畢業(yè)設計（論文） 基于單片機的多點溫度測量系統(tǒng)

1、摘 要隨著社會的進步和工業(yè)技術的發(fā)展，人們越來越重視溫度因素，許多產(chǎn)品對溫度范圍要求嚴格，而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點測量，同時還有溫度信息傳遞不及時、精度不夠的缺點，不利于工業(yè)控制者根據(jù)溫度變化及時做出決定。在這樣的形式下，開發(fā)一種能夠同時測量多點，并且實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫度信息的測量系統(tǒng)就很有必要。本課題以at89c51單片機系統(tǒng)為核心，能對多點的溫度進行實時巡檢。各檢測單元（從機）能獨立完成各自功能，同時能夠根據(jù)主控機的指令對溫度進行定時采集，測量結果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機串行口，通過rs-485總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機，進行進

2、一步的存檔、處理。主控機負責控制指令的發(fā)送，控制各個從機進行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，并對測量結果（包括歷史數(shù)據(jù)）進行整理、顯示和存儲。主控機與各從機之間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達到系統(tǒng)整體統(tǒng)一、和諧的效果。 關鍵詞：單片機 rs485協(xié)議 溫度測量 abstractas the industry and the society developing, the temperature becomes more and more important and a lot of products are sensitive to temperature. however, temperature-

3、measuring apparatus in the market now only can check and measure the temperature of one point, at the same time, the temperature information is not real time and the precision is low. it takes a great of troubles for the industry-controllers to make decision .in this situation, design and implement

4、one applicable system which can watch measure and control the temperature and the measuring results is real time and the precision is great is more essential. in order to meeting this application, this paper talk about the multiple-points temperature measuring system.this system based on single chip

5、 computer, can inspect and control multiple temperatures in real time. the slaved machine can collect temperature information on its own and display it on the led module. following the master machines command, the slaved machine can up-send the temperature information to the master machine through t

6、he rs-485 bus interface and the communication protocol. the master machine sends commands, controls the slaved computer gathering and up-sending the temperature data including history information, and it manages processes and stores the temperature information. the master and slaved computer will ex

7、change information and correspond to each other, so it works together perfectly.key words single chip computer rs-485 protocol measure-temperature目 錄摘 要1abstract2第1章 緒論51.1 課題背景51.2 系統(tǒng)整體目標61.3 方案比較61.3.1 設計方案一71.3.2 設計方案二71.3.3 設計方案三7第2章 硬件設計102.1 穩(wěn)壓電源的設計102.1.1 穩(wěn)壓電源的組成102.1.2 電源設計102.2 溫度信號的獲取與放大12

8、2.2.1 溫度傳感器選用細則122.2.2 溫度信號獲取與放大電路152.3 模數(shù)轉換單元162.3.1 12位串行a/d轉換器max187162.3.2 模數(shù)轉換單元電路的設計172.4 通信模塊設計192.4.1 rs-485接口簡介192.4.2 電路設計202.4.3 通信協(xié)議的建立212.5 鍵盤模塊的設計222.5.1 hd7279a的原理222.5.2 鍵盤電路設計252.6 液晶顯示模塊的設計262.6.1 dm-162液晶顯示模塊262.6.2 dm-162與mcu接口電路272.7 單片機控制電路282.7.1 單片機概論282.7.2 單片機外接電路33第3章 軟件設計

9、373.1 程序設計語言與軟件開發(fā)環(huán)境373.1.1 程序設計語言的選用373.1.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境373.2 軟件程序設計383.2.1 鍵盤管理423.2.2 用戶界面的液晶lcd顯示423.2.3 模擬量的采集與處理42第4章 抗干擾設計與誤差分析444.1 抗干擾設計444.1.1 抗干擾技術主要體現(xiàn)444.1.2 用于單片機系統(tǒng)的干擾抑制元件454.1.3 提高單片機系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段454.2 誤差分析47結 論49致 謝50參考資料50附 錄 150附 錄250第1章 緒論1.1 課題背景在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時

