基于單片機(jī)的熱電偶變送器的設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計說明書 基于單片機(jī)的熱電偶變送器的設(shè)計THE RMOCOUPLE TRANSMITTER DESIGN BASED ON MCU 學(xué)院（部）： 專業(yè)班級: 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2013年 6月5日 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計7 基于單片機(jī)的熱電偶變送器的設(shè)計摘要 溫度測量是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分,在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。本論文主要由智能溫度測量儀表的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計兩個部分組成。在本論文中，首先設(shè)計了智能溫度測量儀表的硬件。智能測溫儀表硬件電路由五個主要部分組成:單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理電路、液晶顯示電路及鍵盤輸入。分別介紹了各組成部分的主

2、要所用芯片，并設(shè)計了其接口電路。整個軟件設(shè)計中主要包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計、鍵盤顯示子程序以及中斷等模塊，測溫程序適用于AT89S51單片機(jī)。分析了S-型熱電偶的基本原理，設(shè)計了S-型熱電偶的測溫電路，采用數(shù)字溫度傳感器AD590解決了S型熱電偶的冷端補(bǔ)償問題。在智能儀表的設(shè)計中,由于采用了單片機(jī)技術(shù),使得硬件電路大大簡化,而其軟件的強(qiáng)大功能又使儀表的性能得到了明顯提高,功能的擴(kuò)展也變得十分方便。關(guān)鍵詞：AT89S51單片機(jī)，溫度傳感器，熱電偶I THE RMOCOUPLE TRANSMITTER DESIGN BASED ON MCUABSTRACTTemperature measurement

3、 is an important part of modern testing technology, plays a key role in ensuring product quality, energy conservation and production safety.The paper consists of hardware design, the software design of intelligent temperature measuring instrument is composed of two parts. In this thesis, we design t

4、he intelligent temperature measuring instrument hardware. The hardware circuit of intelligent instrument is composed of five main parts: microcontroller, A/D conversion, signal processing circuit, display circuit and the keyboard input. Introduced the components of the main chip, and the design of i

5、ts interface circuit. Mainly includes system main program of the software design, the design of keyboard and display subroutine and interrupt module, temperature measurement program for AT89S51 microcontroller. Analysis of the basic knowledge of the S- type thermocouple thermocouple type S-, circuit

6、 design, the use of digital temperature sensor AD590 to solve the problem of S type thermocouple cold end compensation.In the design of intelligent instrument, because of the use of single-chip technology, which greatly simplify the hardware circuit, and the powerful function of the software is the

7、instrument performance is improved, the expansion of the function also is very convenient.KEYWORDS: AT89S51 microcontroller, temperature sensor, thermocoupleII目錄摘要（中文）I摘要（外文）II1 緒論11.1引言11.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.2.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀11.2.2發(fā)展趨勢21.3 本課題研究的主要內(nèi)容32系統(tǒng)總體設(shè)計42.1總體工作原理42.2總體結(jié)構(gòu)框圖43 系統(tǒng)硬件設(shè)計63.1溫度傳感器63.1.1熱電偶6

8、3.1.2集成溫度傳感器63.2 緩沖和隔離放大器73.3 AT89S51單片機(jī)93.3.1主要性能特點(diǎn)93.3.2 管腳說明93.3.3單片機(jī)復(fù)位電路113.4 A/D和D/A轉(zhuǎn)換133.4.1 ADC0809133.4.2 DAC0832153.5 鍵盤顯示電路173.5.1 8279芯片173.5.2基于8279的鍵盤顯示193.6報警電路193.7 電源電路204 系統(tǒng)軟件設(shè)計214.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計214.2 主程序214.3 中斷子程序224.4單片機(jī)處理程序234.5 鍵盤/顯示程序254.5.1 LED動態(tài)顯示子程序254.5.2鍵盤掃描子程序264.6 報警程序274.7

