溫度采集系統(tǒng)畢業(yè)課程設(shè)計

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)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(shù)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 IO 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(lǐng)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(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， 使計算機系統(tǒng)更小， 更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(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，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。早期的單片機都是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 MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)單片機系統(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，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，單片機技術(shù)得到了

3、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 位單片機迅速取代16 位單片機的高端地位，并且進入主流市場。 而傳統(tǒng)的 8 位單片機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)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(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上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和 Linux 操作系統(tǒng)。單片機

4、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, 而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了IO1設(shè)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(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。 同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(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(chǔ)的發(fā)展水平。在三大信息信息采集 ( 即傳感器技術(shù) ) 、信

5、息傳輸 ( 通信技術(shù) ) 和信息處理( 計算機技構(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， 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 90 年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ ATE）的結(jié)晶，特點是

6、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的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)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、總線標準化、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， AT89C51單片機為控制器構(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

7、，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(shè)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。22 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)生進一步學(xué)習(xí)與理解計算機控制系統(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）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

8、器上顯示當(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），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 AD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(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，

9、利用 AD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(shè)計框圖34 系統(tǒng)器件的選擇和性能介紹4.1 CPU 的選擇本次設(shè)計以 CPU選用 AT89C5l 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 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL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。AT89C51

10、的引腳結(jié)構(gòu)圖所圖示 ,其管腳說明如下：4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IO 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)地址的第八位。P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 IO 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

11、接收。5P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向 IO 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

12、阻的雙向 IO 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)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALEPROG：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

13、： 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。 在由外部程序存儲器取指期間， 每個機器周期兩次 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)。EAVPP：當(dāng) EA保持低電平時， 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

14、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。64.2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， 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。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

15、流的基本溫度敏感電路，當(dāng)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 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(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間

16、為100s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出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。7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 3。4.4 8255并行接口當(dāng)溫度通過 AD590后, 連續(xù)的物

17、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 PC4PC7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 , 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

18、 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。84.5 LED 介紹由

19、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(shè)計為8421 碼的方式顯示。轉(zhuǎn)換方法在程序中有所注明。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

20、 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。9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。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，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20 40 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

21、產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。10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，從而達到報警的目的。圖（ 8）溫度報警電路6 系統(tǒng)流程圖11圖（ 9）系統(tǒng)流程圖7 軟件程序設(shè)計PORTA EQU 020H；定義端口地址PORTB EQU 021HPORTC EQU 022H12PORTD EQU 023HDATA SEGMENTTABLEDB 40HDB 4

22、FHDB 24HDB 30HDB 19HDB 12HDB 02HDB 78HDB 00HDB 10HBUFDA1 DB ?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 PORTC,ALMOV AL,00OUT PORTC,AL；PC0 為 0，啟動 AD 轉(zhuǎn)換FIND:IN AL,PORTCTEST AL,010H13JNZ FIND；讀 PC4 的值，如為 1 則

23、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);*MOV 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;*DISPLAY:MOV BX,OFFSET TABLEMOV AL,DI+0XLAT；換碼MOV DX,PORTBOUT DX,ALMOV CX,30H；延遲程序DELAY:LOOP DELAYRET;*MOV CX,30HDISPLAY1

24、:MOV AL,06HOUT PORTD,AL14MOV 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 DISPLAY；使 LED1 工作MOV AL,07HOUT PORTD,ALMOV AL,05HOUT PORTD,ALMOV AL,02HOUT PORTD,ALMOV DI,OFFSET B

25、UFDA3CALL DISPLAY；使 LED2 工作LOOP DISPLAY1 ；延遲;*MOV AH,4CHINT 21HCODE ENDSEND START158 總結(jié)心得本課程設(shè)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 IO 以動態(tài)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

26、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)換和擴展 IO 有了更深入的了解。 對一些單片機原理及應(yīng)用有了更加深刻的認識。16附圖電路接線仿真圖25692569111101234567U3QQQQQQQQ74LS37301234567E EDDDDDDDDO L234781VREF(-)1612VREF(+)1nFU113GNDVCC11X119 XTAL1391710P0.0/AD02 -8LSBCLOCK3CRYSTALP0.1/AD138142 -7OUTPUT ENABLE937157C2P0.2/AD22 -6EOC18XTAL23686U6P0.3/A