單片機課程設(shè)計基于單片機的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1、單片機課程設(shè)計任務(wù)書題目：基于單片機的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計一設(shè)計要求1被測量溫度范圍：0500，溫度分辨率為0.5。2被測溫度點：4個，每2秒測量一次。3顯示器要求：通道號1位，溫度4位（精度到小數(shù)點后一位）。顯示方式為定點顯示和輪流顯示。4鍵盤要求：（1）定點顯示設(shè)定；（2）輪流顯示設(shè)定；（3）其他功能鍵。二設(shè)計內(nèi)容1單片機及電源管理模塊設(shè)計。 單片機可選用AT89S51及其兼容系列，電源管理模塊要實現(xiàn)高精密穩(wěn)壓輸出，為單片機及A/D轉(zhuǎn)換器供電。2傳感器及放大器設(shè)計。 傳感器可以選用鎳鉻鎳硅熱電偶（分度號K），放大器要實現(xiàn)熱電偶輸出的mV級信號到A/D輸入V級信號放大。3多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及A/D

2、轉(zhuǎn)換器設(shè)計。 多路開關(guān)可以選用CD4052，A/D可選用MC14433等。4顯示器設(shè)計。 可以選用LED顯示或LCD顯示。5鍵盤電路設(shè)計。 實現(xiàn)定點顯示按鍵；輪流顯示按鍵；其他功能鍵。6系統(tǒng)軟件設(shè)計。 系統(tǒng)初始化模塊，鍵盤掃描模塊，顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，標(biāo)度變換模塊等。引言：在生產(chǎn)和日常生活中，溫度的測量及控制十分重要，實時溫度檢測系統(tǒng)在各個方面應(yīng)用十分廣泛。消防電氣的非破壞性溫度檢測，大型電力、通訊設(shè)備過熱故障預(yù)知檢測，各類機械組件的過熱預(yù)警，醫(yī)療相關(guān)設(shè)備的溫度測試等等都離不開溫度數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子學(xué)技術(shù)也隨之迅猛發(fā)展，同時帶動了大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來

3、越廣泛。近年來單片機發(fā)展也同樣十分迅速，單片機已經(jīng)滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等各個領(lǐng)域，單片機以其體積小，可靠性高，造價低，開發(fā)周期短的特點被廣泛推廣與應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫度采集不僅耗時而且精度低，遠(yuǎn)不能滿足各行業(yè)對溫度數(shù)據(jù)高精度，高可靠性的要求。溫度的控制及測量對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到重要作用。在單片機溫度測量系統(tǒng)中關(guān)鍵是測量溫度，控制溫度和保持溫度。溫度測量是工業(yè)對象的主要被控參數(shù)之一。本此題目的總體功能就是利用單片機和熱敏原件實現(xiàn)溫度的采集與讀數(shù)，利用五位LED顯示溫度讀數(shù)和所選通道號，實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)溫度的精確測量。本設(shè)計是以Atmel公司的AT

4、89S51單片機為控制核心，通過MC14433模數(shù)轉(zhuǎn)換對所測的溫度進行數(shù)字量變化，且通過數(shù)碼管進行相應(yīng)的溫度顯示。采用微機進行溫度檢測，數(shù)字顯示，信息存儲及實時控制，對于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要作用。目錄：一、系統(tǒng)總體功能及技術(shù)指標(biāo)的描述5二、各模塊電路原理描述52.1單片機及電源模塊設(shè)計5 2.2、AT89S51引腳說明7 2.3、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計11 2.4、多路開關(guān)12 2.5、放大器15 2.6、A/D轉(zhuǎn)換器16 2.7、顯示器設(shè)計21 2.8、鍵盤電路設(shè)計22 2.9、電路總體設(shè)計圖22三、軟件流程圖 24四、 程序清單25五、設(shè)計總結(jié)及體會31六、參考資料32一、

