溫度采集系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 單片機概述</p><p>　　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I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅

2、片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。</p><p>　　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)控制領域。單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按

3、照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。</p><p>　　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)。基于這一系統(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用。90年代后隨著消費電子產品大發(fā)

4、展，單片機技術得到了巨大提高。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。當代單片機系統(tǒng)已經不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式

5、操作系統(tǒng)被廣泛應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)。</p><p>　　單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應用。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。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。

6、它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。</p><p>　　1.2 溫度采集設計背景</p><p>　　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)代信息基礎的發(fā)展水平。在三大信息信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技

7、術)和信息處理(計算機技構中，傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器技術，在我國各領域己經引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領域，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關，在工業(yè)生產過程中需要實時測量溫度，在農業(yè)生產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。</p><p>　　測量溫度的關鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經歷了三個發(fā)展階段</p><p>

8、;　?、賯鹘y(tǒng)的分立式溫度傳感器</p><p>　?、谀M集成溫度傳感器</p><p><b>　?、壑悄軠囟葌鞲衅?lt;/b></p><p>　　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、計算機技術和自動測試技術（ATE）的結晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)

9、。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上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網絡化的方向飛速發(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)虛擬傳感器和網絡傳感器、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的結構特征及控制方法，它是美國ANALO G DEV ICES公司的單片集成兩端感溫電流源，并對以此傳感器，AT89C51單片機為控制器構成的數(shù)字溫度測量裝置的

10、工作原理及程序設計作了詳細的介紹。與傳統(tǒng)的溫度計相比，其具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，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。</p><p>　　2 設計目的任務和要求</p><p><b>　　2.1 設計目的</b&

11、gt;</p><p>　　本設計包括確定控制任務、系統(tǒng)總體方案設計、硬件系統(tǒng)設計、軟件程序的設計等，使學生進一步學習與理解計算機控制系統(tǒng)的構成原理、接口電路與應用程序，鞏固與綜合專業(yè)基礎知識和相關專業(yè)課程知識，提高學生運用理論知識解決實際問題的實踐技能；</p><p><b>　　2.2 設計任務</b></p><p>　　以8086

12、CPU （或單片機）為核心設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顯示器上顯示當前溫度。</p><p><b>　　2.3 設計內容</b></p><p>　　本設計所用器件主要有傳感器，A/D轉換器，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換為電壓，輸入A/D轉換器中進行轉換，

13、然后再把得到的二進制數(shù)經過CPU在LED上顯示出來。</p><p>　　3 系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　3.1 方案設計 </p><p>　　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，它是一種半導體感受式的，由測溫電阻、二極管和集

14、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A/D轉換器即ADC0809轉換后，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。</p><p>　　3.2 總體設計框圖</p><p>　　4 系統(tǒng)器件的選擇和性能介紹</p><p>　　4.1 CPU的選擇</p><p>

15、　　本次設計以CPU選用AT89C5l作為控制芯片．AT89C51的結構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的引腳結構圖所圖示, 其管腳說

16、明如下：</p><p>　　圖（1）AT89C51管腳圖</p><p>　　VCC：供電電壓。     </p><p>　　GND：接地。    </p><p>　　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P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高

17、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。</p><p>　　P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的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。   </p><p&

18、gt;　　P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，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。這是由于內部上拉的緣故。P2口當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，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(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容

19、。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。    </p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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。 </p>

20、;<p>　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。  </p><p>　　RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 </p><p>　　ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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

21、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。   </p><p>　　/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。

22、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)。    </p><p>　　/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引

23、腳也用于施加12V編程電源（VPP）。   </p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。   </p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 </p><p>　　4.2 溫度傳感器</p><p>　　AD590是一種單片集成的兩端式溫度敏感電流源，它

24、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，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。</p><p>　　圖（2）傳感器工作原理圖</p><p>　　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，當溫度有1

25、0℃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A/D轉換器轉換成數(shù)字量。</p><p>　　4.3 A/D轉換器</p><p>　　模數(shù)轉換采用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，轉換結束后，CPU執(zhí)行一條輸入指令，從而產生讀

