基于單片機(jī)的AD590溫度自動(dòng)檢測(cè)儀表設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)（課程設(shè)計(jì)報(bào)告） 基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)檢測(cè)儀表設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要求自動(dòng)完成溫度測(cè)量，溫度測(cè)量范圍通過鍵盤設(shè)定（如1060），檢測(cè)精度為+0.5。C。要求將AD590采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，用三位共陰極LED顯示結(jié)果，小數(shù)點(diǎn)后保留一位。超上下線限要報(bào)警。2、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)組成框圖 總體的設(shè)計(jì)思路是分為測(cè)量電路部分和數(shù)字顯示部分兩部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。測(cè)量電路是對(duì)信號(hào)的采集與放大，即溫度的采集放大部分。測(cè)量電路的設(shè)計(jì)要求是電路能具有良好的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，以及實(shí)現(xiàn)攝氏溫度測(cè)量。數(shù)字顯示部分又可分為A/D轉(zhuǎn)換與譯碼顯示。故采用AD590+放大器+A

2、/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）+AT89C51+LED顯示器組合出溫度計(jì)。系統(tǒng)框圖如下圖： （2）單片機(jī)單片機(jī)選型MCS-51系列單片機(jī)主要包括基本型產(chǎn)品8031/8051/8751(對(duì)應(yīng)的低功耗型80C31/80C51/87C51和增強(qiáng)型產(chǎn)品8032/8052/8752。雖然他們是8位的單片機(jī)，但是具有品種全、兼容性強(qiáng)性能價(jià)格比高等特點(diǎn)且軟硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)資料豐富齊全，已為我國(guó)廣大工程技術(shù)人員所熟悉和掌握。在20世紀(jì)80年代和90年代，MCS-51系列單片機(jī)是在我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)機(jī)型之一。中央微處理器 AT89C51： AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k By

3、tes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89C51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全

4、雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89C51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式。AT89S51單片機(jī)綜合了微型處理器的基本功能。按照實(shí)際需要，同時(shí)也考慮到設(shè)計(jì)成本與整個(gè)系統(tǒng)的精巧性，所以在本系統(tǒng)中就選用價(jià)格較低、工作穩(wěn)定的AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。單片機(jī)片內(nèi)組成結(jié)構(gòu)如圖：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單

5、片機(jī)，卻沒有給用戶提供一個(gè)通用的最小系統(tǒng)。由設(shè)計(jì)的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應(yīng)用在一些小的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)是:（1）全部I/O口線均可供用戶使用。 （2）內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限（只有4KB地址空間）。 （3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性單片機(jī)最小系統(tǒng)如上圖所示，其中有4個(gè)雙向的8位并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3，都可以用于數(shù)據(jù)的輸出和輸入，P3口具有第二功能為系統(tǒng)提供一些控制信號(hào)。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生MCS-51單片機(jī)工作所必須的時(shí)鐘控制信號(hào)，內(nèi)部電路在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，嚴(yán)格地按時(shí)序指令工作。MCS-51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片的

6、引腳XTAL1，輸出端為XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的微調(diào)電容通常選擇為30pF左右，該電容的大小會(huì)影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率為12MHz。把EA腳接高電平，單片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，但在PC值超過0FFFH（4Kbyte地址范圍）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。MCS-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)。采用最簡(jiǎn)單的外部按鍵復(fù)位電路。按鍵自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的來實(shí)現(xiàn)的.我們選用時(shí)鐘頻率為12MHz,C1取47f。3、系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)1）溫度采集模塊將T-DETECT接到AD

7、C0809的模擬信號(hào)輸入端IN-0端口，然后用T-CON控制電路加熱與否，接高電平時(shí)開始加熱。不需要進(jìn)行其他的控制。 AD590的介紹 AD590是AD公司利用PN結(jié)構(gòu)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器.（熱敏器件） AD590是美國(guó)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)，即：mA/K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(cè)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1