5、系統(tǒng)總體功能及技術(shù)指標(biāo)的描述1. 系統(tǒng)的總體功能：溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度的采集與讀書，利用五位LED顯示溫度讀數(shù)和所選通道號，實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化的原理過程。被測量溫度范圍：0500，溫度分辨率為0.5。被測溫度點4個，每2秒測量一次。顯示器要求：通道號1位，溫度4位（精度到小數(shù)點后一位）。顯示方式為定點顯示和輪流顯示，可以通過按鍵改變顯示方式。2. 技術(shù)指標(biāo)要求：1被測量溫度范圍：0500，溫度分辨率為0.5。2被測溫度點：4個，每2秒測量一次。3顯示器要求：通道號1位，溫度4位（精度到小數(shù)點后一位）。顯示方式為定點顯示和輪流顯示。4鍵盤要求：（1）定點顯示設(shè)定；（2）輪流顯示設(shè)定；（3）其他功

6、能鍵。二、各模塊電路原理描述2.1單片機及電源模塊設(shè)計如圖所示為AT89S51芯片的引腳圖。兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)的AT89S51單片機是一個低功耗、高性能CHMOS的單片機，片內(nèi)含4KB在線可編程Flash存儲器的單片機。它與通用80C51系列單片機的指令系統(tǒng)和引腳兼容。AT89S51單片機片內(nèi)的Flash可允許在線重新編程，也可用通用非易失性存儲編程器編程；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)含128字節(jié)的RAM；有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口;具有兩個16位可編程定時器；中斷系統(tǒng)是具有6個中斷源、5個中斷矢量、2級中斷優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)；震蕩器頻率0到33MHZ，因此我們在此選用1

7、2MHZ的晶振是比較合理的；具有片內(nèi)看門狗定時器；具有斷電標(biāo)志POF等等。AT89S51具有PDIP、TQFP和PLCC三種封裝形式8。圖5.1-1 AT89S51引腳圖上圖就是PDIP封裝的引腳排列，下面介紹各引腳的功能。 2.2、AT89S51引腳說明P0口：8位、開漏級、雙向I/O口。P0口可作為通用I/O口，但須外接上拉電阻；作為輸出口，每各引腳可吸收8各TTL的灌電流。作為輸入時，首先應(yīng)將引腳置1。P0也可用做訪問外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器時的低8位地址/數(shù)據(jù)總線的復(fù)用線。在該模式下，P0口含有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時，P0口接收代碼字節(jié)數(shù)據(jù)；在編程效驗時，P0口輸出代碼字節(jié)

8、數(shù)據(jù)(需要外接上拉電阻)。P1口：8位、雙向I/0口，內(nèi)部含有上拉電阻。P1口可作普通I/O口。輸出緩沖器可驅(qū)動四個TTL負(fù)載；用作輸入時，先將引腳置1，由片內(nèi)上拉電阻將其抬到高電平。P1口的引腳可由外部負(fù)載拉到低電平，通過上拉電阻提供電流。在FLASH并行編程和校驗時，P1口可輸入低字節(jié)地址。在串行編程和效驗時，P1.5/MO-SI，P1.6/MISO和P1.7/SCK分別是串行數(shù)據(jù)輸入、輸出和移位脈沖引腳。 P2口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P2口用做輸出口時，可驅(qū)動4各TTL負(fù)載；用做輸入口時，先將引腳置1，由內(nèi)部上拉電阻將其提高到高電平。若負(fù)載為低電平，則通過內(nèi)部上拉電阻向外

9、部輸出電流。CPU訪問外部16位地址的存儲器時，P2口提供高8位地址。當(dāng)CPU用8位地址尋址外部存儲時，P2口為P2特殊功能寄存器的內(nèi)容。在FLASH并行編程和校驗時，P2口可輸入高字節(jié)地址和某些控制信號。P3口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向口。P3口用做輸出口時，輸出緩沖器可吸收4各TTL的灌電流；用做輸入口時，首先將引腳置1，由內(nèi)部上拉電阻抬位高電平。若外部的負(fù)載是低電平，則通過內(nèi)部上拉電阻向輸出電流。在與FLASH并行編程和校驗時，P3口可輸入某些控制信號。P3口除了通用I/O口功能外，還有替代功能，如表5.3-1所示。表5.3-1 P3口的替代功能引腳符號說明P3.0RXD串行口輸入P3