26、信號，將數(shù)據(jù)從A/D轉換器取出。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉換器，CMOS工藝，可實現(xiàn)8路模擬信號的分時采集，片內有8路模擬選通開關，以及相應的通道地址鎖存譯碼電路，其轉換時間為100µs左右。</p><p>　　ADC0809內部結構如圖所示，圖中多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換，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

27、，其譯碼輸出用于通道選擇。8位A/D轉換器是逐次逼近式，由控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關以及256R電阻階梯網絡等組成。輸出器用于存放和輸出轉換得到的數(shù)字量。</p><p>　　圖（3）A/D轉換器工作原理圖</p><p>　　因為所選的AD0809所轉換的電壓范圍不大,這樣一來,當所采集的溫度是0時,轉換的電壓量是0V,通過A/D轉換后所對應的數(shù)字量是00000000。當采

28、集的溫度是255℃時,所轉換的電壓量是10V, 通過A/D轉換后所對應的數(shù)字量是11111111。這樣看來,從A/D輸出的數(shù)字量和顯示的溫度是一一對應的。假如數(shù)字量是00000011時,通過8255A編程就可在顯示器上顯示3℃。</p><p>　　4.4 8255并行接口</p><p>　　當溫度通過AD590后,連續(xù)的物理量轉換為連續(xù)的電壓量,電壓信號輸入到A/D</p>

29、;<p>　　模擬信號輸入端。當工作時,CPU用輸出指令將PC0置零,使B/C端得到一個低電平從而啟動轉換。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A/D轉換。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的控制下顯示當前溫度。&l

30、t;/p><p>　　8255A方式0的工作特點：</p><p>　　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，需要有應答信號。但是，在方式0情

31、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。</p><p>　　4.5 LED介紹</p><p>　　由于輸出的電壓量范圍是0~5V即轉換為數(shù)字量后為0~FF之間。所以，要使溫</p>&l

32、t;p>　　度表范圍為0~85℃，需把0~FF除以3。經過CPU未經處理過的數(shù)值是以ASCII碼的方顯示在電腦屏幕上的，還需將ASCII碼轉換成十進制顯示。為了便于讀數(shù)。在LE燈上的顯示將設計為8421碼的方式顯示。轉換方法在程序中有所注明。</p><p>　　圖（4）LED實物圖</p><p>　　5 系統(tǒng)整體硬件電路</p><p><b>

33、;　　5.1 主板電路</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　5.2 顯示電路</b></p><p>　　顯示電

34、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。</p><p>　　圖（5）LED電路顯示圖 </p><p><b>　　5.3 分頻電路</b></p><p>　　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

35、時鐘信號使用。</p><p>　　圖（6）ADC0809芯片的分頻電路</p><p>　　5.4 時鐘電路設計</p><p>　　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 。微控制器內部有一個高增益運算放大器和一個反饋電阻器，當外接晶振

36、后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。</p><p>　　圖（7）晶振電路原理圖</p><p>　　5.5 溫度報警電路</p><p>　　本設計的發(fā)揮部分，是加入了報警，如果我們所設計的系統(tǒng)是監(jiān)控某一設備，當設備的溫度達到我們所設定的溫度值時，系統(tǒng)會產生報警.報警時由單片機產生一定頻率的脈沖，由P2.7引腳輸出，P2.7外接一只PNP的三極管來驅動楊聲

37、器發(fā)出聲音，以便操作員來維護，從而達到報警的目的。</p><p>　　圖（8）溫度報警電路</p><p><b>　　6 系統(tǒng)流程圖</b></p><p><b>　　圖（9）系統(tǒng)流程圖</b></p><p><b>　　7 軟件程序設計</b></p>

38、<p>　　PORTA EQU 020H ；定義端口地址</p><p>　　PORTB EQU 021H</p><p>　　PORTC EQU 022H</p><p>　　PORTD EQU 023H</p><p>　　DATA SEGMENT</p><p>　　TABLE DB

39、40H</p><p><b>　　DB 4FH </b></p><p><b>　　DB 24H </b></p><p><b>　　DB 30H </b></p><p><b>　　DB 19H </b></p><p>

40、<b>　　DB 12H </b></p><p><b>　　DB 02H </b></p><p><b>　　DB 78H </b></p><p><b>　　DB 00H </b></p><p><b>　　DB 10H </b

