溫度采集系統(tǒng)畢業(yè)課程設(shè)計

1、1引言1.1 單片機(jī)概述單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理 能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM只讀存儲器ROM多種10 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、 AD轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器(Microco ntrollerUnit)，常用英文字母的縮寫 MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單 片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍 設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機(jī)系統(tǒng)更

2、小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積 要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從 此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單 可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在 8031上發(fā)展出了 MCS5係列單片機(jī)系 統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16位單片機(jī)，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代1

3、6位單片機(jī)的高端地 位，并且進(jìn)入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力 比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz性 能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大 量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)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

4、計算機(jī)系統(tǒng)集 成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了IO設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、 為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與 結(jié)構(gòu)的最佳選擇。1.2 溫度采集設(shè)計背景隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會對各種信息參數(shù)的準(zhǔn)確度和精確度的要求都有 了幾何級的增長，而如何準(zhǔn)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(chǔ) 的發(fā)展水平。在三大信息信息采集（即傳感器技術(shù)）、信息傳輸（通信技術(shù)）和信息處 理（計算機(jī)技構(gòu)中，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域己經(jīng)引用的非常廣泛

5、， 可以說是滲透到社會的每一個領(lǐng)域， 人民的生 活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，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(guān)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 模擬集成溫度傳感器 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(jì)90年代中期問世 的，它是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE的結(jié)晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)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(jī)的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)

6、 字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線 標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)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的結(jié)構(gòu)特征及控制方法，它是美國ANALO G DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源，并對以此傳感器，AT89C5仲片機(jī)為控制器構(gòu)成的數(shù)字溫度測量裝置的工作原理及程序設(shè)計作了詳細(xì)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(zhǔn)確，輸出溫度采用數(shù)字顯示， 主要用于對測溫要求比較準(zhǔn)確的場所，或科研實驗室使用。該設(shè)計控制器使用ATMBL 公司的AT89C51單片機(jī)，測溫傳感器使用 AD590最

7、終用LED來實現(xiàn)溫度顯示。2設(shè)計目的任務(wù)和要求2.1設(shè)計目的本設(shè)計包括確定控制任務(wù)、系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件程序的設(shè) 計等，使學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)與理解計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、接口電路與應(yīng)用程序，鞏固與綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識和相關(guān)專業(yè)課程知識，提高學(xué)生運用理論知識解決實際問 題的實踐技能；2.2 設(shè)計任務(wù)以8086 CPU （或單片機(jī)）為核心設(shè)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 示器一 上顯示當(dāng)前溫度。2.3 設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計所用器件主要有傳感器， AD轉(zhuǎn)換器，8086CPU（或單片機(jī)），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

8、度轉(zhuǎn)換為電壓，輸 入AD轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再把得到的二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過CPU在 LED上顯示出來。3系統(tǒng)總體方案設(shè)計3.1 方案設(shè)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(dǎo)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AD轉(zhuǎn)換器即ADC0809專換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)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(shè)計框圖4系統(tǒng)器件的選擇和性能介紹4.1 CPU的選擇本次設(shè)計

9、以CPU選用AT89C5I作為控制芯片.AT89C51的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上.使用方便等優(yōu)點。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS位微處理器，俗稱單片機(jī)。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATME的 AT89C51是 一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C5啲引腳結(jié)構(gòu)圖所圖示,其管腳說明如下：Of圖（1） AT89C51管腳圖VCC :供電電壓。GND :接地。P0 口： P0 口為一個8位漏級開路雙向10 口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1 口的管腳第

10、一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器， 它可以被定義為數(shù)據(jù)地址的第八位。P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向I0 口，P1 口緩沖器能接收 輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外 部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗 時，P1 口作為低八位地址接收。P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I0 口，P2 口緩沖器可接收，輸 出4個TTL門電流，當(dāng)P2 口被寫“ T時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸 入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流

11、。這是由于內(nèi)部上 拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八 位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向10 口，可接收輸出4個TTL門 電流。當(dāng)P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入， 由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST復(fù)位輸

12、入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST腳兩個機(jī)器周期的高電平 時間。ALEPR0G：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地 位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的16。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一 個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí) 行M0V，M0V指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在 外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN :外部程序存儲器的選通信號

13、。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器 周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN言號將不出 現(xiàn)。EAVPP:當(dāng)EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（OOOOH-FFFFH，不 管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET當(dāng)EA端 保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源（VPP。XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩器的輸出。4.2 溫度傳感器AD590是一種單片集成的兩端式溫度敏感電流源，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，

14、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(guān)，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。T +VREF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(dāng)溫度 有10C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2mVCo 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AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù) 字量。4.3 AD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

15、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 AD轉(zhuǎn)換器取出。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，CMOS：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(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為1OOys左右。ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中多路開關(guān)可選通 8個模擬通道，允許8路模 擬量分時輸入，共用一個 AD轉(zhuǎn)換，地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3個地址 位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。8位AD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(guān)以及256R電阻階梯網(wǎng)絡(luò)等組成。輸出器用于存放和輸

16、出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。圖（3） AD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(dāng)所采集的溫度是0時, 時,通過8255A編程就可在顯示器上顯示 3C。4.4 8255并行接口當(dāng)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AD 模擬信號輸入端。當(dāng)工作時，CPU用輸出指令將PC0置零,使BC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PC4-PC7測試并判斷PC4是否為零。如果PC4為零則說明完成一次AD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CPU向 8255A發(fā)出寫信號,

