基于51单片机智能温度计的设计.docx

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基于51单片机智能温度计的设计

摘要

温度是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一。

过去温度检测系统设计中,大多采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力差等问题;而其中任何一环节处理不当,就会造成整个系统性能的下降。

随着半导体技术的高速发展,特别是大规模集成电路设计技术的发展,数字化、微型化、集成化成为了传感器发展的主要方向。

本文介绍了单片机AT89S51的特性、内部结构及工作原理，给出了数模转换器TCL549与单片机AT89S1接口的应用实例，以及由两者组成温度检测系统的方法，并给出了TCL549进行各种操作的软件流程图及操作程序。

关键词：

温度检测 ；AD590;AD转换器TCL549；单片机AT89S51 

Abstract

Temperatureisthemostcommononeofprocessparametersinautomaticcontrolandindustrialproduction.Inthetraditionaltemperaturemeasurementsystemdesign,oftenusingsimulationtechnologytodesign,andthiswillinevitablyencountererrorcompensation,suchaslead,complexoutsidecircuit,pooranti-jammingandotherissues,andpartofadealwiththemImproperly,couldcausetheentiresystemofthedecline.Withmodernscienceandtechnologyofsemiconductordevelopment,especiallylarge-scaleintegratedcircuitdesigntechnologies,digital,miniaturization,integrationsensorsarebecominganimportantdirectionofdevelopment.Thispaperpresentsthebasicconceptofdetection,asingledigitaltemperaturesensorTCL549thecharacteristicsandworkingprincipleisgivenTCL549with89S51MCUinterfaceapplicationexamples,andthecompositionofTCL549temperaturedetectionsystem,andgivesthevariousoperationsoftheTCL549Softwareflowchartandoperationprograms.

Keywords:

TemperatureDetection；AD590；TCL549;AT89C2051；Clanguage

引言

数字式温度计的发展历程

十七世纪是温度计诞生和发展的最初阶段,这个物理仪器几乎比任何其它仪器都得到更广泛的应用。

现代的历史研究认为最早发明温度计的科学家是伽利略，他于1592年发明了最早的气体温度计，最早的液体温度计是荷兰科学家华伦海特制造出来。

随着宇航、核能、冶金、材料、低温、微电子学和生物医学等方面的发展，对温度测量、控制的精度和范围提出了越来越高的要求，尤其是对温度的测量非但要准确，而且需读取数值更直观更方便，从而促进了温度测量和控制技术的迅速发展。

虽然水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。

可是它的缺点是刻度间隔通常都很密,不容易准确分辨,读数因难,而且它们的热容量还比较大,达到热平衡所需的时间较长,因此很难读准并且使用非常不方便，而且水银有毒，玻璃管易碎。

后来出现代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。

后来接着出现了热电阻温度计、热电偶温度计等。

随着大规模集成电路工艺的提高，又出现了多种集成的数字化温度传感器,

随着电子工业的发展，数字仪表反应速度快、操作简单，对使用环境要求不高的优点，市场上逐渐出现越来越多的数字式温度计，另外，纵观国际上现有的温度计的变化，总的趋势是从模拟向数字转变，相应的体积也在不断减小，并且一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

测量温度的关键是温度传感器，随着科学技术的发展，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：

（1）传统的分立式温度传感器，

（2）模拟集成温度传感器，（3）智能集成温度传感器。

特别是现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。

总之，从温度计的诞生，发展到现在，温度计对物理学和日常生活起着非常重要的作用。

课题研究的目的和意义

温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。

在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。

比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内：

许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行;炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。

没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。

可见，温度的测量和控制是非常重要的。

虽然数字式温度计的应用己相当普遍，但是，伴随着新器件的诞生、新技术的涌现，在新需求的推动下，温度检测系统的整体结构、器件选择等方面仍需不断研究和创新。

本设计目的是研究与开发出结构简单、可靠性高、成本低、测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观特点的便携式数字温度计。