9、A/D轉(zhuǎn)換程序284.8程序清單29結(jié)論41參考文獻(xiàn)42致謝43II1 緒論1.1引言溫度測量是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分,在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。因此,能夠確?？焖?、準(zhǔn)確地測量溫度的技術(shù)及其裝置普遍受到各國的重視。近年來,利用智能化數(shù)字式溫度傳感器以實現(xiàn)溫度信息的在線檢測已成為溫度檢測技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。本文介紹的智能溫度檢測系統(tǒng),以智能化數(shù)字式溫度傳感器與微處理器有機(jī)結(jié)合,構(gòu)成了一種新型智能化溫度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有性能可靠、測溫準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等特點(diǎn),并兼具線路簡捷、使用靈活、抗干擾性好、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。 1

10、.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀熱電偶傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量準(zhǔn)確度較高、裸絲熱容量小、材料的互換性好等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶的起源可以追溯到19世紀(jì)初期，焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，可以將兩種不同的金屬焊接起來，為熱電偶元件的出現(xiàn)提供了工藝上的可能。1821年，德國物理學(xué)家塞貝克在實驗室研究電流與熱的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，即塞貝克效應(yīng)。在此之后，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，人們制成熱電偶，并將其廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中對溫度的測量。近二百年來，熱電偶傳感器大致經(jīng)歷了分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器和智能溫度傳感器3三個發(fā)展階段。傳統(tǒng)的熱電偶溫度傳感器即屬于分立式溫度傳感器，此類傳感器通常要配

11、溫度變送器，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的模擬量輸出信號。使用時需配上二次儀表，以便完成溫度測量及控制功能。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問世的，它是將熱電偶傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC，它屬于最簡單的一種集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測控，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。外圍電路簡單，模擬集成溫度傳感器在國內(nèi)外工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用目前極為普遍。智能溫度傳感器是在20世紀(jì)90年代中期問世的。智能溫度傳感器是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)的結(jié)晶，它也是集成溫度傳感器領(lǐng)域

12、中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。德國西門子公司于2000年推出ET-200系列產(chǎn)品，其中很重要的一個模塊就是專門用于熱電偶測溫的。可以任意使用模擬量、數(shù)字量輸入或輸出通道，具有128字節(jié)的地址輸入和輸出，傳輸速率可高達(dá)12Mbit/s，最多可接入64支熱電偶。和以往的熱電偶傳感器相比，它擺脫了傳統(tǒng)的一對一的測溫方式，采用了現(xiàn)場總線的設(shè)計方式，大大提高了使用性能。2009年7月，美國國家儀器有限公司新近推出的NI9213高通道熱電偶輸入模塊，可以從多達(dá)16個熱電偶傳感器中采集數(shù)據(jù)，并且每個通道的采樣率達(dá)到75HZ。如果將多個NI9213模塊裝入同一個機(jī)箱，可實現(xiàn)在一個數(shù)據(jù)采集平臺中對128個熱

13、電偶的測量。與其它測量器件相比具有占用空間少，提供通道多等優(yōu)點(diǎn)。1.2.2發(fā)展趨勢隨著工業(yè)生產(chǎn)效率的不斷提高，自動化水平與范圍也不斷擴(kuò)大，因而對溫度檢測技術(shù)的要求也愈來愈高，一般可以歸納以下幾方面。 (1)擴(kuò)展檢測范圍?，F(xiàn)在工業(yè)上通用的溫度檢測范圍為-2003000，而今后要求能測量超高溫與超低溫。尤其是液化氣體的極低溫度檢測更為迫切，如1OK以下的溫度檢測是當(dāng)前重點(diǎn)研究課題。 (2)擴(kuò)大測溫對象。溫度檢測技術(shù)將會由點(diǎn)測溫發(fā)展到線、面，甚至立體的測量。應(yīng)用范圍己經(jīng)從工業(yè)領(lǐng)域延伸到環(huán)境保護(hù)、家用電器、汽車工業(yè)及航天工業(yè)領(lǐng)域。(3)發(fā)展新型產(chǎn)品。利用老的檢測技術(shù)生產(chǎn)出適應(yīng)于不同