17、此后數(shù)據(jù)就會從B端口輸出。B端口連接著LED,它們在PC3-PC1的控制下顯示當(dāng) 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(yīng)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， 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

18、數(shù)位規(guī)定為輸入口，用來讀入設(shè)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085C，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(jìn)制顯示。為了便于讀數(shù)。在 LE燈上的顯示將設(shè)計為8421碼的方式顯示。轉(zhuǎn)換方法在程序中有所注明。麼如丁亠 !土刖耳-.苔*p豆y匸社臚p K公 詫林一（爭禹畑戎圖（4） LED實物圖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

19、限報警 調(diào)整電路，單機(jī)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。-Gtflfclfcl-1 JH-aaIH-LJ K B .L4L*- *圖（5）LED電路顯示圖5.3 分頻電路ADC080需要提供時鐘信號，單片機(jī)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。圖（6）ADC0809芯片的分頻電路5.4 時鐘電路設(shè)計晶振的頻率決定了微控制器的時鐘頻率

20、，8051晶振的頻率范圍，0 Hz33 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(dāng)外接晶振后，就構(gòu)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(shè)計的發(fā)揮部分，是加入了報警，如果我們所設(shè)計的系統(tǒng)是監(jiān)控某一設(shè)備，當(dāng)設(shè)備的溫度達(dá)到我們所設(shè)定的溫度值時，系統(tǒng)會產(chǎn)生報警.報警時由單片機(jī)產(chǎn)生一定頻率的脈沖，由P2.7引腳輸出，P2.7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(hù)，從而達(dá)到報警的目的。圖（8）溫度報警電路6系統(tǒng)流程圖圖（9）系統(tǒng)流程圖7軟

21、件程序設(shè)計PORTA EQU 020H；定義端口地址PORTC EQU 022HPORTB EQU 021HPORTD EQU 023HDATA SEGMENTTABLE DB 40HDB 4FHDB 24HDB 30HDB 19HDB 12HDB 02HDB 78HDB 00HDB 10HBUFDA1DB ?BUFDA2 DB ?BUFDA3 DB ?DATA ENDSCODE SEGMENTASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATAMOV DS,AXMOV AL,98HOUT PORTD,AL ; 8255 的初始化 *MOV AL,01OUT POR

22、TC,ALMOV AL,00OUT PORTC,AL ; PC0 為 0,啟動 AD 轉(zhuǎn)換FIND: IN AL,PORTCTEST AL,010HJNZ FIND;讀PC4的值，如為1則繼續(xù)查詢MOV AL,01OUT PORTC,AL ;使PC0為1,撤消啟動信號IN AL,PORTA ;讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) *JMOV CL,100 ;計算百位，十位，個位DIV CLMOV BUFDA1,ALXOR AL,ALMOV CL,10MOV BL,AHMOV AL,BLMOV AH,0DIV CLMOV BUFDA2,ALMOV BUFDA3,AH *JDISPLAY:MOV BX,OFFSET TA

23、BLEMOV AL,DI+0XLAT;換碼MOV DX,PORTBOUT DX,ALMOV CX,30H;延遲程序DELAY: LOOP DELAYRET *JMOV CX,30HOUT PORTD,ALDISPLAY1:MOV AL,06HMOV AL,05HOUT PORTD,ALMOV AL,03HOUT PORTD,ALMOV DI,OFFSET BUFDA1CALL DISPLAY ; 使 LED0 工作MOV AL,07HOUT PORTD,ALMOV AL,04HOUT PORTD,ALMOV AL,03HOUT PORTD,ALMOV DI,OFFSET BUFDA2CALL

24、DISPLAY ; 使 LED1 工作MOV AL,07HOUT PORTD,ALMOV AL,05HOUT PORTD,ALMOV AL,02HOUT PORTD,ALMOV DI,OFFSET BUFDA3CALL DISPLAY ; 使 LED2 工作LOOP DISPLAY1 ;延遲 *JMOV AH,4CHINT 21HCODE ENDSEND START8總結(jié)心得本課程設(shè)計是基于AT89C51單片機(jī)的溫室檢測系統(tǒng)。該課程是以單片機(jī)8051為核心，以熱敏電阻為測溫元件對溫度進(jìn)行有效的測量,通過ADC0809芯片將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過單片機(jī)處理后通過8255芯片擴(kuò)展的10以動態(tài)

25、方式顯示， 再加上相應(yīng)的時鐘電路、復(fù)位電路、分頻電路，最后編寫程序，溫度采集系統(tǒng)的設(shè) 計就完成了。在做課程設(shè)計的過程中，除了了解相關(guān)設(shè)計的硬件原理電路圖外，還要了解具 體的型號，熟悉相關(guān)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(shè)計。在這一周的設(shè)計中，不僅使我增長了很多課堂上所學(xué)不到的知識，而且還讓我 對AD轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展I0有了更深入的了解。對一些單片機(jī)原理及應(yīng)用有了更加深刻的 認(rèn)識。附圖電路接線仿真圖1D1C11612U11311391038CRYSTAL3715U63518LM35343320C33221222224R1U4NOR8173U374LS371n