41、></p><p>　　BUFDA1 DB ? </p><p>　　BUFDA2 DB ?</p><p>　　BUFDA3 DB ?</p><p><b>　　DATA ENDS</b></p><p>　　CODE SEGMENT</p><p>　　ASSU

42、ME CS:CODE,DS:DATA</p><p>　　START: MOV AX,DATA</p><p><b>　　MOV DS,AX</b></p><p>　　MOV AL,98H</p><p>　　OUT PORTD,AL ；8255的初始化</p><p>　　;******

43、***********************</p><p>　　MOV AL,01 </p><p>　　OUT PORTC,AL</p><p><b>　　MOV AL,00</b></p><p>　　OUT PORTC,AL ；PC0 為0，啟動A/D轉換</p><p>

44、;　　FIND: IN AL,PORTC</p><p>　　TEST AL,010H</p><p>　　JNZ FIND ；讀PC4的值，如為1則繼續(xù)查詢</p><p><b>　　MOV AL,01</b></p><p>　　OUT PORTC,AL ；使PC0為1，撤消啟動信號</p&

45、gt;<p>　　IN AL,PORTA ；讀取轉換數(shù)據(jù)</p><p>　　;******************************</p><p>　　MOV CL,100 ；計算百位，十位，個位</p><p><b>　　DIV CL</b></p><p>　　MOV BUFD

46、A1,AL</p><p><b>　　XOR AL,AL</b></p><p><b>　　MOV CL,10</b></p><p><b>　　MOV BL,AH</b></p><p><b>　　MOV AL,BL</b></p>

47、<p><b>　　MOV AH,0</b></p><p><b>　　DIV CL</b></p><p>　　MOV BUFDA2,AL</p><p>　　MOV BUFDA3,AH</p><p>　　;******************************</p&

48、gt;<p>　　DISPLAY:MOV BX,OFFSET TABLE</p><p>　　MOV AL,[DI+0]</p><p>　　XLAT ；換碼</p><p>　　MOV DX,PORTB</p><p><b>　　OUT DX,AL</b></p><

49、p>　　MOV CX,30H ；延遲程序</p><p>　　DELAY: LOOP DELAY</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　;**********************************</p><p>　　MOV CX,30H</p><p&

50、gt;　　DISPLAY1:MOV AL,06H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　　MOV AL,05H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　　MOV AL,03H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　　MO

51、V DI,OFFSET BUFDA1</p><p>　　CALL DISPLAY ；使LED0工作</p><p>　　MOV AL,07H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　　MOV AL,04H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　

52、　MOV AL,03H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　　MOV DI,OFFSET BUFDA2</p><p>　　CALL DISPLAY ；使LED1工作</p><p>　　MOV AL,07H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p&g

53、t;　　MOV AL,05H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　　MOV AL,02H</p><p>　　OUT PORTD,AL</p><p>　　MOV DI,OFFSET BUFDA3</p><p>　　CALL DISPLAY ；使LED2工作</p><

54、p>　　LOOP DISPLAY1；延遲</p><p>　　;***********************************</p><p>　　MOV AH,4CH</p><p><b>　　INT 21H</b></p><p><b>　　CODE ENDS</b></

55、p><p><b>　　END START</b></p><p><b>　　8 總結心得 </b></p><p>　　本課程設計是基于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芯片將電壓信號轉化為數(shù)字信號，經過單片機處理后通過8255芯

56、片擴展的I/O以動態(tài)方式顯示，再加上相應的時鐘電路、復位電路、分頻電路，最后編寫程序，溫度采集系統(tǒng)的設計就完成了。</p><p>　　在做課程設計的過程中，除了了解相關設計的硬件原理電路圖外，還要了解具體的型號，熟悉相關軟件的使用，如AutoCAD、Protel、Word等，雖然在實際操作過程中遇到了很多困難，但經過不懈努力還是完成了本課程的設計。</p><p>　　在這一周的設計中，

57、不僅使我增長了很多課堂上所學不到的知識，而且還讓我對A/D轉換和擴展I/O有了更深入的了解。對一些單片機原理及應用有了更加深刻的認識。</p><p>　　附圖 電路接線仿真圖</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李朝青.單片機原理及接口技術〔簡明修訂版).杭州：北京航空航天大學出版社，1998年<

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