溫度采集系統(tǒng)課程設計

1、中北大學計算機控制課程設計說明書 1 引言 1.1 單片機概述 單片機是一種集成在電路芯片， 是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理 能力的中央處理器 CPU隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、 定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換 器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit ），常用英文字母的縮寫 MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單 片機由芯片內(nèi)僅有 CPU的專用處理器發(fā)展而來。 最

2、早的設計理念是通過將大量外圍 設備和 CPU集成在一個芯片中， 使計算機系統(tǒng)更小， 更容易集成進復雜的而對體積 要求嚴格的控制設備當中。 單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)， 因此它得到了最多的應用。 它 又稱單片微控制器 , 它不是完成某一個邏輯功能的芯片 , 而是把一個計算機系統(tǒng)集 成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了 I/O 設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、 為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與 結(jié)構的最佳選擇。 1.2 溫度采集設計背景 隨著科技的不斷發(fā)展， 現(xiàn)代社會對各種

3、信息參數(shù)的準確度和精確度的要求都有 了幾何級的增長，而如何準確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎 的發(fā)展水平。 在三大信息信息采集 （ 即傳感器技術 ） 、信息傳輸 （ 通信技術 ） 和信息處 理（計算機技構中， 傳感器屬于信息技術的前沿尖端產(chǎn)品， 尤其是溫度傳感器技術， 在我國各領域己經(jīng)引用的非常廣泛， 可以說是滲透到社會的每一個領域， 人民的生 活與環(huán)境的溫度息息相關， 在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度， 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也 離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。 測量溫度的關鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 模擬集

4、成溫度傳感器 第 1 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 智能溫度傳感器 目前的智能溫度傳感器 （亦稱數(shù)字溫度傳感器 ）是在 20 世紀 90 年代中期問世 的，它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術（ ATE）的結(jié)晶，特點是能輸出 溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器 （MCU）。社會的發(fā)展使人們對傳 感器的要求也越來越高， 現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機的基礎上從模擬式向數(shù) 字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線 標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等 高科技的方向迅速發(fā)展，本文將介紹 AD590

5、的結(jié)構特征及控制方法， 它是美國 ANALO G DEVI CES公司的單片集成兩端感溫電流源，并對以此傳感器， AT89C51單片機為 控制器構成的數(shù)字溫度測量裝置的工作原理及程序設計作了詳細的介紹。 與傳統(tǒng)的 溫度計相比，其具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確，輸出溫度采用數(shù)字顯示， 主要用于對測溫要求比較準確的場所， 或科研實驗室使用。該設計控制器使用 ATMBL 公司的 AT89C51單片機，測溫傳感器使用 AD590，最終用 LED來實現(xiàn)溫度顯示。 2 設計目的任務和要求 2.1 設計目的 本設計包括確定控制任務、系統(tǒng)總體方案設計、硬件系統(tǒng)設計、軟件程序的設 計等，使學生進一步學習與理

6、解計算機控制系統(tǒng)的構成原理、 接口電路與應用程序， 鞏固與綜合專業(yè)基礎知識和相關專業(yè)課程知識， 提高學生運用理論知識解決實際問 題的實踐技能； 2.2 設計任務 以 8086 CPU（或單片機）為核心設計一個溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)一路 溫度的采集，在 3位 LED顯 示器 上顯示當前溫度。 2.3 設計內(nèi)容 本設計所用器件主要有傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換器， 8086CPU（或單片機），可編程并 行接口 8255（或不用）， LED顯示器等。首先傳感器把所測的溫度轉(zhuǎn)換為電壓，輸 入 A/D 轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，然后再把得到的二進制數(shù)經(jīng)過 CPU在 LED上顯示出來。 3 系統(tǒng)總體方案設計 第 2