14、場合、不同工況要求的新型產(chǎn)品，以滿足于用戶需要。同時利用新的檢測技術(shù)制造出新的產(chǎn)品。 (4)適應(yīng)特殊環(huán)境的測溫。在許多場合中的溫度檢測器有特殊要求，例如防爆、防硫、耐磨等性能要求;又如移動物體和高速旋轉(zhuǎn)物體的測溫、鋼水的連續(xù)測溫、火焰溫度檢測等。 (5)顯示數(shù)字化。溫度儀表向數(shù)字化方向發(fā)展。其最大優(yōu)點(diǎn)是直觀、無度數(shù)誤差、分辨率高、測量誤差小，因而有廣闊的銷售市場。 (6)標(biāo)定自動化。應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，快速、準(zhǔn)確、自動地標(biāo)定溫度檢測器。根據(jù)上述要求，國內(nèi)外溫度儀表制造商將向以下幾方面發(fā)展。 (1)繼續(xù)生產(chǎn)量大面廣的傳統(tǒng)溫度檢測元件，如:熱電偶、熱電阻、熱敏電

15、阻等。(2)加強(qiáng)新原理、新材料、新工藝的開發(fā)。如近來己開發(fā)的炭化硅薄膜熱敏電阻溫度檢測器，厚膜、薄膜鉑電阻溫度檢測器，硅單晶熱敏電阻溫度檢測器等。 (3)向智能化、集成化、適用化方向發(fā)展。新產(chǎn)品不僅要具有檢測功能，又要具有判斷和指令等多功能，采用微機(jī)向智能化方向發(fā)展。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容本文介紹了溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計。本文采用單片機(jī)來實現(xiàn)對溫度的處理。它的主要組成部分有：AT89S51單片機(jī)、溫度傳感器、鍵盤與顯示電路、溫度報警電路。它可以實時的顯示和設(shè)定溫度報警值，實現(xiàn)對溫度的自動檢測。研究分析熱電偶的測溫原理，確定單片機(jī)的硬件設(shè)計，制定溫度測量設(shè)計方案，確定硬件并寫出程序。

16、硬件部分包括溫度傳感器、單片機(jī)接口及其應(yīng)用軟件。預(yù)期的效果及指標(biāo):1、測量并顯示溫度，且對所測溫度進(jìn)行監(jiān)控，即當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，報警。2、 解決熱電偶測量過程中冷端電勢不為零的問題。2系統(tǒng)總體設(shè)計2.1總體工作原理該系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如下：熱電偶把所測得的溫度經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到AT89S51單片機(jī)上，經(jīng)過51單片機(jī)處理查表，得到E（T,T0），然后溫度傳感器將所測得的冷端溫度發(fā)送到單片機(jī)上處理后，得到E（T0，0）,接著進(jìn)入單片機(jī)處理得到兩者之和再查表得到E（T,0）。本系統(tǒng)顯示器為點(diǎn)陣字符LCD，1602液晶模塊。本系統(tǒng)除了顯示溫度以外還可以設(shè)置一個溫度值，對所測溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)溫度

17、高于設(shè)定溫度時，開始報警。2.2總體結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計系統(tǒng)包括溫度傳感器，信號放大電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理與控制模塊，溫度顯示五個部分。溫度傳感器溫度放大器測量放大器AD轉(zhuǎn)換器輸出被控部分放大器DA轉(zhuǎn)換器單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤與顯示打印機(jī)PC機(jī)圖2-1總體設(shè)計框圖信號輸入部分包括熱電偶和AD590及其各自的隔離放大電路。圖2-2 信號輸入部分總體設(shè)計3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1溫度傳感器3.1.1熱電偶鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600，性能穩(wěn)定，可測量的溫度范圍寬，耐用且使用壽命長等多個優(yōu)點(diǎn)。它的物理，化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性

