MCU（Microcontroller Unit）。鑒于它完全作嵌入應(yīng)用，故又稱為嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。大多數(shù)單片機采用哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)體系，即數(shù)據(jù)存儲空間與程序存儲空間相互獨立的結(jié)構(gòu)體系。它不同于一般通用計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即程序和數(shù)據(jù)共用一個空間的馮諾伊曼(Von Neumann)結(jié)構(gòu)。AT89C51單片機溫度測控儀采用Atmel公司的AT89C51單片機，采用雙列直插封裝（DIP），有40個引腳。該單片機采用Atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造，與美國Intel公司生產(chǎn)的MCS51系列單片機的指令和引腳設(shè)置兼容。其主要特征如下：8位CPU內(nèi)置4K字節(jié)可重復(fù)編程Flash，可重復(fù)擦寫1000次完全靜態(tài)操作：0Hz24Hz，可輸出時鐘信號三級加密程序存儲器128B8的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)32根可編程I/O線2個16位定時/計數(shù)器中斷系統(tǒng)有6個中斷源，可編為兩個優(yōu)先級一個全雙工可編程串行通道可編程串行UART通道具有兩種節(jié)能模式：閑置模式和掉電模式（1）單片機的基本組成它由CPU、存儲器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定時/計數(shù)器、中斷控制功能等均集成在一塊芯片上，片內(nèi)各功能通過內(nèi)部總線相互連接起來。輸入/輸出引腳P0、P1、P2、P3的功能：圖2-1為AT89C51的引腳圖：圖2-1 AT89C51的引腳圖P0口（P0.0-P0.7）：P0口是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時作低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)總線用。在EPROM編程時，由P0輸入指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證程序時，要求外接上拉電阻。P0能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LSTTL負載。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口（P1.0-P1.7（1-8腳）: P1口是一上帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和驗證程序時，由它輸入低8位地址。P1能驅(qū)動4個LSTTL負載。在AT89C51中，P1.0還相當于專用功能端T2，即定時器的計數(shù)觸發(fā)輸入端；P1.1還相當于專用功能端T2EX，即定時器T2的外部控制端。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。P2口（P2.0-P2.7（21-28腳）：P2也是一上帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平。在訪問外部存儲器時，由它輸出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證時，由它輸入高8位地址。P驅(qū)動4個LSTTL負載。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX RI指令）時，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器SFR區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口（P3.0-P3.7（10-17腳）：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表1-1所示：表1-1 AT89C51的P3口特殊功能口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時/計數(shù)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器和程序校驗的控制信號。（2）MCS-51的尋址方式：（1）、立即尋址如：MOVA，#40H（2）、直接尋址如：MOVA，3AH（3）、寄存器尋址如：MOVA，Rn（4）、寄存器間接尋址如：MOVA，Rn（5）、基址加變址尋址如：MOVCA，A+DPTR（6）、相對尋址如：SJMP08H（7）、位尋址MOV20H，C （3）指令：MOV：片內(nèi)RAM傳送MOVX：片外RAM傳送MOVC：ROM傳送XCH：交換（和A交換）SWAP：A內(nèi)半字節(jié)交換ADD：不帶進位加ADDC：帶進位加SUBB：帶進位減INC：加1 DEC：減1 MUL：乘法DIV：除法DAA：調(diào)整（4）計數(shù)初值的計算定時或計數(shù)方式下計數(shù)初值如何確定，定時器選擇不同的工作方式，不同的操作模式其計數(shù)值均不相同。