10、無刻不在與溫度打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎%80的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對于工業(yè)如此重要，由此推進了溫度傳感器的發(fā)展。傳感器主要大體經(jīng)過了三個發(fā)展階段：模擬集成溫度傳感器。該傳感器是采用硅半導體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。此種傳感器具有功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有ad590、ad592

11、、tmp17、lm135等；模擬集成溫度控制器。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有l(wèi)m56、ad22105和max6509。某些增強型集成溫度控制器(例如tc652/653)中還包含了a/d轉換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別；智能溫度傳感器。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)的結晶。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、a/d轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央

12、控制器(cpu)、隨機存取存儲器(ram)和只讀存儲器(rom)。智能溫度傳感器的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)；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。溫度傳感器的發(fā)展趨勢。進入21世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、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。傳感器在溫度測控系統(tǒng)中的應用。目前市場主要存在單點和多點兩種溫度測量儀表。對于單點溫測儀表，主要采用傳統(tǒng)的模擬集成溫度傳感器，其中又以熱電阻、熱電偶等傳感器的測量精度高，測量范圍大，而得到了普遍的應

13、用。此種產(chǎn)品測溫范圍大都在-200800之間，分辨率12位，最小分辨溫度在0.0010.01之間。自帶led顯示模塊，顯示4位到16位不等。有的儀表還具有存儲功能，可存儲幾百到幾千組數(shù)據(jù)。該類儀表可很好的滿足單個用戶單點測量的需要。多點溫度測量儀表，相對與單點的測量精度有一定的差距，雖然實現(xiàn)了多路溫度的測控，但價格昂貴。針對目前市場的現(xiàn)狀，本課題提出了一種可滿足要求、可擴展的并且性價比高的單片機多路測溫系統(tǒng)。1.2 系統(tǒng)整體目標本系統(tǒng)的實現(xiàn)目標：1. 實時巡檢功能本系統(tǒng)能夠同時檢測4路溫度，檢測溫度范圍0400。根據(jù)實際需要，檢測點數(shù)是可以擴展的。2. 高精度應用12位ad轉換芯片，采用過采樣

14、和工頻周期求均值技術，分辨率達到16位，檢測溫度變化最小值達到0.007。3. 傳輸距離遠使用rs-485串行總線進行傳輸，max485驅(qū)動芯片進行電平轉換，傳送距離大于1200m，抗干擾能力強。4. 功能完善(1) 由主控機統(tǒng)一設置系統(tǒng)時間和溫度修正值。(2) 可由主控機分別設置各從機的溫度報警上下限，主機、從機均具有聲光報警功能。(3) 具有定時、整點收集各從機數(shù)據(jù)功能，使用i2c串行e2prom，可保存各從機以往24小時的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)更新與掉電保護功能。(4) 具有數(shù)據(jù)存儲功能，可查詢各從機以往24小時的溫度情況。從機可顯示當前溫度、時間、報警閾值等信息。主從機均采用中文點陣式液晶顯示

15、器，人機界面友好。(5) 自帶+5v和+12v直流穩(wěn)壓電源。1.3 方案比較溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。對于控制系統(tǒng)可以采用計算機、單片機等。1.3.1 設計方案一采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線形元件，實現(xiàn)多點溫度的測量及顯示，該方案設計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測量誤差大。1.3.2 設計方案二采用pc機作為主控機，單片機構成信號采集單元。通過溫度傳感器采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到a/d轉換芯片，經(jīng)過含有單片機的檢測系統(tǒng)的進一步分析處理，通過通信線路將

16、信息上行到pc機，在pc機上我們可對溫度信號進行任何分析、處理。 單片機控制的檢測系統(tǒng)溫度傳感器a/d轉換器pc機控制的主控制器lcd顯示器變送器總線多路開關圖1-1 方案二的框圖采用該方案技術已經(jīng)成熟，而且通過將溫度信息上傳到pc機，利用pc機強大的數(shù)據(jù)處理能力和相應的輔助軟件，可以多角度、多需求的分析處理溫度數(shù)據(jù)，但這在工業(yè)上大多不是必須的。而且目前pc的機價格的原因，制造出這樣的系統(tǒng)，不會得到普遍的應用。所以我不準備采用此種方案。1.3.3 設計方案三本方案以at89c51單片機系統(tǒng)為核心，對多點的溫度進行實時控制巡檢。各檢測單元（從機）能獨立完成各自功能，根據(jù)主控機的指令對溫度進行實時