18、及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。3.1.2集成溫度傳感器集成溫度傳感器按輸出信號可分為電壓型和電流型兩種，其輸出電壓或電流與絕對溫度成線性關(guān)系。電壓型集成溫度傳感器一般是三線制，其溫度系數(shù)約為10mV/，電流 型集成溫度傳感器一般為兩線制，其溫度系數(shù)越為0.001 mV/K，常用的有LM134/234、TMP17、AK590、AD592等，電流型傳感器信號適合于遠(yuǎn)距離傳輸而無衰變。本次設(shè)計用到電流型兩線制集成溫度傳感器AD590（0時為0.2732mA）。AD590屬于電流型集成溫度傳感器，電流型集成溫度傳感器是一個輸出電流與溫度成比例的電流源，由于電流很容易變成電壓，因此這

19、種傳感器應(yīng)用十分方便。要指出的是，AD590集成溫度傳感器的輸出電流是整個電路的電源電流，而這個電流與施加在這個在這個電路上的電源電壓幾乎無關(guān)。基本使用方法如下： 圖3-1 集成溫度傳感器AD590AD590的輸出電流值說明如下：其輸出電流是以絕對溫度零度（-273）為基準(zhǔn)，每增加1，它會增加1A輸出電流，因此在室溫25時，其輸出電流Iout=（273+25）=298A。它的主要特性如下：a、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：Ir/T=1mA/K式中：Ir流過器件（AD590）的電流，單位為mA； T熱力學(xué)溫度，單位為K。b、AD590的測溫范圍為-55+1

20、50。c、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(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被損壞。集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流和電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它除了與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣有體積小反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)外，還具有線形好、性能高、價格低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，雖然由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制，只能用來測150以下的溫度，但在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用3.2 緩沖和隔離放大器本設(shè)計中在AD590測得溫度后，經(jīng)

21、過一個光耦隔離器和比例放大器。如圖3-2和3-3所示：圖3-2 光耦隔離器圖3-3 比例放大器 此外，S型熱電偶經(jīng)過HCPL-7840芯片進(jìn)行信號的隔離和放大。圖3-4是它的原理框圖。圖3-4 HCPL-7840A7840（HCPL-7840）的工作參數(shù)：輸入側(cè)、輸出側(cè)的供電典型值為5V，輸入電阻480k，最大輸入電壓320mV；差分信號輸出方式。內(nèi)部輸入電路有放大作用，且為高阻抗輸入，能不失真?zhèn)鬏攎V級交、直流信號，輸出信號作為后級運(yùn)算放大器差分輸入信號。具有1000倍左右的電壓放大倍數(shù)。典型應(yīng)用，常與后級運(yùn)算放大器配合，對微弱（交、直）電壓信號進(jìn)行放大和處理。 2、3腳為信號輸入

22、腳，1、4腳為輸入側(cè)供電端；6、7腳為差分信號輸出腳，8、5腳為輸出側(cè)供電端。 在線檢測方法：可將內(nèi)部電路看作是一只“整體的運(yùn)算放大器”，2、3腳為同相、反相輸入端，7、6腳為信號輸出端。當(dāng)短接2、3腳（使輸入信號為零）時，6、7腳之間輸出電壓也為零。當(dāng)2、3腳有mV級電壓輸入時，6、7腳之間有“放大了的”比例電壓輸出。3.3 AT89S51單片機(jī)AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易

23、失性存儲技術(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存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。3.3.1主要性能特點(diǎn)1、4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器；2、128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；3、32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；4、2個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷；5、6個中斷源；6、2個16位可編程定時器/計數(shù)器；7、2個全雙工串行通信口；8、看門狗（WDT）電路；9、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；10、與MCS-51兼容；11、全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz；12、三級程序存儲器