若設(shè)最大計數(shù)值為M，各操作模式下的M值為：模式0：M=213=8192模式1：M=216=65536模式2：M=28=256模式3：M=256，定時器T0分成2個獨立的8位計數(shù)器，所以TH0、TL0的M均為256。因為AT89C51的兩個定時器均為加1計數(shù)器，當初到最大值（00H或0000H）時產(chǎn)生溢出，將TF位置1，可發(fā)出溢出中斷，因此計數(shù)器初值X的計算式為：X=M-計數(shù)值式中的M由操作模式確定，不同的操作模式計數(shù)器的長不相同，故M值也不相同。而式中的計數(shù)值與定時器的工作方式有關(guān)。（a）計數(shù)工作方式計數(shù)工作方式時，計數(shù)脈沖由外部引入，是對外部沖進行計數(shù)，因此計數(shù)值根據(jù)要求確定。其計數(shù)初值：X=M-計數(shù)值例如：某工序要求對外部脈沖信號計100次，X=M-100(b)定時工作方式定時工作方式時，因為計數(shù)脈沖由內(nèi)部供給，是對機器周期進行計數(shù)，故計數(shù)脈沖頻率為fcont=fosc1/12 (式1-1)計數(shù)周期T=1/fcont=12/fosc定時工作方式的計數(shù)初值X等于： X=M-計數(shù)值=M-t/T=M-（fosct）/12 (式1-2)式中：fosc為振蕩器的振蕩頻率，t為要求定時的時間。 定時器有兩種工作方式：即定時和計數(shù)工作方式。由TMOD的D6位和D2位選擇，其中D6位選擇T1的工作方式，D2位選擇T0的工作方式。=0工作在定時方式，=1工作在計數(shù)方式。并有四種操作模式：1、模式0：13位計數(shù)器，TLi只用低5位。2、模式1：16位計數(shù)器。3、模式2：8位自動重裝計數(shù)器，THi的值在計數(shù)中不變，TLi溢出時，THi中的值自動裝入TLi中。4、模式3：T0分成2個獨立的8位計數(shù)器，T1停止計數(shù)。MCS-51有5個中斷源，可分為2個中斷優(yōu)先級，即高優(yōu)先級和低優(yōu)先級，中斷自然優(yōu)先級：外部中斷0；定時器0中斷；外部中斷1；定時器1中斷；串行口中斷；定時器2中斷（a）同級或高優(yōu)先級的中斷正在進行中；（b）現(xiàn)在的機器周期還不是執(zhí)行指令的最后一上機器周期，即正在執(zhí)行的指令還沒完成前不響應(yīng)任何中斷；（c）正在執(zhí)行的是中斷返回指令RET1或是訪問專用寄存器IE或IP的指令，換而言之，在RETI或者讀寫IE或IP之后，不會馬上響應(yīng)中斷請求，至少要在執(zhí)行其它一要指令之扣才會響應(yīng)。(5)中斷響應(yīng)的條件CPU響應(yīng)中斷的條件有：（a）有中斷源發(fā)出中斷請求；（b）中斷總允許位EA=1，即CPU開中斷；（c）申請中斷的中斷源的中斷允許位為1，即沒有被屏蔽。(6)串行口工作方式及幀格式MCS-51單片機串行口可以通過軟件設(shè)置四種工作方式：方式0：這種工作方式比較特殊，與常見的微型計算機的串行口不同，它又叫同步移位寄存器輸出方式。在這種方式下，數(shù)據(jù)從RXD端串行輸出或輸入，同步信號從TXD端輸出，波特率固定不變，為振蕩率的1/12。該方式是以8位數(shù)據(jù)為一幀，沒有起始位和停止位，先發(fā)送或接收最低位。方式2：采用這種方式可接收或發(fā)送11位數(shù)據(jù)，以11位為一幀，比方式1增加了一個數(shù)據(jù)位，其余相同。第9個數(shù)據(jù)即D8位具有特別的用途，可以通過軟件摟控制它，再加特殊功能寄存器SCON中的SM2位的配合，可使MCS-51單片機串行口適用于多機通信。方式2的波特率固定，只有兩種選擇，為振蕩率的1/64或1/32，可由PCON的最高位選擇。方式3：方式3與方式2完全類似，唯一的區(qū)別是方式3的小組特率是可變的。而幀格式與方式2-樣為11位一幀。所以方式3也適合于多機通信。隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時/數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，因此單片機早期的含義稱為單片微型計算機，直譯為單片機。(7)掉電模式：在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器SFR的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)，退出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內(nèi)容，在VCC恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。2.3 控制框圖的設(shè)計系統(tǒng)主要包括對A/D0809的數(shù)據(jù)采集，檢測單通道、循環(huán)檢測工作方式，溫度的顯示等，這幾項功能的信號通過輸入輸出電路經(jīng)單片機處理。此外還有復(fù)位電路，晶振電路，啟動電路等。故現(xiàn)場輸入硬件有通道選擇鍵、溫度設(shè)置鍵、自動方式鍵、A/D轉(zhuǎn)換芯片。執(zhí)行機構(gòu)有4位數(shù)碼管、繼電器等。系統(tǒng)框圖如圖2-2：圖2-2 控制框圖第3章 單片機多通道溫度采集測控系統(tǒng)分析與設(shè)計的硬件在硬件的設(shè)計前期，根據(jù)框圖對電路中可能出現(xiàn)的電路，進行了模擬實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果對后期的硬件設(shè)計進行了合理化的修改完善。在第二章中已分析了系統(tǒng)并繪制了框圖，下面將根據(jù)框圖分別設(shè)計各部分電路。