17、或定時采集，測量結果不僅能在本地儲存、顯示，而且可以利用單片機串行口，通過rs-485總線及通信協(xié)議將將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機，進行進一步的分析、存檔、處理。主控機負責控制指令發(fā)送，控制各個從機進行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，并對測量結果（包括歷史數(shù)據(jù)）進行整理、顯示和打印。主控機與各從機之間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達到了系統(tǒng)整體統(tǒng)一和諧的控制效果。溫度測點1溫度測點2溫度測點3溫度測點4從機1從機2從機3從機4主控機89c51鍵盤led模塊聲光報警圖1-2 方案三的系統(tǒng)框圖該方案主控機和從機完全由單片機實現(xiàn)，采用該方案完全可滿足工業(yè)上大部分需求，而且相對與第二種方案價格更加容易讓人接受。上圖

18、中，從機部分實現(xiàn)的功能幾乎和主機是對等的，但會接受主機發(fā)送過來的命令的指示。溫度測點1傳感器adcmculed聲光報警rs-485接口電路圖1-3 從機部分的框圖 該方案采用熱電阻pt100做為溫度傳感器、ad620作為信號放大器max187作為a/d轉換部件，對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點。相對與方案1，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。相對與方案3，具有更高的性價比，更大的市場。所以我采用方案3完成本設計。第2章 硬件設計2.1 穩(wěn)壓電源的設計2.1.1 穩(wěn)壓電源的組成電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?。交流電?jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是大

19、小（電流強度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給集成電路供電的，而要通過整流電路將交流電變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有%左右的波動），負載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。電容器是一個儲存電能的倉庫。在電路中，當有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容器充電，把電能儲存在電容器中；當

20、外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲存的電能再放出來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越大，負載電阻值越大，充電和放電所需要的時間越長。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔濾波的任務。 穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。 2.1.2 電源設計工作原理：圖中為t1電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓v1變?yōu)檎麟娐芬蟮慕涣麟妷?，四只整流二極管d

21、1 d4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。先計算文件參數(shù)：二極管d1、d3和d2、d4兩兩輪流導通的，所以流經(jīng)每個二極管的平均電流為id=ic=0.45。二極管在截止時管子兩端承受的最大反向電壓可以從圖1中看出。在正半周時d1、d3導通，d2、d4截止。此時d2、d2所承受的最大反向電壓均為的最大值。即=同理，在的負半周，d、d也承受到同樣大小的反向電壓。圖21 +12v電源示意圖橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高 ，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因為電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛

22、的應用。濾波電路：我們采用電容濾波電路。因為本設計為小功率電源,初始時電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當為正半周時，通過d1、d3向電容器c充電；當為負半周時，通過d2、d4向電容器c充電。充電時間常數(shù)為。包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管d的正向電阻。由于一般很少，電容器很快就達到了交流電壓的的最大值。由于電容器無放電回路，故輸出電壓保持在，輸出為一個恒定的直流。電容濾波電路的特點：1. 二極管的導電角，流過二極管的瞬時電流很大，電流的有效值和平均值的關系與波形有關。在平均值相同的情況下，波形越尖，有效值越大，在純電阻負載時，變壓器副邊電流的有效值而有電容濾波時2. 負載平均電壓升高

23、，紋波(交流成分)漸少，且rc越大，電容放電速率越慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取 d=rlc(35)t/2 （21）其中t為電源交流電壓的周期。3. 負載直流電壓隨負載直流電流增加二減少。隨的變化關系稱為輸出特性或者外特性。 c值一定，當rl=，即空載時當c=0，即無電容時4. 在整流電路的內(nèi)組不太大(幾歐)和放電時間常數(shù)滿足式（21）的 關系時，電容濾波電路的負載電壓和的關系約為總之，電容濾波電路簡單，負載直流電壓vl較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。+5v電源電路如圖所示。圖2-2 5v電源