24、保密鎖定；13、可編程串行通道；14、低功耗的閑置和掉電模式。3.3.2 管腳說明VCC：電源電壓輸入端。GND：電源地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫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)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。圖3-5  PDIP封裝的AT89S51管腳圖P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O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

25、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口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”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。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

26、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I/O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口除了作為普通I/O口，還有第二功能：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（T0定時器的外部計數(shù)輸入）P3.5 T1（T1定時器的外部計數(shù)輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通）P3口同時為閃爍

27、編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。89S51的P0、P1、P2、P3口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。除了P1口外P0、P2、P3口都還有其他的功能。RST：復(fù)位輸入端，高電平有效。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。ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖信號端。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低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸

28、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1/6。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MOVX，MOVC指令時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，低電平有效。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信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：外部程序存儲器訪問允許。當(dāng)/EA保持

29、低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-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：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。51內(nèi)部有一個用于構(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引腳XTAL1，輸出端為XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成了一個穩(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，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的

30、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。3.3.3單片機(jī)復(fù)位電路為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.755.25V。由于單片電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復(fù)位信號才被撤除，單片機(jī)電路開始正常工作。目前為止，單片機(jī)復(fù)位電路主要有三種類型：（1）微分型復(fù)位電路；（2）積分型復(fù)位電路；（3）看門狗型復(fù)位電路。單片機(jī)在啟動時都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的

31、初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。AT89S51單片機(jī)的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機(jī)器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位，還需要看門狗型復(fù)位電路。1、手動按鈕復(fù)位手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的

32、時間要求。2、上電復(fù)位AT89S51的上電復(fù)位電路如圖3-6所示，只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到地即可。對于CMOS型單片機(jī)，由于在RST端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至1uF。上電復(fù)位的工作過程是在加電時，復(fù)位電路通過電 容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，Vcc的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時間為1ms；晶

33、振頻率為1MHz，起振時間則為10ms。當(dāng)Vcc掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復(fù)位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。圖3-6 復(fù)位電路3、看門狗型復(fù)位電路. 看門狗型復(fù)位電路主要利用CPU正常工作時,定時復(fù)位計數(shù)器,使得計數(shù)器的值不超過某一值;當(dāng)CPU不能正常工作時,由于計數(shù)器不能被復(fù)位,因此其計數(shù)會超過某一值,從而產(chǎn)生復(fù)位脈沖,使得CPU恢復(fù)正常工作狀態(tài)

34、.此復(fù)位電路的可靠性主要取決于軟件設(shè)計,即將定時向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處.一般設(shè)計,將此段程序放在定時器中斷服務(wù)子程序中.然而,有時這種設(shè)計仍然會引起程序走飛或工作不正常.原因主要是:當(dāng)程序"走飛"發(fā)生時定時器初始化以及開中斷之后的話,這種"走飛"情況就有可能不能由Watchdog復(fù)位電路校正回來.因為定時器中斷一真在產(chǎn)生,即使程序不正常,Watchdog也能被正常復(fù)位.為此提出定時器加預(yù)設(shè)的設(shè)計方法.即在初始化時壓入堆棧一個地址,在此地址內(nèi)執(zhí)行的是一條關(guān)中斷和一條死循環(huán)語句.在所有不被程序代碼占用的地址盡可能地用子程序返回指令RET代替.這樣,

35、當(dāng)程序走飛后,其進(jìn)入陷阱的可能性將大大增加.而一旦進(jìn)入陷阱,定時器停止工作并且關(guān)閉中斷,從而使Watchdog復(fù)位電路會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖將CPU復(fù)位.當(dāng)然這種技術(shù)用于實時性較強(qiáng)的控制或處理軟件中有一定的困難。AT89S51中含有看門狗復(fù)位電路。3.4 A/D和D/A轉(zhuǎn)換3.4.1 ADC0809ADC0809引腳圖如圖3-7所示：圖3-7 ADC0809引腳圖ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如上圖所示。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