7、 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 3.1 方案設計 該系統(tǒng)主要有溫度測量和數(shù)據(jù)采集兩部分電路組成， 在溫度測量中用電測法測 量溫度時，首先要通過溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電量，溫度傳感器有好多種方式， 這里選擇 AD590，它是一種半導體感受式的，由測溫電阻、二極管和集成電路器件 組成。利用溫度傳感器測出溫度后，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來， 利用 A/D 轉(zhuǎn)換器即 ADC0809轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理， 在顯示電路 上，將被測溫度顯示出來。 3.2 總體設計框圖 4 系統(tǒng)器件的選擇和性能介紹 4.1 溫度傳感器 AD590是一種單片集成的兩端式溫度敏感

8、電流源，它有金屬殼，小型的扁平封 裝芯片和不銹鋼等幾種封裝形式， 實驗平臺利用 IC 溫度傳感器 AD590作為測溫器， AD590是一種精度和線性度較好的雙端集成溫度傳感器，其輸出電流與絕對溫度有 關，對于電源電壓從 5-10V 變化只引起 1A最大電流的變化或 1 攝氏度等效誤差。 第 3 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 圖（ 2）傳感器工作原理圖 上圖給出了用于獲得正比于絕對溫度的輸出電流的基本溫度敏感電路，當溫 度有 10的變化時輸出電壓變化為 20mV，即該電路 M點電壓隨溫度變化為 2mV/。 將溫度傳感器輸出的小信號跟隨放大 19.2 倍左右后，送至 8位 A

9、/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量。 4.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 模數(shù)轉(zhuǎn)換采用 ADC0809，它是芯片輸出端具有可控的三態(tài)門，這種芯片的輸出 端可以直接和系統(tǒng)總線相連，由讀信號控制三態(tài)門，轉(zhuǎn)換結(jié)束后， CPU執(zhí)行一條輸 入指令，從而產(chǎn)生讀信號，將數(shù)據(jù)從 A/D轉(zhuǎn)換器取出。 ADC0809是典型的 8位 8通 道逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器， CMOS工藝，可實現(xiàn) 8 路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有 8 路模擬選通開關，以及相應的通道地址鎖存譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100s左右。 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構如圖所示，圖中多路開關可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模 擬量分時輸入，共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換，地址鎖存與譯

10、碼電路完成對 A、B、C 3個地址 位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。 8位 A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由 控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關以及 256R 電阻階梯網(wǎng)絡等組成。輸 出器用于存放和輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。 第 4 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 圖（ 3） A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理圖 因為所選的 AD0809所轉(zhuǎn)換的電壓范圍不大 , 這樣一來 , 當所采集的溫度是 0 時, 轉(zhuǎn)換的電壓量是 0V,通過 A/D 轉(zhuǎn)換后所對應的數(shù)字量是 00000000。當采集的溫度是 255時, 所轉(zhuǎn)換的電壓量是 10V, 通過 A/D 轉(zhuǎn)換后所對應的數(shù)字量是 11

11、111111。這 樣看來, 從 A/D輸出的數(shù)字量和顯示的溫度是一一對應的。假如數(shù)字量是 00000011 時, 通過 8255A編程就可在顯示器上顯示 3。 4.4 8255 并行接口 當溫度通過 AD590后, 連續(xù)的物理量轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電壓量 , 電壓信號輸入到 A/D 模擬信號輸入端。當工作時 ,CPU用輸出指令將 PC0置零, 使 B/C 端得到一個低電平 從而啟動轉(zhuǎn)換。此后用輸入指令不斷讀端口 PC4PC7測試并判斷 PC4是否為零。 如果 PC4為零則說明完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換。此時在 CPU的讀周期作用下它向 8255A發(fā) 出個讀信號。之后便從 A端口讀數(shù)據(jù) ; 在寫周期的作用下