24、示意圖2.2 溫度信號的獲取與放大2.2.1 溫度傳感器選用細則現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1. 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問

25、題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。2. 靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的串擾信號3. 頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器

26、的響應總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。4. 線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。5. 穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，

27、其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。6. 精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可

28、，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。2.2.2 溫度信號獲取與放大電路本設計要檢測溫度范圍0400，可選用的常用溫度傳感器有集成溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等。 集成溫度傳感器（如ad590、ds1820等）使用方便，信號易于調(diào)理，但它們的測溫范圍普遍窄，一般在200以下，不能滿足要求。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，其優(yōu)點是測量精度高、測量范圍廣，常用的熱電偶從-50至+1600均可連續(xù)測量。但需采用電路或軟件設計等修正

29、方法來補償冷端溫度t00時對測溫的影響，使用不便。熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測量范圍為-200600，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測量精確度是最高的，所以我們最終選擇鉑電阻pt100作為傳感器。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。所以通常將其放在電橋橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器ad620的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給a/d轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數(shù)字量。電路原理圖如圖3所示。 圖2-3 熱電阻測溫電路原理圖對信號放大，我們使用了低價格、高精度的儀器放

30、大器ad620，它運用方便，可以通過外接電阻方便的進行各種增益（1-1000）的調(diào)整。其增益計算公式為：溫度值計算過程：由于a/d檢測到的模擬電壓值計算可到的rt值，然后利用如下公式求出溫度值：其中 ，實際測量中，為提高測量精度，我們分兩擋進行測量，當溫度處于0210時，繼電器j2所在橋臂電阻為r32，繼電器j1選擇ad620的反饋電阻r5，溫度處于195400時，控制繼電器j2將電阻r31串接上，并相應控制繼電器j1選擇r6作為ad620的反饋電阻，在切換橋臂電阻時同步改變放大倍數(shù)，從而達到自動改變量程、提高測量精度的目的。2.3 模數(shù)轉換單元2.3.1 12位串行a/d轉換器max187

31、max187是美信公司推出的12位a/d轉換芯片，內(nèi)部含有采樣/保持電路，單5v操作電源，轉換速度為8.5s，具有片上4.096 v參考電壓，模擬量輸入范圍為0vbef。三線串行接口，兼容spi，qspi，microwire總線。1. max187的引腳功能說明max187有8腳dip封裝和16腳so封裝2種，圖1給出dip封裝的引腳排列。表1是引腳功能說明。 圖2-4 max187引腳圖2. max187操作時序用采樣/保持電路和逐位比較寄存器將輸入的模擬信號轉換為12位的數(shù)字信號，其采樣/保持電路不需要外接電容。max187有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將shdn置為低電平進入休眠模

32、式，這時的電流消耗降到10a以下。shdn置為高電平或懸空進入正常操作模式。表2-1 max187 引腳功能表引腳名稱功能1vcc+5v電源2ain模擬量輸入，范圍0-vref3shdn操作模式選擇，低電平休眠模式4ref參考電壓5gnd地6dout數(shù)據(jù)輸出7cs片選端8sclk時鐘，最高為5mhz 完整的操作時序如圖2所示。使用內(nèi)參考時，在電源開啟后，經(jīng)過20 ms后參考引腳的4.7f電容充電完成，可進行正常的轉換操作。a/d轉換的工作過程是：當cs為低電平時，在下降沿max187的t/h電路進入保持狀態(tài)，并開始轉換，8.5s后dout輸出為高電平作為轉換完成標志。這時可在sclk端輸入一串