由于所设计的系统将具有电路简单、采集温度精度高等许多优点，所有可广泛应用在不同场合，有很强的实际应用意义。

该设计也是我对大学所学到的东西做的一个综合应用，同时将增强我的动手能力和提出问题，分析问题，解决问题的能力，可以巩固自己的专业知识，为以后的进一步工作学习打下扎实的基础。

第1章系统设计

从任务的要求分析，主要包括的内容为温度的测量电路，AD转换电路的控制、采用定时器定时读取AD转换器的数据、将AD转换器的数据计算为对应的温度值，最后在数码管上显示出来。

整体设计思路：

硬件采用单片机的P0输出数码管的7段码，P2口输出数码管的位控信号。

用P1的三个I/O管脚连接ADC转换器的接口，通过查询定时器T0中断标志是否有效来启动ADC转换器的工作，并读取ADC转换器的转换结果。

然后，根据ADC转换器的参考电压将ADC转换器的转换结果计算为对应的温度值，并在数码管上显示出来。

系统如下图1.1：

图1.1系统图

第2章硬件电路的设计

2.1主控制器的选择及原理图

2.1.1AT89S51的引脚图：

图2.1AT89S51引脚图

AT89S51的引脚及基本性能：

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机；片内含有4k字节的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）；器件采用AMTEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统；片内置通用2位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

功能特性概述：

AT89S51提供以下标准功能:

4k字节Flash闪速存储器、128字节内部RAM、32个I/O口线、两个16位定时/计数器、1个5向量两级中断结构、一个全双工串行通信口、片内振荡器及时钟电路，同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作并支持两种软件可选的节电工作模式；空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作；掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作一直到下个硬件复位。

引脚功能说明

Vcc：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口；作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或者程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用；在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口；P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口；作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低会输出一个电流。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口；P2的输出缓冲级可驱动个（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口；作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据；在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容（即特殊功能寄存器（SFR）区中的R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变；

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口：

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口；P2的输出缓冲级可驱动个（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口；作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低会输出一个电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能；如下表2.2所示：

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

表2.2P3口功能表

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入；当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节；即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的；要注意的是,每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作，该位置位后，ALE才会被激活，此外该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该置ALE无效。

EA/VPP：

外部访问允许；欲使CPU仅访问外部程学存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需要注意的是，如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端的状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTML1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTML2:

振荡器反相放大器的输出端。

单片机外设电路的设计，本设计基于AT89S51单片机的最小系统之上，再设计了温度检测传感器将采集到的模拟温度信号经过数模转换芯片转成数字量，然后经过单片机的处理经数码管显示电路显示出来。

因此有必要介绍一下单片机的最小系统，单片机的最小系统是组成单片机工作的最简单的独立电路，最小系统的结构图如下图2.3：

图2.3单片机最小系统结构图

它包括：

晶振电路，手动/上电复位电路等。

晶振电路：

晶振电路是单片机工作的必须外设，它为单片机提供时钟电路，电路图如下图2.4：

图2.4时钟电路图

Y1是陶瓷晶振，本设计中的晶振是11.0592MHZ，电路中的两个电容是相同的，电容的大小和所选晶振有关，在本次晶振选择情况下，电容的大小是30PF。

管脚号18、19是与单片机的第18和19管脚的XTAL1、XTAL2相连。

2.1.2上电/手动复位电路：

单片机系统要想稳定运行，必须考虑到影响其稳定运行的因素，通常的因素主要有外因和内因两部分。

1、外因

 射频干扰，它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体（引线或零件引脚）感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减该类干扰； 

 电源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导，可通过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰 。

2、内因

 振荡源的稳定性，主要由起振时间频率稳定度和占空比稳定度决定。

起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等参数影响复位电路的可靠性。

2.2测温电路的设计

2.2.1AD590温度传感器的原理及应用

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源.其主要特性如下:

传感器AD590的温度测量范围为负55℃到150℃之间;