12、 CPU向 8255A發(fā)出寫信號 , 此后數(shù)據(jù)就會從 B 端口輸出。 B 端口連接著 LED,它們在 PC3PC1的控制下顯示當 前溫度。 8255A方式 0 的工作特點： 方式 0 也叫基本輸入輸出方式。 在這種方式下， 端口 A 和端口 B 可以通過方式 擇字規(guī)定為輸入口或者輸出口，端口 C分為兩個 4位端口，高 4 位一個端口，低 4 一個端口。這兩個四位端口也可由方式選擇字規(guī)定為輸入口或輸出口。 方式 0 的使 用場合有兩種，一種是同步傳送，另一種是查詢式傳送。這里采用查方式。查詢式 傳輸時，需要有應答信號。 但是，在方式 0 情況下，沒有規(guī)定固定的答信號， 所以， 第 5 頁 共 1

13、5 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 這時將端口 A和端口 B作為數(shù)據(jù)端口，把端口 C的 4個數(shù)位（高或低 4 均可）一些 控制信號，而把端口 C的另外 4 個數(shù)位規(guī)定為輸入口，用來讀入設的狀態(tài)。這樣， 就利用端口 C配合了端口 A 和端口 B的輸入輸出操作。 4.5 LED 介紹 由于輸出的電壓量范圍是 05V即轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后為 0FF之間。所以，要使溫 度表范圍為 085，需把 0FF除以 3。經(jīng)過 CPU未經(jīng)處理過的數(shù)值是以 ASCII 碼 的方顯示在電腦屏幕上的，還需將 ASCII 碼轉(zhuǎn)換成十進制顯示。為了便于讀數(shù)。在 LE燈上的顯示將設計為 8421 碼的方式顯示。轉(zhuǎn)換方法在程序

14、中有所注明。 5 系統(tǒng)整體硬件電路 5.1 主板電路 系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警 調(diào)整電路，單機板電路等，見附錄。其中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi) 時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同 LED數(shù)碼管將沒有被測溫度值顯示。 5.2 顯示電路 顯示電路是使用 74HC373鎖存器和 74LS138譯碼器分別控制段選和位選， 利用 動態(tài)顯示。處是 LED數(shù)碼管數(shù)量大時，電路簡單。 圖（ 5）LED電路顯示圖 5.3 分頻電路 ADC0809需要提供時鐘信號，單片機在工作時 ALE引腳輸出 2MHZ時鐘信號 需要分頻后供 0809 做時鐘信號使用。 第 6 頁 共

15、15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 5.4 時鐘電路設計 晶振的頻率決定了微控制器的時鐘頻率， 8051晶振的頻率范圍， 0 Hz 33 MHz。 電容器 C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容值一般為 2040 pf 。微 控制器內(nèi)部有一個高增益運算放大器和一個反饋電阻器， 當外接晶振后， 就構成了 自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。 圖（ 7）晶振電路原理圖 5.5 溫度報警電路 本設計的發(fā)揮部分，是加入了報警，如果我們所設計的系統(tǒng)是監(jiān)控某一設備， 當設備的溫度達到我們所設定的溫度值時，系統(tǒng)會產(chǎn)生報警 . 報警時由單片機產(chǎn)生 一定頻率的脈沖，由 P2.7 引腳輸出， P2.7

16、外接一只 PNP的三極管來驅(qū)動楊聲器發(fā) 出聲音，以便操作員來維護，從而達到報警的目的。 第 7 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 6 系統(tǒng)流程圖 第 8 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 圖（ 9）系統(tǒng)流程圖 ；定義端口地址 7 軟件程序設計 PORTA EQU 020H PORTB EQU 021H PORTC EQU 022H 第 9 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 PORTD EQU 023H DATA SEGMENT TABLE DB 40H DB 4FH DB 24H DB 30H DB 19H DB 12H DB 02H DB

17、 78H DB 00H DB 10H BUFDA1 DB ? BUFDA2 DB ? BUFDA3 DB ? DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATA START: MOV AX,DATA MOV DS,AX MOV AL,98H OUT PORTD,AL ；8255 的初始化 MOV AL,01 OUT PORTC,AL MOV AL,00 OUT PORTC,AL ； PC0 為 0，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 FIND: IN AL,PORTC TEST AL,010H 第 10 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 JNZ FIN