10、.1TXD串行口輸出P3.2/INT0外部中斷0P3.3/INT1外部中斷1P3.4T0T0定時器的外部的計數(shù)輸入P3.5T1T1定時器的外部的計數(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RST：復(fù)位端。當(dāng)振蕩器工作時，此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將系統(tǒng)復(fù)位。ALE/ ：當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）是一個用于鎖存地址的低8位字節(jié)的書粗脈沖。在Flash 編程期間，此引腳也可用于輸入編程脈沖（）。在正常操作情況下，ALE以振蕩器頻率的1/6的固定速率發(fā)出脈沖，它是用作對外輸出的時鐘，需要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖

11、。如果希望禁止ALE操作，可通過將特殊功能寄存器中位地址為8EH那位置的“0”來實現(xiàn)。該位置的“1”后。ALE僅在MOVE或MOVC指令期間激活，否則ALE引腳將被略微拉高。若微控制器在外部執(zhí)行方式，ALE禁止位無效。：外部程序存儲器讀選取通信號。當(dāng)AT89S51在讀取外部程序時， 每個機器周期 將PSEN激活兩次。在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過兩個信號。/Vpp：訪問外部程序存儲器允許端。為了能夠從外部程序存儲器的0000H至FFFFH單元中取指令，必須接地，然而要注意的是，若對加密位1進行編程，則在復(fù)位時，的狀態(tài)在內(nèi)部被鎖存。執(zhí)行內(nèi)部程序應(yīng)接VCC。不當(dāng)選擇12V編程電源時，

12、在Flash編程期間，這個引腳可接12V編程電壓。XTAL1：振蕩器反向放大器輸入端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器輸出端9。電源模塊設(shè)計在影響單片機系統(tǒng)可靠性的諸多因素中，電源干擾可謂首屈一指，據(jù)統(tǒng)計，計算機應(yīng)用系統(tǒng)的運行故障有90以上是由電源噪聲引起的。為了提高系統(tǒng)供電可靠性，交流供電應(yīng)采用交流穩(wěn)壓器，防止電源的過壓和欠壓，直流電源抗干擾措施有采用高質(zhì)量集成穩(wěn)壓電路單獨供電，采用直流開關(guān)電源，采用DC-DC變換器。本次設(shè)計決定采用MAXim公司的高電壓低功耗線性變換器MAX 1616作為電壓變換，采用該器件將輸入的24V電壓變換為5V電壓，給外圍5V的器件供電。MAX

13、1616具有如下特點：1.428V電壓輸入范圍。2.最大80uA的靜態(tài)工作電流。3.3V/5V電壓可選輸出。4.30mA輸出電流。5.2的電壓輸出精度。電源管理模塊電路圖如下：本電路采用該器件將輸入的24V電壓變成5V電壓，給外圍5V的器件供電，其中二極管D1是保護二極管，防止輸入電壓接反可能帶來的對電路的影響和破壞。2.3、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計數(shù)據(jù)采集是單片機測控系統(tǒng)的基本電路。數(shù)據(jù)采集的對象可以是溫度、壓力、流量、電壓等各種物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以是復(fù)雜的控制系統(tǒng)的一部分，也可以是配備了顯示輸出的獨立系統(tǒng)。模擬輸入通道的組成：1. 傳感器及放大器設(shè)計傳感器是把被測的物理量（如溫度，壓力等）作為

14、輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)為電量（電流，電壓，電阻等）輸出。本次設(shè)計采用鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K），放大器要實現(xiàn)熱電偶輸出的mV級信號到A/D輸入V級信號放大。2.4、多路開關(guān)多路開關(guān)采用CD4052。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用是可以利用A/D轉(zhuǎn)換器進行多路模擬量的轉(zhuǎn)換。利用多路開關(guān)輪流切換各被測回路與A/D轉(zhuǎn)換器，以達分時享用A/D轉(zhuǎn)換器的目的。CD4052的邏輯圖CD4052引腳圖CD4052/CC4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號可控制峰峰值至20V的模擬信號。例如，若V DD=+5V，VSS=0，

15、VEE=-13.5V，則05V的數(shù)字信號可控制-13.54.5V的模擬信號，這些開關(guān)電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)，當(dāng)INH輸入端=“1”時，所有通道截止。二位二進制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出。CD4052引腳功能說明引腳號符號功能1 2 4 5 IN/OUTY 通道輸入/輸出端11 12 14 15IN/OUTX 通道輸入/輸出端9 10A B地址端3OUT/INY 公共輸出/輸入端13OUT/INX 公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE模擬信號接地端8Vss數(shù)字信號接地端16VDD電源+2.5、放大器