流过元件的电流与元件所处环境的热力学温度关系为:

1微安每开尔文;

该传感器测温精度比较高,在AD590正常测温范围内,非线性误差仅为±0.3℃;

AD590的电源电压范围比较大,为4V至30V,并且可以承受20V反向电压和44V正向电压,因此该器件即使在电路中接反也不会被损坏;

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流Io=（273+25）=298μA。

基本应用电路：

图2.5AD590基本应用电路图

注意事项：

Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为2.98V（10K×298μA）。

测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值不准。

测量电路：

图2.6温度测量电路图

电路分析

电压跟随器用的是LM310 电压跟随器   ，放大器用的是LM308 通用型运算放大器  。

AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度）,因此量测的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。

为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。

由于一般电源供应较多零件之后,电源是带噪声的,因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。

接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10V。

如果现在为摄氏28度,输出电压为2.8V。

2.2.2基准电压TL431

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置从Verf（2.5V）到36V范围内的任意值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调电压源，开关电源等等。

1.TL431封装

TL431是一种并联稳压集成电路。

因其性能好，价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。

其封装形式与封装三极管9031等相同，如下图2.7所示。

图2.7

2.TL431的主要参数为：

最大输出电压为37V

最大工作电流150mA

内基准电压为2.5V

输出电压范围为2.5～30V

3.TLC431的等效内部结构如下图2.8所示：

图2.8TLC431内部等效图

上图是该器件的符号：

阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。

TL431的具体功能可以用上图的功能模块示意。

由图可以看到，V1是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反向输入端。

由运放的特性可知，只有在REF端的电压非常接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管（图一）的电流从1到100mA变化。

当然该图绝对不是TL431的实际电路。

TL431可等效为一个稳压二极管，作为2.5V基准源，其基本连接方法如下图2.9所示。

图2.9TCL431组成2.5v基准电压图

2.3AD转换器的选择与工作原理

2.3.1AD转换器的选择

分析本设计的要求可以看出，需要测量的范围是-20℃~50℃，测量的精度是±0.3℃，因此8位A/D转换器即可满足要求。

AD转换器TLC549是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOSA/D转换器。

它们设计成能通过3态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行接口。

TLC549仅用输入/输出时钟（I/OCLOCK）和芯片选择（CS）输入作数据控制。

TLC549的IOCLOCK输入频率最高可达1.1MHz。

TLC549提供了片内系统时钟，它通常工作在4MHz且不需要外部元件。

片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出的时序并允许TLC548和TLC549象许多软件和硬件所要求的I/OCLOCK和内部系统时钟一起可以实现高速数据传送以及对于TLC549为每秒40,000次转换的转换速度。