18、D；讀 PC4的值，如為 1 則繼續(xù)查詢 MOV AL,01 OUT PORTC,AL ；使 PC0為1，撤消啟動信號 IN AL,PORTA ；讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) MOV CL,100 ；計算百位，十位，個位 DIV CL MOV BUFDA1,AL XOR AL,AL MOV CL,10 MOV BL,AH MOV AL,BL MOV AH,0 DIV CL MOV BUFDA2,AL MOV BUFDA3,AH DISPLAY:MOV BX,OFFSET TABLE MOV AL,DI+0 XLAT ；換碼 MOV DX,PORTB OUT DX,AL MOV CX,30H ；延遲程序 DEL

19、AY: LOOP DELAY RET MOV CX,30H DISPLAY1:MOV AL,06H OUT PORTD,AL 第 11 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 MOV AL,05H OUT PORTD,AL MOV AL,03H OUT PORTD,AL MOV DI,OFFSET BUFDA1 CALL DISPLAY ；使 LED0 工作 MOV AL,07H OUT PORTD,AL MOV AL,04H OUT PORTD,AL MOV AL,03H OUT PORTD,AL MOV DI,OFFSET BUFDA2 CALL DISPLAY ；使 LED1

20、 工作 MOV AL,07H OUT PORTD,AL MOV AL,05H OUT PORTD,AL MOV AL,02H OUT PORTD,AL MOV DI,OFFSET BUFDA3 CALL DISPLAY ；使 LED2 工作 LOOP DISPLAY1 ；延遲 MOV AH,4CH INT 21H CODE ENDS END START 第 12 頁 共 15 頁 中北大學計算機控制課程設計說明書 8 總結(jié)心得 本課程設計是基于 AT89C51單片機的溫室檢測系統(tǒng)。該課程是以單片機 8051 為核心，以熱敏電阻為測溫元件對溫度進行有效的測量 , 通過 ADC0809芯片將電壓

21、信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過單片機處理后通過 8255 芯片擴展的 I/O 以動態(tài)方式顯 示，再加上相應的時鐘電路、復位電路、分頻電路，最后編寫程序，溫度采集系統(tǒng) 的設計就完成了。 在做課程設計的過程中，除了了解相關設計的硬件原理電路圖外，還要了解具 體的型號，熟悉相關軟件的使用，如 AutoCAD、 Protel 、Word等，雖然在實際操作 過程中遇到了很多困難，但經(jīng)過不懈努力還是完成了本課程的設計。 在這一周的設計中，不僅使我增長了很多課堂上所學不到的知識，而且還讓我 對 A/D 轉(zhuǎn)換和擴展 I/O 有了更深入的了解。 對一些單片機原理及應用有了更加深刻 的認識。 第 13 頁 共 15 頁

22、 中北大學計算機控制課程設計說明書 附圖 電路接線仿真圖 C1 C2 1nF C3 U1 X1 CRYSTAL CRYSTAL 19 18 29 30 31 XTAL1 XTAL2 RST PSEN ALE EA R1 1 10 2 100k 3 P1.2 P3.2/INT0 4 P1.5 P1.6 P1.7 AT89C51 P1.0 P1.1 P1.3 P1.4 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 5 6 7 8 2 5 6 U3 Q Q Q Q Q Q Q Q 74LS37 11 11 39 P0.0/AD0 38 P0.1/AD1 37 6 P0.4/AD4 5 34 P0.5/AD5 33 4 3 21 P2.0/A8 22 23 27 24 25 25 ADC0809 28 P2.7/A15 U5 11 NOR NOR 2 1 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 13 17 P0.2/AD2 P0.3/AD3 7DEO LE 12 13 36 3