33、脈沖將結果從dout端移出，讀入單片機中處理。數(shù)據(jù)讀取完成后將cs置為高電平。要注意的是：在cs置為低電平啟動a/d轉換后，檢測到dout有效（或者延時8.5s以上），才能發(fā)sclk移位脈沖讀數(shù)據(jù)，sclk至少為13個。發(fā)完脈沖后應將cs置為高電平。圖2-5 max187時序圖2.3.2 模數(shù)轉換單元電路的設計 a/d轉換的好與壞直接關系到整個系統(tǒng)的精確度。由于本系統(tǒng)測量的是溫度信號，響應時間長，滯后大，不要求快速轉換，因此選用12位串行admax187。max187具有12位的分辨力，其基準電壓為4.096v，故最小分辨電壓為能分辨的最小溫度變化為能達到設計的基本要求。為進一步提高精度，可以

34、直接采用16位ad轉換器，也可以采用過采樣和求均值技術來提高測量分辨率。本系統(tǒng)采用了后一種方法。所謂過采樣技術是指以高于奈奎斯特頻率的采樣頻率進行采樣，也就是說當adc以高于系統(tǒng)所需采樣頻率fs的速率對信號采樣時，能增加有效位數(shù)。每增加一位分辨率，信號必須被以4倍的速率過采樣，即其中w希望增加的分辨率位數(shù)；fs初始采樣頻率要求；fos過采樣頻率。圖2-6 模數(shù)轉換電路假設每秒鐘輸出一個溫度值（1hz）。為了將測量分辨率增加到16位，按下式計算過采樣頻率，即：因此，如果以fs=256hz的采樣頻率對溫度信號進行采樣，則將在所要求的采樣周期內(nèi)采集到足夠的樣本，對這些樣本求均值便可得到16位的輸出數(shù)

35、據(jù)。為此，先累加（將256個連續(xù)樣本加在一起），然后將總和除以16。這樣得到的結果便是16位的有效數(shù)據(jù)，增加了4位有效數(shù)據(jù)。用過采樣和求均值技術后，新的ad分辨率計算如下：最小分辨電壓為這樣，可以測量的最小溫度變化為在采用過采樣和求均值技術的情況下，用同一個12位adc可以測量的最小溫度變化為0.0061，就允許了以高于0.01的精度對溫度進行測量。另外，為了減小工頻信號引起的誤差，我們設計了在40ms（20ms的兩倍）時間內(nèi)采樣，然后再取平均值，將工頻信號誤差濾除。2.4 通信模塊設計2.4.1 rs-485接口簡介在自動化領域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠距離的數(shù)字通

36、信。在rs-422標準的基礎上，eia研究出了一種支持多節(jié)點、遠距離和接收高靈敏度的rs-485總線標準。 rs-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求如下：（1）接收器的輸入電阻rin大于等于12k（2）驅(qū)動器能輸出7v的共模電壓（3）輸入端的電容小于等于50pf （4）在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120的終端電阻的情況下，驅(qū)動器至少還能輸出電壓1.5v（5）接收器的輸入靈敏度為200mv因為rs-485的遠距離、多節(jié)點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得eia rs-485成為工業(yè)應用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。 rs-485串行接口的電氣標準實際上是rs-42

37、2的變型，它屬于七層osi（open system interconnection，開放系統(tǒng)互連）模型物理層的協(xié)議標準。由于性能優(yōu)異、結構簡單、組網(wǎng)容易，rs-485總線標準得到了越來越廣泛的應 用。其互連方式如圖2-8所示。圖2-7 rs-485互連方式圖rs -485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信：在發(fā)送端txd將串行口的ttl電平信號轉換成差分信號a、b兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原 成ttl電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。同時，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大 大提高。如果以10kbps速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸

38、距離可達12m，而用100kbps時傳輸距離可達1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。 另外rs-485實現(xiàn)了多點互連，最多可達32臺驅(qū)動器和32接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實現(xiàn)半雙工通信，而且可以實現(xiàn)全雙工通信。2.4.2 電路設計由于單片機串行口輸出的是ttl電平，要想實現(xiàn)多機通訊，必須要將其轉換成常用的串行通信總線標準接口電平，如rs-232或rs-485。其中rs-232適于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場合，其邏輯電平與ttl、mos邏輯電平完全不同，需要用max232驅(qū)動芯片進行電平轉換。其主要缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短（不超過30m），抗干擾能力差，不能