TLC549的引脚排列分别如下图2.10所示。

图2.10TLC549引脚图

转换周期需要36个系统时钟周期（最大为17μs），它开始于CS变为低电平之后I/OCLOCK的第8个下降沿，这适用于该时刻其地址存在于存储器中的通道。

在CS变为低电平后，最高有效位（A7）自动被放置在DATAOUT总线上。

其余的7位（A6-A0）在前7个I/OCLOCK下降沿由时钟同步输出。

2.3.2TLC549的工作原理

TLC549是在单个芯片内的完善的数据采集系统。

每一个器件包含内部系统时钟，采样和保持，8位A/D转换器，数据寄存器以及控制逻辑电路。

为了提高灵活性和访问速度，器件有两个控制输入：

I/OCLOCK和芯片选择（CS）。

这些控制输入和与TTL兼容的3态输出易于与微处理器或小型计算机的串行通信。

器件可在17μs或更短时间内完成转换。

TLC549每25μs重复一次完整的输入-转换-输出（input-conversion-output）周期。

内部系统时钟和I/OCLOCK独立使用且不需要任何特定的速度或二者之间的相位关系。

这种独立性简化了器件的硬件和软件控制任务。

由于这种独立性和系统时钟的内部产生，控制硬件和软件只需关心利用I/O时钟读出先前转换结果和启动转换。

内部系统时钟以这种方式驱动转换电路以便控制硬件和软件不需要涉及此项任务。

当CS为高电平时，DATAOUT处于高阻状态且I/OCLOCK（I/O时钟）被禁止。

正常控制时序为：

1.CS被拉至低电平。

当CS变为低电平时，前次转换结果的最高有效位（MSB）开始出现在DATAOUT端。

2.前4个I/OCLOCK周期的下降沿输出前次转换结果的第2、第3、第4和第5个最高有效位。

在I/OCLOCK第4个高电平至低电平的跳变之后，片内采样和保持电路开始对模拟输入采样。

采样操作主要包括内部电容器充电到模拟输入电压的电平。

3.其后再把三个I/OCLOCK周期加至I/OCLOCK端，在这些时钟周期的下降沿，第6、第7和第8个转换位被移出。

4.最后（第8个）时钟周期被加至I/OCLOCK。

此时钟周期高电平至低电平的跳变使片内采样和保持电路开始保持功能。

保持功能在接着四个内部系统时钟周期内继续进行，在此之后保持功能结束且在下面32个系统时钟周期内完成转换，总共为36个周期。

在第8个I/OCLOCK周期之后，CS必须变为高电平，否则I/OCLOCK必须保持低电平达至少36个系统时钟周期以供保持和转换功能的完成。

在多个转换周期内CS可保持低电平。

在多个转换周期内使CS保持低电平时必须特别注意防止I/OCLOCK线上的噪声闪变。

如果在I/OCLOCK上发生闪变，那么在微处理器/控制器和器件之间的I/O时序将失去同步。

此外，如果CS变为高电平，那么它必须保持高电平直至转换结束为止。

否则，CS的有效高电平至低电平跳变将引起复位，它使正在进行的转换失败。

在36个系统时钟周期发生之前，通过完成步骤1至4可以启动新的转换，同时正在进行的转换中止。

此操作产生先前的转换结果而不是正在进行的转换结果。

2.4显示电路的设计

数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。

在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。

2.11显示电路图

本设计中显示电路的要求是：

能够正确显示实际的温度，当温度小于0℃时，第一个数码管显示“—”，如果温度是大于零摄氏度时直接显示温度的示数而不再显示“+”。

数码管有静态显示和动态显示，静态显示的原理很简单，每个数码管显示时需要单片机给其每个段加上一定的电平，如果是共阳极的则需加上低电平，共阴极的则是高电平。

数码管根据各段电平的高低显示相应的示数，静态显示由于每个数码管需要占用一个IO口，因此非常浪费单片机的资源，只有在很少的情况下使用。

动态显示顾名思义，是每个IO口都不是固定的加在某个数码管上，而是用一个数码管分时加在每个数码管上，它的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。

这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。

选亮数码管采用动态扫描显示。

所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。

动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。

本设计采用的是动态显示，能够减少IO口的使用。

2.5按钮和报警电路的设计

本次设计的报警系统要求较低，只需要当温度超过量程或者是温度超过、低于所设置的温度上下限的时候，警报发出三声响声，响过之后自己停止。

将一只蜂鸣器连接在单片机的P2.4口。

由于单片机的驱动能力有限，需要加一个PNP的三极管作为蜂鸣器的驱动。

本设计中需要用户自己设置温度的上下限，因此需要外加三个按钮，一个按钮进入温度设置程序，另外两个按钮的功能是：

每按一次按钮a则温度的上限增加一度，每按一次按钮b则温度的下限减少一度。

按钮和报警电路连接图如下2.12和2.13所示：

2.12按钮电路连接图

2.13报警电路图

2.6直流电源的设计

7805集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路，为整个电路提供电源。

IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。

当输出电流较大时，7805应配上散热板。

图2.14+5v直流稳压电源设计图

第3章程序设计

分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图。

软件的任务包括定时器的定时功能、AD转换器TLC549