36、允許信號，輸入，高電平有效。START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D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(dāng)A/D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(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一+5V。GND：地。ADC0809有8路模擬開關(guān)，由AD590得到的信號輸入進(jìn)IN0口，由熱電偶得到的信號輸入進(jìn)

37、IN1口。A口接單片機(jī)的P1.1引腳，BC口接地。8路模擬輸入介入單片機(jī)P0口。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行。圖3-8 ADC0809與單片機(jī)的連接3.4.2 DAC0832DAC0809引腳圖如圖3-9所示：圖3-9 DAC0832引腳圖D0D7：數(shù)字信號輸入端。ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。CS：片選信號，低電平有效。WR1：寫信號1，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。WR2：寫信號2，低電平有效。IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。Rfb：是集成在片內(nèi)的外接運(yùn)

38、放的反饋電阻。 Vref：基準(zhǔn)電壓（-1010V）。Vcc：是源電壓（+5+15V）。AGND：模擬地 NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。圖3-10 DAC0832與單片機(jī)的連接圖如果實際應(yīng)用系統(tǒng)中要求輸出模擬電壓為雙極性，則需要用轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)。其中 R2=R3=2R1VOUT= 2×VREF×D/256 VREF= (2D/2561)VREFD = 0， VOUT= VREF；D = 128， VOUT= 0；D = 255， VOUT= (2×255/2561)×VREF= (254/255)VREF即：輸入數(shù)字為0255時，輸出電壓在 V

39、REF + VREF之間變化。在工業(yè)控制和許多傳感器的應(yīng)用電路中,摸擬信號輸出時,一般是以電壓輸出。在以電壓方式長距離傳輸模擬信號時,信號源電阻或傳輸線路的直流電阻等會引起電壓衰減,信號接收端的輸入電阻越低,電壓衰減越大。為了避免信號在傳輸過程中的衰減,只有增加信號接收端的輸入電阻,但信號接收端輸入電阻的增加,使傳輸線路抗干擾性能降低,易受外界干擾,信號傳輸不穩(wěn)定,這樣在長距離傳輸模擬信號時,不能用電壓輸出方式,而把電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。另外許多常規(guī)工業(yè)儀表中,以電流方式配接也要求輸出端將電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。V/I轉(zhuǎn)換器就是把電壓輸出信號轉(zhuǎn)換成電流輸出信號,有利于信號長距離傳輸。V/I轉(zhuǎn)

40、換器可由晶體管等多種器件組成。圖3-11 V/I轉(zhuǎn)換電路3.5 鍵盤顯示電路 3.5.1 8279芯片8279引腳圖如圖3-12所示圖3-12 8279引腳圖8279包括鍵盤輸入和顯示輸出兩部分。鍵盤部分提供掃描工作方式，可以接64鍵行列矩陣鍵盤，也可以與傳感器陣列相連，能夠自動去抖動，識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，并具有雙鍵同時按下保護(hù)及N鍵同時按下保護(hù)功能。顯示部分可為LED或LCD七段顯示器，提供了按掃描方式工作的接口，為顯示器提供多路復(fù)用驅(qū)動信號，可顯示8位和16位字符，屬動態(tài)顯示技術(shù)，省電、省元件，又可保證足夠的顯示時間，適合人眼觀察和大腦記憶。（1）I/O控制和數(shù)據(jù)緩沖器AD0AD7為地

41、址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器將內(nèi)部總線和外部總線AD0AD7連接，用于傳送CPU和8279之間的命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)。（2）控制邏輯定時控制含有一些計數(shù)器，其中有一個可編程的5位計數(shù)器，對外部輸入時鐘CLK進(jìn)行分頻，產(chǎn)生100kHz的內(nèi)部定時信號。外部時鐘輸入信號的周期不小于500ns。控制與定時寄存器用以存儲鍵盤及顯示器的工作方式，鎖存操作命令，通過譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，使8279的各個部件完成一定的控制功能。（3）鍵輸入控制鍵輸入控制部件完成對鍵盤的自動掃描，鎖存RL0RL7的鍵輸入信息，搜索閉合鍵，去除鍵的抖動，并將鍵盤輸入數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部先進(jìn)先出（FIFO）存儲器RAM。（4）掃描計