39、滿足題目的要求。rs-485標準接口為差分驅(qū)動結構，它通過傳輸線驅(qū)動器把邏輯電平變換為電位差，完成信號的傳遞，具有傳輸速率快、傳送距離長（可傳1200m）、抗干擾能力強等優(yōu)點，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設備。所以本系統(tǒng)使用rs-485總線進行傳輸，采用max485驅(qū)動芯片進行電平轉換。原理圖如下：圖2-8 從機與max485接口電路圖圖2-9 主機部分與max485接口電路圖2.4.3 通信協(xié)議的建立作為一種具有分布式控制思想的溫度測控系統(tǒng)，本系統(tǒng)首先要解決的是主機與從機之間的數(shù)據(jù)通訊問題，除了建立硬件電路基礎外，還要定義系統(tǒng)的軟件通訊協(xié)議。協(xié)議規(guī)定如下：（1）主、從雙方波特率均設

40、置為9600bpt；（2）主從雙方初始狀態(tài)均設置為串行口中斷方式；（3）主機發(fā)送的格式為：起始符從機地址命令字數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/命令字校驗地址校驗當從機接受到主機發(fā)送的命令時，從機先檢驗是否為自己的地址，如果是則回復主機且執(zhí)行相應命令，否則不做響應。（4）從機應答的格式為：起始符本機地址命令字 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/命令字校驗地址校驗主機接受到從機應答后，知道從機完成響應。則去干其它事情；否則繼續(xù)發(fā)送。發(fā)送3次不響應則視為線路故障；（5）從機發(fā)送與從機應答基本相同，主機發(fā)送與主機應答基本相同。（6）從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制。系統(tǒng)進行溫度檢測工作的過程是這樣的：首先，主控機針對需要檢測的從機發(fā)出巡

41、檢指令，通過串口送出，經(jīng)接口電路加載至通訊長線電纜端口，成功確認應答信號后轉為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；各從單片機同時接收到經(jīng)通訊接口輸入的巡檢指令，并與自身地址編碼比較，若編碼一致則產(chǎn)生應答信號，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送回主機，發(fā)送完畢在切換至采集信號并等待響應接收中斷狀態(tài)；主機將接收到的全部數(shù)據(jù)經(jīng)校驗判斷無誤后，送數(shù)據(jù)處理機構計算、顯示，如數(shù)據(jù)傳輸有誤，則指令從機重發(fā)數(shù)據(jù)。2.5 鍵盤模塊的設計2.5.1 hd7279a的原理1. 主要特性hd7279a是比高公司生產(chǎn)的單片具有串行接口、可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立led）的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，一片即可完成

42、led顯示及鍵盤接口的全部功能。hd7279a和微處理器之間采用串行接口，其接口和外圍電路比較簡單，且占用接口線少，加之它具有較高的性能價格比，因此，在微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等領域獲得了日益廣泛的應用。hd7279a的主要特點如下：（1）帶有串行接口，無需外圍元件便可直接驅(qū)動led；（2）各位可獨立控制譯碼/不譯碼、消隱和閃爍等屬性；（3）具有（循環(huán)）左移/（循環(huán)）右移指令；（4）具有段尋址指令，可方便地用來控制獨立的led顯示管；（5）64鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動電路。2. 引腳說明hd7279a一共有28個引腳，各引腳的主要功能如下：reset：復位端。當該端由低電平變成高