8、mA，相當(dāng)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(huì)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±0.3。 AD590溫度感測(cè)器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測(cè)器,它會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流,在8051的各種課本中?？吹剿?相當(dāng)常用到。 其規(guī)格如下： 溫度每增加1,它會(huì)增加1A輸出電流。 可量測(cè)范圍-55至150。 供應(yīng)電壓范圍+4V至30V。 AD590的輸出電流值說明如下： 其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度(-273)為基準(zhǔn),每增加1,它會(huì)增加1A輸出電流,因

9、此在室溫25時(shí),其輸出電流Io=(273+25)=298A。 Vo的值為Io乘上10K,以室溫25而言,輸出值為2.98V(10K×298A)。 量測(cè)Vo時(shí),不可分出任何電流,否則量測(cè)值會(huì)不準(zhǔn)。 AD590的輸出電流I=(273+T)A(T為攝氏溫度),因此量測(cè)的電壓V為(273+T)A ×10K= (2.73+T/100)V。為了將電壓量測(cè)出來又需使輸出電流I不分流出來,我們使用電壓追隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。 由于一般電源供應(yīng)較多零件之后,電源是帶雜訊的,因此我們使用齊納二極體作為穩(wěn)壓零件,再利用可變電阻分壓,其輸出電壓V1需調(diào)整至2.73V。 接下來我們使用差

10、動(dòng)放大器其輸出Vo為 (100K/10K)×(V2-V1)=T/10V。如果現(xiàn)在為攝氏28度,輸出電壓為2.8V。 AD590的封裝及其基本應(yīng)用電路： AD590內(nèi)部電路原理圖：2） 信號(hào)放大電路這部分電路主要起到I/V轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、與放大作用，電路如下：在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)?，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高

11、品質(zhì)的電容提供了前提保證。AD590是恒流輸出，其輸出電流剛好是1uA/K。在電路中用10K的電阻跟AD59串連，因此電阻兩電壓剛好就是0.01V/K。在零攝氏度時(shí)電阻兩端的電壓為2.73V然而模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809的輸入電壓為0-5V，分辨率為0.19。精度比較低，如果電壓跟隨直接與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊直接相連就會(huì)有很大誤差。所以還要經(jīng)過差分放大電路把電壓放大10倍。具體是把電壓跟隨器輸出電壓與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2.73V的相減然后再放大10倍。這樣做之后溫度每改變一攝氏度電壓就改變0.1V。這樣就可以送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換了。該電路的輸入端是兩個(gè)信號(hào)的輸入，這兩個(gè)信號(hào)的差值，為電路有效輸入信號(hào)，電路的輸

12、出是對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)之差的放大。設(shè)想這樣一種情景，如果存在干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號(hào)的有效輸入為零，這就達(dá)到了抗共模干擾的目的。一種單晶體管電流鏡像與適當(dāng)?shù)呢?fù)載相接合，其中結(jié)合了適當(dāng)?shù)拈_關(guān)集合，以實(shí)現(xiàn)比較器功能。具體地，差分電路包括單晶體管電流鏡像，所述單晶體管電流鏡像包括通過開關(guān)與晶體管相連的電容器以及通過各自獨(dú)立的開關(guān)與電流鏡像相連的兩個(gè)電流源，與電容器開關(guān)一起操作電流源之一的開關(guān)，以便充電電容器，并且操作另一個(gè)電流源的開關(guān)，以便所述電路作為具有電流源負(fù)載的源極跟隨放大器進(jìn)行操作。因此，晶體管特性的空間分布不會(huì)影響比較器功能。為了將電壓測(cè)量出來又務(wù)須使

13、輸出電流I不分流出來，我們使用電壓跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。由于一般電源供應(yīng)較多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調(diào)整至2.73V接下來我們使用差動(dòng)放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉(zhuǎn)換器，那么AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。電壓與溫度關(guān)系列表如下：攝氏溫度/AD590電流/uA經(jīng)10K電壓/V-10263.22.6320273.22.73210283.22.83220293.22.93230303.23.03