3.1 輸入電路的設(shè)計溫度信號的采集電路。放大電路輸入口連接溫度傳感器AD590的兩個引腳。AD590是一種具有良好溫度特性的電壓輸入/電流輸出型溫度傳感器?？梢栽?55150溫度范圍內(nèi)正常工作。當輸入從+4V+30V的寬范圍電壓時，將按1A/的比例輸出反映當前溫度的電流信號。如當感應(yīng)溫度為0時，輸出的電流為273A。本設(shè)計中給AD590提供了 12V的電壓，以保證其能正常工作，溫度監(jiān)控范圍可在0100范圍內(nèi)由控制部分自定義。3.1.1 集成溫度傳感器AD590的簡單介紹集成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測： 式中，K波爾茲常數(shù)；q電子電荷絕對值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時輸出為0，溫度25時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。式中： 流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學(xué)溫度，單位為K。2、AD590的測溫范圍為-55+150。3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。4、輸出電阻為710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3AD590測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。由于AD590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。圖3-1 中的圖(a)是AD590的封裝形式，圖(b) AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因為流過AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當電阻R1和電位器R2的電阻之和為1k時，輸入電壓V0隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對電路進行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器，使V0=273.2mV?；蛟谑覝叵?25)條件下調(diào)整電位器，使V0=273.2+25=298.2(mV)。但這樣調(diào)整可保證在0或25附近有效高精度。圖3-1 AD590的封裝形式與基本應(yīng)用電路3.1.2 放大電路的設(shè)計在許多需要A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，很多情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，這種情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表器的選型很多，在這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，其實就是典型的差動放大器。它只需三個廉價的普通運算放大器和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量、醫(yī)療器械及其它數(shù)字采集的系統(tǒng)中。電路原理并不復(fù)雜。要使電路滿足平衡，則R1=R2、R3=R4、R5=R6，因為每個運放的特性不可能完全一致，在A和A2的Pin1、Pin8增設(shè)了調(diào)零電位器VR1和VR2，這在實際的應(yīng)用中是非常有用的。假設(shè)A1、A2的失配、失調(diào)電壓和電流均為零的情況下，其差模電壓增益為： 整個電路采用正負兩組電源供電，這樣可對正或負輸入電壓進行放大。電源電壓一般可取515V，但對其穩(wěn)定度有一定的要求。圖3-1中的電容C用于除抖動和抗干擾，其取值應(yīng)以實際的用途，根據(jù)放大的信號特性決定?？蛇x用的運算放大器相當多，如OP-07，OP-725，如果要求不高，甚至可選價廉的uA741等通用運算放大器。本設(shè)計的放大電路采用高精度集成運放OP-07做放大元件,OP-07為一種具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低溫漂的超低失調(diào)運算放大器，其廣泛地應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比較、闔值電壓檢測、微弱信號精確放大等場合，是一種通用性極強的運算放大器。OP-07的電源電壓范圍 3 18V，輸入電壓范圍為0 14V，其引線圖如圖3- 2。OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運放集成電路，用于微弱信號的放大。如果使用雙電源，能達到最好的放大效果。OP07的主要參數(shù)1) 低的輸入噪聲電壓幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 極低的輸入失調(diào)電壓10 V3) 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂0.2 V/ 4) 具有長期的穩(wěn)定性0.2 V/MO5) 低的輸入偏置電流 1nA6) 高的共模抑制比126dB7) 寬的共模輸入電壓范圍14V8) 寬的電源電壓范圍 3V 22V9) 可替代725、108A、741、AD510 等電路 圖3-2 OP-07管腳圖3.2 單通道，循環(huán)檢測工作方式選擇電路的設(shè)計 通道選擇工作方式由獨立式按鍵實現(xiàn)。獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀不會影響其它輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個健被按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。但每個按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數(shù)量多時，輸入口浪費大，電路結(jié)構(gòu)顯得很繁雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的合。用查詢方式的獨立式按鍵工作，按鍵直接與AT89C51的IO口線相接，通過讀IO口，判定各IO口線的電平狀態(tài)，即可識別按下的按鍵。 獨立式按鍵電路中，各按鍵開關(guān)均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時，各IO口線有確定的高電平，當然如輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，則外電路的上拉電阻可省去。對獨立按鍵盤進行編程，采用軟件消抖的方法，以查詢工作方式檢測各按鍵的狀態(tài)。當有且僅有一鍵按下時才予以識別，如有兩個或多個鍵同時按下將不予以處理。通道選擇由按鍵選擇，由P3.5、P3.6掃描實現(xiàn)。3.3 A/D0809與AT89C51接口電路的設(shè)計 ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor Corporation）產(chǎn)品。是逐次逼近型芯片，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路05V的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR，控制與時序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機數(shù)據(jù)總線。ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。1主要特性1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?3）轉(zhuǎn)換時間為100s4）單個5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mW。 2內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1322所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 3外部特性（引腳功能） ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3-3所示。圖3-3 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。 ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。不必進行零點和滿刻度調(diào)整，外部時鐘頻率范圍為10KHz1280KHz, ADC0809和AT89C51的硬件接口有三種方式：查詢方式，中斷方式，等待延時方式。此測量儀采用中斷方式。雖然ADC0809走過了自己的輝煌時期，已經(jīng)不是目前功能最好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，但是他的廉價和品質(zhì)在許多領(lǐng)域被廣泛使用。AD轉(zhuǎn)換器ADC0809與單片機的連接如圖3-4所示。ADC0809的8個模擬量輸入都用了，分別連接溫度傳感器的測量和放大電路的輸出。ADC0809的時鐘由AT89C51的ALE圖3-4 ADC0809與AT89C51的接口線路信號提供，根據(jù)ACD0809對工作時鐘的要求和控制器對漏電和短路信號的反應(yīng)速度的要求，ADC0809時鐘頻率通過4024分頻器分頻，這樣，若AD轉(zhuǎn)換的時間為01ms，則控制器循環(huán)采樣完8個仿真輸入信號需要08ms時間。這樣的采樣速度足夠滿足漏電和短路的保護要求。3.4 輸出電路設(shè)計3.4.1 四位LED數(shù)碼管驅(qū)動電路的設(shè)計在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED(Light Emitting Diode)，液晶顯示器，簡稱LCD(Liquid Crystal Display)；熒光管顯示器。近年來也開始使用簡易的CRT接口，顯示一些漢字及圖形。前三種顯示器都有兩種顯示結(jié)構(gòu)；段顯示(7段，“米”字型等)和點陣顯示(5X?，5X8，8X8點陣等)。而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示，此外還有共陽極和共陰極之分等。三種顯示器中，以熒光管顯示器亮度最高，發(fā)光二極管次之，而液晶顯示器最弱，為被動顯示器，必須有外光源。LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器，有8字段和“米”字段之分。顯示塊都有dp顯示段，用于顯示小數(shù)點。