43、電平，并保持25ms后，復位過程結束。通常，該端接+5v電源；dig0dig7：8個led管的位驅(qū)動輸出端；sasg：led數(shù)碼管的a段g段的輸出端；dp：小數(shù)點的驅(qū)動輸出端；rc：外接振蕩元件連接端，其中電阻的典型值為1.5電容的典型值為15pf。3. 控制指令和接口時序hd7279a的控制指令分為純指令和帶有數(shù)據(jù)的指令兩大類，以下分別給予介紹。1. 純指令hd7279a控制指令中的純指令有復位（清除）指令a4h、左移指令a1h和右移指令a0h。其中，復位（清除）指令a4h用于清除所有的顯示，同時清除所有設置的字符消隱和閃爍等屬性。執(zhí)行該指令后，芯片所處的狀態(tài)與系統(tǒng)上電后所處的狀態(tài)一樣。左移

44、指令a1h可使所有的顯示自右向左（從第1位向第8位）移動一位（包括處于消隱狀態(tài)的顯示位），但對各位所設置的消隱及閃爍屬性不起作用。右移指令a0h與左移指令類似，但所做移動為自左向右（從第8位向第1位）移動，移動后，最左邊一位為空。2. 帶有數(shù)據(jù)的指令帶有數(shù)據(jù)的指令包括以下5種：d7d6d5d4d3d2d1d010000a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dpxxxd3d2d1d0（1）下載數(shù)據(jù)且按方式0譯碼這種指令的格式為：該命令由二字節(jié)組成，前半部分為指令，其中a2a0為位地址，d0d3為數(shù)據(jù)，收到此指令時，hd7279a將按照以下規(guī)則（譯碼方式0）進行譯碼。即：0000：顯示0 ；

45、 1001：顯示91010：顯示 ； 1111：顯示空白（2）下載數(shù)據(jù)且按方式1譯碼此指令與上一條指令基本相同，所不同的只是譯碼方式。該指令的譯碼方式為：d0d3的值對應于09和af。格式如下:d7d6d5d4d3d2d1d011001a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dpxxxd3d2d1d0（3）下載數(shù)據(jù)但不譯碼該指令的格式如下：d7d6d5d4d3d2d1d010010a2a1a0d7d6d5d4d3d2d1d0dpabcdefg在該指令格式中，a2，a1，a0為位地址，ag和dp為顯示數(shù)據(jù)分別對應7段led數(shù)碼管的各段。當相應的數(shù)據(jù)位為1時，該段點亮，否則，該段不亮。實際上，

46、此指令是比較靈活的，設計時可以通過造字形表來顯示用戶所需的字符。（4） 閃爍控制88h此命令用于控制各個數(shù)碼管的閃爍屬性，d1d8分別對應數(shù)碼管18。在相應的各位中0表示閃爍，1表示不閃爍。開機后的缺省狀態(tài)為各位均不閃爍。具體指令格式如下:d7d6d5d4d3d2d1d010001000d7d6d5d4d3d2d1d0d8d7d6d5d4d3d2d1（5）讀鍵盤數(shù)據(jù)指令15h該指令的格式如下：d7d6d5d4d3d2d1d000010101d7d6d5d4d3d2d1d0d7d6d5d4d3d2d1d0該指令主要用于從hd7279a讀出當前的按鍵代碼。與其它指令不同的是，此命令的前一個字節(jié)00

47、010101b為微控制器傳送到hd7279a的指令，而后一個字節(jié)d0d7才是hd7279a返回的按鍵代碼，該代碼的具體范圍是03fh（當無鍵按下時，為0xff）。當hd7279a檢測到有效按鍵時，key引腳從高電平變?yōu)榈碗娖?，并一直保持到按鍵結束。在此期間，如果hd7279a接收到“讀鍵盤數(shù)據(jù)指令”，則輸出當前按鍵的鍵盤代碼；而如果在接收到“讀鍵盤指令”時沒有有效按鍵被按下時，hd7279a則輸出ffh（11111111b）。3. 串行接口時序綜上所述在hd7279a的指令結構類型中不帶數(shù)據(jù)的純指令的指令寬度為8bit，即微處理器需發(fā)送8個clk脈沖。而帶有數(shù)據(jù)的指令寬度為16bit，即微處理