16、本次設(shè)計采用TLC2712低功耗精密預(yù)算放大器，單電源供電，超低功耗，采用數(shù)字電位器X9c104和X9c504。進行信號的調(diào)零和滿量程調(diào)整。信號處理模塊電路2.6、A/D轉(zhuǎn)換器本次設(shè)計的轉(zhuǎn)換器采用MC14433。具體特點如下：MC14433是美國Motorola公司推出的單片3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：1.精度：讀數(shù)的0.05%1字2.模擬電壓輸入量程：1.99

17、9V和199.9mV兩檔3.轉(zhuǎn)換速率：2-25次/s4.輸入阻抗：大于1000M5.輸入阻抗：大于1000M6.功耗：8mW（5V電源電壓時，典型值）7.功耗：8mW（5V電源電壓時，典型值）MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計等各類數(shù)字化儀表及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。MC14433的引腳說明： 1. Pin1(VAG)模擬地，為高科技阻輸入端，被測電壓和基準(zhǔn)電壓的接入地。2. Pin2(VR)基準(zhǔn)電壓，此引腳為外接基準(zhǔn)電壓的輸入端。MC14433只要一個正基準(zhǔn)電壓即可測量正、負(fù)極性的電壓。此外，VR端只要加上一個大于5個時鐘周期的負(fù)脈沖(VR)，就能夠復(fù)為至轉(zhuǎn)換周期

18、的起始點。3. Pin3(Vx)被測電壓的輸入端，MC14433屬于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，因而被測電壓與基準(zhǔn)電壓有以下關(guān)系： 因此，滿量程的Vx=VR。當(dāng)滿量程選為1.999V，VR可取2.000V，而當(dāng)滿量程為199.9mV時，VR取200.0mV，在實際的應(yīng)用電路中，根據(jù)需要，VR值可在200mV2.000V之間選取。 4. Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接積分元件端。次三個引腳外接積分電阻和電容，積分電容一般選0.1uF聚脂薄膜電容，如果需每秒轉(zhuǎn)換4次，時鐘頻率選為66kHz，在2.000V滿量程時，電阻R1約為470k，而滿量程為200mV時，R1取27k。5. Pin7、P

19、in8(C01、C02)外接失調(diào)補償電容端，電容一般也選0.1uF聚脂薄膜電容即可。6. Pin9(DU)更新顯示控制端，此引腳用來控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。如果在積分器反向積分周期之前，DU端輸入一個正跳變脈沖，該轉(zhuǎn)換周期所得到的結(jié)果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開關(guān)選擇后輸出。否則繼續(xù)輸出上一個轉(zhuǎn)換周期所測量的數(shù)據(jù)。這個作用可用于保存測量數(shù)據(jù)，若不需要保存數(shù)據(jù)而是直接輸出測量數(shù)據(jù)，將DU端與EOC引腳直接短接即可。7. Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)時鐘外接元件端，MC14433內(nèi)置了時鐘振蕩電路，對時鐘頻率要求不高的場合，可選擇一個電阻即可設(shè)定時鐘頻率，時鐘頻率為66kHz時，外接電

20、阻取300k即可。若需要較高的時鐘頻率穩(wěn)定度，則需采用外接石英晶體或LC電路，參考附圖。 8. Pin12(VEE負(fù)電源端。VEE是整個電路的電壓最低點，此引腳的電流約為0.8mA，驅(qū)動電流并不流經(jīng)此引腳，故對提供此負(fù)電壓的電源供給電流要求不高。9. Pin13(Vss)數(shù)字電路的負(fù)電源引腳。Vss工作電壓范圍為VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有輸出端均以Vss為低電平基準(zhǔn)。10. Pin14(EOC)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志位。每個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時，EOC將輸出一個正脈沖信號。11. Pin15（OR非）過量程標(biāo)志位，當(dāng)|Vx|VREF時， 輸出為低電平。12. Pin16、17、18、19