7段LED的字型碼，由于只有7個段發(fā)光二極管，所以字型碼為一個字節(jié)?！懊住弊侄蜭ED的字型碼由于有15個段發(fā)光二極管，所以字型碼為兩個字節(jié)。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽板LED顯示塊的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓。由N片LED顯示塊可拼接成N位LED顯示器。本設(shè)計是4位LED顯示器的結(jié)構(gòu)。N位LED顯示器有N根位選線和8XN(或16XN)根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不相同。段選線控制顯示字符的字型，而位選線則控制顯示位的亮、暗； LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式，一是LED靜態(tài)顯示方式、二是動態(tài)顯示。 LED顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極(或共陽極)連接在一起并接地(或+5v)，每位的段選線(adp)分別與一8位的鎖存輸出相連。之所以稱為靜態(tài)顯示，是由于顯示器中的各位相互獨立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個字符為止。也正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。本設(shè)計用的是陽極驅(qū)動。圖3-5所示為一個四位動態(tài)態(tài)LED顯示器電路。該電路各位可獨立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。由于各位分別由一個8位輸出口控制段選碼，故在同一時間里，每一位顯示的字符可以各不相同。這種顯示方式接口，編程容易，管理也簡單，付出的代價是占用口線資源較多。如圖3-4電路所示，若用I/O口線接口，則要占用4個8位I/O口，若用鎖存器(如74LS244)接口，則要用1片74LS244芯片。而如果用“米”字段的LED顯示器，則靜態(tài)顯示方式需要更多的硬件資源。如果顯示器位數(shù)增多，則靜態(tài)顯示方式更是無法適應(yīng)。因此在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都采用動態(tài)顯示方式。圖3-5 4位顯示器的構(gòu)成3.4.2 超溫報警電路的設(shè)計 聲音是由震動所產(chǎn)生的， 一定頻率的震動就產(chǎn)生了一定頻率的聲音。這個實驗是喇叭里發(fā)出滴答一長一短的報警聲音,送出的端口是p2.7，輸出1khz,2khz變頻信號報警,每一秒交換一次。接線方法： 用一根1PIN數(shù)據(jù)線一端插入CPU部分JP53（P2口）的P2.7另外一端插入小喇叭部分的輸入端JP16。3.4.3 溫度控制電路的設(shè)計 利用P2.6輸出高低，控制繼電器的開合，實現(xiàn)對外部裝置的控制?，F(xiàn)代自動控制設(shè)備中，都存在一個電子電路與電氣電路的互相連接問題，一方面要使電子電路的控制信號能夠控制電氣電路的執(zhí)行元件（電動機，電磁鐵，電燈等），另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護電子電路和人身的安全。電子繼電器便能完成這一橋梁作用。1、繼電器的工作原理與分類 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。在大多數(shù)的情況下，繼電器就是一個電磁鐵，這個電磁鐵的銜鐵可以閉合或斷開一個或數(shù)個接觸點。當電磁鐵的繞組中有電流通過時，銜鐵被電磁鐵吸引，因而就改變了觸點的狀態(tài)。繼電器一般可以分為電磁式繼電器、熱敏干簧繼電器、固態(tài)繼電器等。增強型PIC實驗板上配置的繼電器如圖3-6所示。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。熱敏干簧繼電器是一種利用熱敏磁性材料檢測和控制溫度的新型熱敏開關(guān)。它由感溫磁環(huán)、恒磁環(huán)、干簧管、導(dǎo)熱安裝片、塑料襯底及其他一些附件組成。熱敏干簧繼電器不用線圈勵磁，而由恒磁環(huán)產(chǎn)生的磁力驅(qū)動開關(guān)動作。恒磁環(huán)能否向干簧管提供磁力是由感溫磁環(huán)的溫控特性決定的。 固態(tài)繼電器是一種兩個接線端為輸入端，另兩個接線端為輸出端的四端器件，中間采用隔離器件實現(xiàn)輸入輸出的電隔離。圖3-6 繼電器實物圖固態(tài)繼電器按負載電源類型可分為交流型和直流型。按開關(guān)型式可分為常開型和常閉型。按隔離型式可分為混合型、變壓器隔離型和光電隔離型，以光電隔離型為最多。在此，我們以電磁繼電器為例，介紹其用法。 2、繼電器的控制電路 在單片機系統(tǒng)中繼電器的控制一般通過一個三極管來驅(qū)動，典型的驅(qū)動電路如圖3-7所示： 圖3-7（a）圖3-7（b）圖3-7繼電器的一般驅(qū)動電路繼電器電路中一般都要在繼電器的線圈兩頭加一個二極管以吸收繼電器線圈斷電時產(chǎn)生的反電勢，防止干擾。上圖中AB為常開觸點，AC為常閉觸點。圖（a）中當控制信號為高電平時，繼電器常開觸點吸合（AB導(dǎo)通），當控制信號為低電平時，繼電器常開觸點斷開常閉觸點吸合（AC導(dǎo)通）。在圖（b）中控制信號極性正好與圖(a)相反，本書配套實驗板上就是采用這個電路。