14、240313.23.13250323.23.23260333.23.332100373.23.7323）A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0809的三個(gè)I/O口分別為EOC、CLK和CS端口，其中CLK為時(shí)鐘、CS為片選、EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。其中，RD與WR分別與單片機(jī)的P3.6與P3.7口相連接，片選CS接地，CLK接500kHz的數(shù)字信號(hào)，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)未采用中斷模式，也未采用檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)，所以EOC可不接。本模塊采用的方案是根據(jù)ADC0809的時(shí)序圖，用單片機(jī)的P3.6和P3.7口分別控制ADC0809的RD與WR，使其在特定的時(shí)間內(nèi)不斷置位與復(fù)位。從而使ADC0809不斷重復(fù)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并

15、輸出給單片機(jī)。以單片機(jī)的P0口接收數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到變量temp中。 ADC0809介紹 AD590引腳圖（1） ADC0809的主要特點(diǎn) ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有模擬量通道選擇開關(guān)及相應(yīng)的通道鎖存、譯碼電路，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由三態(tài)鎖存器輸出，由于片內(nèi)沒有時(shí)鐘需外接時(shí)鐘信號(hào)。芯片的引腳如圖21-1,各引腳功能如下：IN0IN7：八路模擬信號(hào)輸入端。ADD-A、ADD-B、ADD-C：三位地址碼輸入端。CLOCK：外部時(shí)鐘輸入端。CLOCK輸入頻率范圍在101280KHz，典型值為640KHz，此時(shí)A/D轉(zhuǎn) 圖9 adc0809換

16、時(shí)間為100us。51單片機(jī)ALE直接或分頻后可與CLOCK相連。D0D7：數(shù)字量輸出端。OE：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出允許控制端。當(dāng)OE為高電平時(shí)，允許A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果從D0D7端輸出。 圖21-1 ADC0809引腳ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。八路模擬通道地址由A、B、C輸入，在ALE信號(hào)有效時(shí)將該八路地址鎖存。START：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。當(dāng)START端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，將進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC輸出高電平。Vref(+)、Vref(-)：正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端?；鶞?zhǔn)正電壓的典型值為+5V。（2）ADC0809芯片的工作原理 ADC0

17、809帶有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與IOCLOCK是獨(dú)立工作的，無需特殊的速度或相位匹配。當(dāng)CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸D端處于高阻狀態(tài)，此時(shí)IO CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時(shí)使用多片ADC0809時(shí)，共用IOcLOCK，以減少多路(片)AD使用時(shí)的IO控制端口。4) 顯示模塊在系統(tǒng)中要顯示溫度，就必須有顯示無器件，目前市場(chǎng)上顯示元器件很多，有LCD、點(diǎn)陣顯顯、7段數(shù)碼管顯示等。LED顯示器與LCD顯示器相比，LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢(shì)。LED與LCD的功耗比大約為10:1，而且更高的刷新速率使得LED在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，能提供寬達(dá)160°的

18、視角，可以顯示各種文字、數(shù)字、彩色圖像及動(dòng)畫信息，也可以播放電視、錄像、VCD、DVD等彩色視頻信號(hào)，多幅顯示屏還可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)播出。有機(jī)LED顯示屏的單個(gè)元素反應(yīng)速度是LCD液晶屏的1000倍，在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40度的低溫。利用LED技術(shù)，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的顯示器，擁有廣泛的應(yīng)用前景。由此可知LCD缺點(diǎn)是比較耗電,而且成本也較高。從節(jié)約成本和節(jié)約能源的角度作為出發(fā)點(diǎn)，我們選擇3個(gè)7段共陰數(shù)碼管作為溫度顯示，以便節(jié)約成本和功耗。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式：數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，

19、可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。在本設(shè)計(jì)任務(wù)書中采用的是動(dòng)態(tài)顯示方式。原因及原理介紹如下：動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a、b、c、d、e、f、g、dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的C

20、OM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。5） 鍵盤輸入模塊 鍵盤電路的設(shè)計(jì)如圖所示，用AT89S51的并行口P1接4×4矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作輸入線，以P1.4P1.7作輸出線；液晶顯示器上顯示每個(gè)按鍵的“0F”序號(hào)。對(duì)應(yīng)的按鍵的序號(hào)排列如下圖所示：下圖中微處理單元是AT89S51單片機(jī)，X1和X2接