21、(DS4、DS3、DS2、DS1)多路選通脈沖輸出端。DS1、DS2、DS3和DS4分別對應(yīng)千位、百位、十位、個位選通信號。當(dāng)某一位DS信號有效（高電平）時，所對應(yīng)的數(shù)據(jù)從Q0、Q1、Q2和Q3輸出，兩個選通脈沖之間的間隔為2個時鐘周期，以保證數(shù)據(jù)有充分的穩(wěn)定時間。13. Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD碼數(shù)據(jù)輸出端。該A/D轉(zhuǎn)換器以BCD碼的方式輸出，通過多路開關(guān)分時選通輸出個位、十位、百位和千位的BCD數(shù)據(jù)。同時在DS1期間輸出的千位BCD碼還包含過量程、欠量程和極性標(biāo)志信息，這些信息所代表的意義見下表。13. Pin24(VDD)正電源電壓端。數(shù)據(jù)采集模塊電路

22、如下圖2.7、顯示器設(shè)計五位共陽極LED顯示器，段選（a-h）由P0口控制，位選由P2.2-P2.7控制。數(shù)碼管由2N5401驅(qū)動。一位通道號，四位溫度顯示2.8、鍵盤電路設(shè)計鍵盤電路流程圖：2.9、電路總體設(shè)計圖系統(tǒng)流程圖三、軟件流程圖 四、 程序清單 #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit P33=P33;sbit P27=P27;sbit P26=P26;sbit P25=P25;sbit P24=P24;sbit P23=P23;sbit P22=P22;sbit cs=P35;sbit clk

23、=P21;sbit d0=P37;sbit di=P36;/MC14433控制端bit write;bit flag;bit channel;sbit sda=P34;sbit sck=P32;uint tcnt;uchar ucADC;void delay1(uint);void Delayms(unsigned char ucDelay); /延時unsigned char GetValue0832(bit Channel); /獲取MC14433的轉(zhuǎn)換值void Display(void); /數(shù)碼管顯示函數(shù)unsigned char LED= 0xC0,/*0*/0xF9,/*1*/0

24、xA4,/*2*/0xB0,/*3*/0x99,/*4*/0x92,/*5*/0x82,/*6*/0xF8,/*7*/0x80,/*8*/0x90,/*9*/;void delay();void start()/開始信號sda=1;delay();sck=1;delay();sda=0;delay();void stop()/結(jié)束信號sda=0;delay();sck=1;delay();sda=1;delay();void respons()/應(yīng)答uchar i;sck=1;delay();while(sda=1)&i250)i+;sck=0;delay();void init()/初始化

25、sda=1;delay();sck=1;delay();void write_byte(uchar date)/寫字節(jié)uchar i,temp;temp=date;for(i=0;i8;i+) temp=temp1;sck=0;delay();sda=CY;delay();sck=1;delay();sck=0;delay();sda=1;delay();uchar read_byte()/讀字節(jié)uchar i,k;sck=0;delay();sda=1;delay();for(i=0;i8;i+) sck=1;delay();k=(k1)|sda;sck=0;delay();return k

26、;void write_add(uchar address,uchar date)/寫入外存儲器中start();write_byte(0xa0);respons();write_byte(address);respons();write_byte(date);respons();stop();uchar read_add(uchar address)/從外存儲器中讀出數(shù)據(jù)uchar date;start();write_byte(0xa0);respons();write_byte(address);respons();start();write_byte(0xa1);respons();d

27、ate=read_byte();stop();return date;void display2(uchar a,uchar b)/顯示通道的函數(shù) P23=0;P0=LEDa;/Delayms(5);delay1(200);P23=1;P22=0;P0=LEDb;/Delayms(5);delay1(200);P22=1;uint keyscan() uchar temp; P33=0;temp=P2&0xf0;if(temp!=0xf0)Delayms(10);temp=P2&0xf0;if(temp!=0xf0)switch(temp)case 0x70:return 1;break;ca

28、se 0xb0:return 2;break;case 0xd0:return 3;break;case 0xe0:return 4;break;/主函數(shù)void main( void)uint num;write=0;flag=0;channel=0;init();ucADC=read_add(2);TMOD=0x01;ET0=1;EA=1;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;TR0=1;while(1)num=keyscan();switch(num)case 1:channel=0; break;case 2:channel=1; break;case 3:flag=1;break;case 4:flag=0;break;ucADC = GetValue0832(channel);Display();display2(channel,1);if(write=1)write=0;write_add(2