42、數(shù)器掃描計數(shù)器有兩種輸出方式。一種為外部譯碼方式（也稱編碼方式），計數(shù)器以二進(jìn)制方式計數(shù)，4位計數(shù)狀態(tài)從掃描線SL0SL3輸出，經(jīng)外部譯碼器譯碼出16位掃描線；另一種為內(nèi)部譯碼方式（也稱譯碼方式），即掃描計數(shù)器的低二位經(jīng)內(nèi)部譯碼器后從SL0SL3輸出。（5）FIFO RAM和顯示緩沖RAM8279具有8個先進(jìn)先出（FIFO）的鍵輸入緩沖RAM單元，并提供16字節(jié)的顯示緩沖RAM。8279將段碼寫入顯示緩沖RAM，自動對顯示器掃描，將其內(nèi)部顯示緩沖RAM中的數(shù)據(jù)在顯示器上顯示出來。3.5.2基于8279的鍵盤顯示鍵盤是單片機(jī)常用輸入設(shè)備，在按鍵數(shù)量較多時，為了節(jié)省I/O口等單片機(jī)資源，一般采取掃

43、描的方式來識別到底是哪一個鍵被按下。即通過確定被按下的鍵處在哪一行哪一列來確定該鍵的位置，獲取鍵值以啟動相應(yīng)的功能程序。查找哪個按鍵被按下的方法：一個一個地查找。先第一行輸出0，檢查列線是否非全高；否則第二行輸出0，檢查列線是否非全高；否則第三行輸出0，檢查列線是否非全高；如果某行輸出0時，查到列線非全高，則該行有按鍵按下；根據(jù)第幾行線輸出0與第幾列線讀入為0，即可判斷在具體什么位置的按鍵按下。 圖3-13 鍵盤顯示電路圖3.6報警電路蜂鳴器驅(qū)動電路一般都包含以下幾個部分：一個三極管、一個蜂鳴器、一個續(xù)流二極管和一個電源濾波電容。圖3-14 蜂鳴器電路由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片

44、機(jī)的I/O 口是無法直接驅(qū)動的（但AVR可以驅(qū)動小功率蜂鳴器），所以要利用放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。3.7 電源電路78XX系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖3-15所示。IC采用集成穩(wěn)壓器78XX，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電流較大時，78XX應(yīng)配上散熱板。圖3-15 電源電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計整個溫度檢測系統(tǒng)是在程序控制下工作的，該系統(tǒng)的軟件全部采用匯編語言編寫，以提高系統(tǒng)的快速性和實時性。其設(shè)計方法與硬件設(shè)計相對應(yīng)，同樣采用模塊化的設(shè)計思想，將該部分設(shè)計劃分為相應(yīng)的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計、編制和調(diào)試，最后通過主

45、程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。整個軟件系統(tǒng)主要有以下幾部分:主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)度變換處理及鍵盤顯示等程序。4.2 主程序主程序的內(nèi)容一般包括：主程序的起始地址、中斷服務(wù)程序的起始地址、有關(guān)內(nèi)存單元及相關(guān)部件的初始化和一些子程序調(diào)用等。(1）程序的起始地址： 51系列單片機(jī)復(fù)位后，（PC）=0000H，而0003H002BH分別為各中斷源的入口地址。所以，編程時應(yīng)在000H處寫一條跳轉(zhuǎn)指令。當(dāng)CPU接收到中斷請求信號并予以響應(yīng)后，CPU把當(dāng)前的PC內(nèi)容壓入棧中進(jìn)行保護(hù)，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口處執(zhí)行。一般應(yīng)在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序