48、器需發(fā)送16個clk脈沖。但其中的讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令,寬度也16bit,前8個bit為微處理器發(fā)送到hd7279a的指令，后8個bit為hd7279a返回的鍵盤代碼。執(zhí)行此指令時，hd7279a的data端在第9個clk脈沖的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，并于第16個脈沖的下降沿恢復為輸入狀態(tài)，以等待接收下一個指令。2.5.2 鍵盤電路設計在本設計中，由于采用led模塊進行溫度數(shù)據(jù)的顯示，所以并不會連接數(shù)碼管。由此電路顯得非常簡單，為了增加hd7279a的驅(qū)動能力，在sasd管腳上增加了4個100 k的下拉電阻。為了調(diào)節(jié)通過鍵盤的電流植，使得hd7279a讀出的鍵值更加準確增加了4只10k和4只200的電

49、阻。圖2-10 鍵盤電路原理圖hd7279a與微處理器接口非常簡單，僅需4條接口線，其中cs為片選信號（低電平有效）。data為串行數(shù)據(jù)端，當向hd7279a發(fā)送數(shù)據(jù)時，data為輸入端；當hd7279a輸出鍵盤代碼時，data為輸出端。clk為數(shù)據(jù)串行傳送的同步時鐘輸入端，時鐘的上升沿表示數(shù)據(jù)有效。key為按鍵信號輸出端，該端在無鍵按下時為高電平；而在有鍵按下時變?yōu)榈碗娖?，并一直保持到按鍵釋放為止。2.6 液晶顯示模塊的設計2.6.1 dm-162液晶顯示模塊該模塊是一種用5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分2行16個字。該模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（cgrom）已經(jīng)存儲

50、了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小 寫、常用的符號、和日文假名等。和其他模塊相比，該模塊功耗低、體積小、重量輕、壽命長，并且不需要ccfl背光逆變器和dc-dc顯示驅(qū)動電源，與mcu接口簡單等特點。1. 引腳說明1602采用標準的14腳接口，其中:第1腳：vss為地電源第2腳：vdd接5v正電源第3腳：v0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比度第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：rw為讀寫信號線，高電平時進行讀操作

51、，低電平時進行寫操作。當rs和rw共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當rs為低電平rw為高電平時可以讀忙信號，當rs為高電平rw為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：e端為使能端，當e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)線。2. 指令說明1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表1所示，它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（注：1為高電平、0為低電平）11指令1：清顯示，指令碼01h,光標復位到地址00h位置指令2：光標復位，光標返回到地址00h 指令3：光標和顯示模式設置 i/d：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 s

52、:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 指令4：顯示開關控制。 d：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 c：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 b：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍指令5：光標或顯示移位 s/c：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標 指令6：功能設置命令 dl：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 n：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 f: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符 指令7：字符發(fā)生器ram地址設置 指令8：ddram地址設置 指令9：讀忙信號和光標地址 bf

53、：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令10：寫數(shù)據(jù) 指令11：讀數(shù)據(jù)表2-2 dm162 液晶模塊指令表指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0清顯示0000000001光標返回000000001*置輸入模式00000001i/ds顯示開/關控制0000001dcb光標或字符移位000001s/cr/l*置功能00001dlnf*置字符發(fā)生存儲器地址0001字符發(fā)生存儲器地址（agg）置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址（add）讀忙標志或地址01bf計數(shù)器地址（ac）寫數(shù)據(jù)到cgrom10要寫的數(shù)從cgrom讀數(shù)11要讀的數(shù)2.6.2 dm-162與mcu接口電路dm-162液晶模塊與mcu接口非常簡單，不需要ccfl背光逆變器和dc-dc顯示驅(qū)動電源。典型接口電路如圖 圖2-11 dm-162與mcu接口電路圖2.7 單片機控制電路2.7.1 單片機概論1. 8051系列單片機的特點單片機（microcontroller，有稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器cpu、數(shù)據(jù)存儲器ram、程序存儲器rom、定時器/計數(shù)器和多種i/o接口電路。8051單片機的基本結構見圖3-1。圖 2-12 mcs51單片機的基本結構8051時mcs51系列單片機的一個