3、單片機控制繼電器 從實驗板原理圖中，我們可以看到，單片機RD6腳與一個PNP型三極管基極相連，經(jīng)三極管電流放大后，直接驅(qū)動繼電器，繼電器的開和關(guān)完全由三極管的基極電平進行控制。當單片機RD6口輸出高電平，PNP型三極管截止，這時繼電器不工作；反之為低電平的話，PNP型三極管導(dǎo)通，繼電器得電吸合。 3-8單片機控制繼電器3.5 電源的設(shè)計實現(xiàn)電源要對單片機和各種芯片提供5V,要對運放及傳感器提供正負12V。電源通過對220V的交流電源降壓，出12V交流；再通過全波整流，輸出12V直流。3.6電路板的制作與調(diào)試PCB板的制作在protel 99 se中進行，Protel 99SE采用數(shù)據(jù)庫的管理方式。Protel 99SE軟件沿襲了Protel以前版本方便易學(xué)的特點，內(nèi)部界面與Protel 99大體相同，新增加了一些功能模塊，功能更加強大。新增的層堆棧管理功能，可以設(shè)計32個信號層，16個地電層，16個機械層。新增的3D功能讓您在加工印制版之前可以看到板的三維效果。增強的打印功能，使您可以輕松修改打印設(shè)置控制打印結(jié)果。Protel 99SE容易使用的特性還體現(xiàn)在“這是什么”幫助，按下右上角的小問號，然后輸入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到設(shè)計中，按下狀態(tài)欄末端的按鈕，使用自然語言幫助顧問。3.6.1電路原理圖的繪制過程 在PCB板制作之前，先進行了原理圖的繪制。1、新建設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件雙擊Protel 99SE 圖標，點擊File(文件)中new項，新建設(shè)計數(shù)據(jù)庫。新建設(shè)計文件，有兩種方式：一種為MS Access Database方式，全部文件存儲在單一的數(shù)據(jù)庫中，同原來的99文件格式。另一種為Windows File System方式，全部文件被直接保存在對話框底部指定的磁盤驅(qū)動器中的文件夾中，在資源管理器中可以直接看到所建立的原理圖或PCB文件。在Browse選項中選取需要存儲的文件夾，然后點擊OK即可建立自己的設(shè)計數(shù)據(jù)庫。然后新建文檔，給文檔取與設(shè)計相同的文件名。雙擊打開，這樣就可以開始工作了。2、原理圖圖紙設(shè)計打開“設(shè)計”、“選項”、“圖紙選項”就可以設(shè)定圖紙了，由于本設(shè)計原理圖不是太大，所以選用A4紙，便于安放器件，所以抓取和可視都選用“5”。圖紙放大就可以進行下一步的器件安放了。3、器件的安放器件的安放先要添加庫，庫文件在系統(tǒng)盤下，在99 se下的lib文件夾下。具體路徑為“設(shè)計” “添加/刪除庫” 然后對話筐打開就可以直接添加了。庫添加完后，就尋找器件，找到后單擊，然后“放置”，在器件浮動的狀態(tài)可以對器件進行旋轉(zhuǎn)，“空格”順時針旋轉(zhuǎn)90度，“x”左右翻轉(zhuǎn)180度，“y”上下翻轉(zhuǎn)180度。然后根據(jù)電路需求進行安放。由于電子產(chǎn)品的日新月異，不是每個都也有圖庫了，所以有的需要自己建。當器件按需要安放完后就開始連線了。4、原理圖連線設(shè)計確定起始點和終止點，Protel99 SE就會自動地在原理圖上連線，從菜單上選擇“Place/Wire”后，按空格鍵切換自動連線方式。觀察狀態(tài)欄就可以看出“Auto Wire”Protel99 SE 自動連線、任意角度、45連線、90連線，使得設(shè)計者在設(shè)計時更加輕松自如。只要簡單地定義Auto Wire方式。自動連線可以從原理圖的任何一點進行，不一定要從管腳到管腳。5、同步設(shè)計在Protel99SE中使得原理圖與PCB同步是容易的。Protel99SE包含一個強大的設(shè)計同步工具，使得非常容易地在原理圖和PCB之間轉(zhuǎn)移設(shè)計信息。同步設(shè)計是更新目標文件的過程，它基于參考文件中上一次的設(shè)計信息。當你執(zhí)行同步時，通過以下選擇告訴它要轉(zhuǎn)換的方向：從原理圖到PCB的更新從PCB到原理圖的更新同步設(shè)計執(zhí)行設(shè)計信息的初始化轉(zhuǎn)移，還有正向和反向標注處理、替換創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)表加載網(wǎng)絡(luò)表順序、反向標注在PCB設(shè)計中習(xí)慣使用的重標注順序。6、在原理圖上標注漢字或使用國標標題欄在原理圖上放漢字，可以直接點擊“Place”選鄉(xiāng)下的“Annotation”放置漢字。如果想要使用國標圖紙做標題欄，選擇“Design”下的“Template”里的“Set Template File”，找到國標標題欄所在的目錄，打開圖紙的標題欄將被切換為國標形式。3.6.2 PCB板的制作1、將原理圖中的選擇傳遞到PCB中在原理圖中選擇一組器件，點擊ToolSelect pcb components選項，PCB中相同的元件也將被選中。2、生成網(wǎng)絡(luò)表當設(shè)計好原理圖，在進行了ERC電氣規(guī)則檢查正確無誤后，就要生成網(wǎng)絡(luò)表，為PCB布線做準備。網(wǎng)表生成非常容易，只要在“Design”下選取“Create Netlist”對話框，設(shè)置為那種格式的網(wǎng)絡(luò)表。網(wǎng)表生成后，就可以進行PCB設(shè)計了。3、板框?qū)Ш疆斣O(shè)計了原理圖，生成了網(wǎng)表，下一步就要進行PCB