46、入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，并以跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址作為中斷服務(wù)程序的起始地址進(jìn)行編程。(2）主程序的初始化內(nèi)容：所謂初始化，是對將要用到的MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定。MCS-51系列單片機(jī)復(fù)位后，特殊功能寄存器IE、IP的內(nèi)容均為00H，所以應(yīng)對IE、IP進(jìn)行初始化編程。在本設(shè)計中，使用了四個中斷： T0中斷：采用T0定時中斷工作方式，完成LED動態(tài)掃描。 INT0中斷：采用外部中斷工作方式，完成時間調(diào)整功能。 INT1中斷：采用外部中斷工作方式，完成鬧鐘時間輸入功能。同時還要對一些存儲單元進(jìn)行初始化，這些內(nèi)容都需要在初始化程序中來完成。參看MAIN標(biāo)號地址到LOP

47、標(biāo)號地址之間的內(nèi)容。 圖4-1 主程序流程圖4.3 中斷子程序AT89S51單片的中斷系統(tǒng)有6個中斷請求源，用戶可以用關(guān)中斷指令“CLR EA”來屏蔽所有的中斷請求，也可以用開中斷指令“SET EA”來允許CPU接收中斷請求。響應(yīng)中斷后，就進(jìn)入中斷服務(wù)程序，中斷程序的基本流程圖如圖4-2： 圖4-2 中斷服務(wù)程序基本流程4.4單片機(jī)處理程序單片機(jī)程序包括單片機(jī)處理子程序，查表子程序，數(shù)據(jù)濾波子程序。單片機(jī)數(shù)據(jù)處理主要是分別將熱電偶和AD590測得的溫度值轉(zhuǎn)化為電勢，結(jié)果相加從而得到真實溫度。查表子程序是為了熱電勢和溫度值之間的互換，由溫度得到相應(yīng)的電勢。數(shù)據(jù)濾波子程序是采樣五次后去掉最大最小值

48、取平均值，去除干擾。 圖4-3 單片機(jī)子程序流程圖 圖4-4 查表子程序流程圖圖4-5 數(shù)據(jù)濾波子程序流程圖4.5 鍵盤/顯示程序4.5.1 LED動態(tài)顯示子程序在采用動態(tài)掃描顯示方式時，要使得LED顯示得比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率。當(dāng)掃描頻率在70Hz左右時，能夠產(chǎn)生足夠的圖形和較好的顯示效果。一般可以采用間隔10ms對LED進(jìn)行動態(tài)掃描一次。每一位LED的顯示時間為1ms。程序流程如圖4-6。圖4-6 LED動態(tài)掃描程序的程序流程圖本設(shè)計中，采用硬件定時和軟件定時并用的方式，即用T0溢出中斷功能實現(xiàn)10ms定時，通過軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)1ms的定時。從顯示緩沖區(qū)分別取出4

49、位LED顯示器顯示數(shù)據(jù)的位碼和段碼，送到P1斷口，依次顯示每一位，每一位的顯示時間為1ms，顯示4位需要4ms的時間。在設(shè)置當(dāng)前時間或輸入鬧鐘時間時，當(dāng)前調(diào)整位應(yīng)具有閃爍（眨眼）功能，用來提示當(dāng)前調(diào)整位是哪一位。因此，在每一位顯示之前都要進(jìn)行判斷，該位是否為閃爍位，然后決定進(jìn)行正常顯示還是閃爍顯示。LED顯示器每一位的顯示時間是1ms，延時1ms子程序是軟件定時程序。2）定時器T0的記數(shù)初值計算。設(shè)時鐘頻率為6MHz，1個機(jī)器周期時間=2s。T0定時器產(chǎn)生10ms的定時，可以計算出記數(shù)值和記數(shù)初值X X=655365000=1536=EC78H即有 TH0=0ECH TL0=78H 工作方式寄存器 TMOD=0000 0001B=01HT0定時器以工作方式1完成定時。4.5.2鍵盤掃描子程序矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是4&