毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计Word文档格式.docx
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AT89C51采用40引脚的双列直插式封装（DIP）形式，内部由CPU，4KB的ROM，256B的RAM，2个16位的定时／计数器T0和T1，4个8位的I／O端口和一个全双工串行通信口等部分组成。
AT89C51单片机具有系统结构简单，成本低，可靠性高，低功耗等特点。
特别是内部集成了4KB的FLASH程序存储器，使单片机系统的结构更加简单，也使其得到了广泛的应用。
同时，它还具有高级语言编程的特点，指令丰富，软件开发简单[2]。
综上所述AT89C51单片机是一款性价比很高的单片机芯片，特别适合于仪器仪表的应用。
所以本课题主要基于AT89C51单片机，设计一个多路传感器数据的测量与显示仪表。
2．3传感器
2.3.1温度传感器
由于在工业生产中，温度是最基本的检测参数之一，温度的检测和控制直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术指标相联系。
用于温度检测的传感器有热电偶、热电阻和半导体集成温度传感器。
热电偶价格便宜，但需要冷端补偿、电路设计复杂。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定，测量范围广，构造简单，使用方便。
其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
半导体集成温度传感器的主要特点是测温误差小、微功耗、适合远距离测温、线性度好、外围电路简单等[3]。
综上所述本次设计是从生产需要出发，低成本的多路数据采集系统的设计，配以不同的传感器完成各类数据的采集、显示、控制与数据汇总保存，单机实现
过去多台仪器仪表所具备的功能。
3系统硬件设计
3．1系统整体设计方案
本设计采用8路输入，每路输入能支持多种形式的传感器接入：
电阻式（如：
热电阻）、毫伏信号（如：
热电偶）及标准信号输入（如：
1~5VDC，4~20mA），对于不同传感器接入信号，能进行软件整定与校正；
采用4个操作按钮，6位数码管作为显示，其中4位数码管用于显示数据，2位数码管显示功能号或通道号；
对每个通道，传感器参数与工程参数都可以通过键盘设定。
通常情况下，仪表自动循环显示多路数据，也可通过键盘固定显示任一路数据。
硬件总体结构：
硬件部分是整个仪表的重要部分，其设计的好坏直接影响到整机的性能，本仪器以AT89C51单片机为核心。
整个硬件系统分为以下几个模块：
传感器模拟信号采集处理模块，A/D转换模块，键盘及显示模块，单片机系统模块及报警控制模块。
图1.系统方框图
3.2多路信号采集模块
3.2.1模拟信号放大电路
由于有些传感器的输出电流或电压不足以进行A/D处理，需要对信号进行转换和放大。
由于LM324四运算放大电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此本设计采用LM324作为运算放大器。
模拟信号放大电路如下图所示。
图2.模拟信号放大电路
放大倍数为1+Rf/R=1+10=11。
通过增加或去掉电阻R6可分别接收电流与电压信号。
3.2.2多路信号采集通道的选择
在本设计中，输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。
本系统采用多路分时的模拟量输入通道。
这种结构的模拟量通道特点为：
（1）对ADC要求高。
（2）处理速度慢。
（3）硬件简单，成本低。
（4）软件比较复杂。
图3.多路信号采集框图
3.2.3多路信号采集的实现
本设计系统为八路的温度信号采集，而ADC0804仅为一路输入，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图所示
图4.多路模拟输入电路图
3.2.4多路模拟开关CD4051
多路开关，又称“多路模拟转换器”。
多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。
反之，当模拟信号有公共输出端输入时，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。
因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件[4]。
所以本设计选用CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。
该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。
3.2.5多路模拟开关工作原理
CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。
其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下：
表1.CD4051八路通道关系表
输入状态
接通
通道
INH
C
B
A
1
5
6
0
2
7
3
x
均不显示
4
3.3A/D转换模块
为了把温度、湿度等信号采集电路测出的模拟信号转换成数字信号送CPU处理，本系统选用了A/D转换器ADC0804，它精度高，速度快。
由于ADC0804芯片只有一路输入，而本系统检测的多路信号输入，故选用多路选择电子开关CD4051，可输入多路模拟量。
3.3.1ADC0804主要技术指标
（1）高阻抗状态输出
（2）分辨率：
8位（0~255）
（3）存取时间：
135ms
（4）转换时间：
100ms
（5）总误差：
-1~+1LSB
（6）工作温度：
ADC0804C为0度~70度；
ADC0804L为-40度~85度
（7）模拟输入电压范围：
0V~5V
（8）参考电压：
2.5V
（9）工作电压：
5V
（10）输出为三态结构
3.3.2ADC0804特点及工作原理
模数转换采用ADC0804,对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路[5]。
ADC0804有20个引脚，其中11-18管脚为数字信号输出端，与单片机P1口相连；
cs为片选端，接单片机P3.5口，WR接P3.6口，RD接单片机P3.7口。
CLK为时钟输入信号线,因ADC0804的内部有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLKIN”两端外接一电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟。
通常使用2.5V作为为参考电压输入。
INTR为中断控制信号，接单片机外部中断端口，当A/D转换完后向单片机发出中断信号，等待读走数字信号，INTR也空可置不接，因为当启动A/D后一段时间后模数转换完后，等待一段时间后单片机也可以读走数字量。
图5.多路模拟开关及A/D转换电路图
3.4单片机系统模块
3.4.1AT89C51单片机的基本功能
AT89C51具有以下标准功能：
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，一个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，AT89C51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他所有部件工作指导下一个硬件复位[6]。
3.4.2AT89C51单片机基本工作电路
AT89C51单片机正常工作，必须连接基本电路。
基本电路包括晶振电路和复位电路[7]。
1.晶振电路
单片机的时钟信号通常有两种产生方式：
一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。
内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。
本设计所采用的是内部时钟方式。
在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。
C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振。
本电路选用晶振12MHz，C1=C2=30pF。
2.复位电路
复位是使单片机处于某种确定的初始状态。
单片机工作从复位开始。
在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。
复位操作有两种基本方式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
本设计采用了后一种复位电路。
当RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。
选择C3=10µ
F，R1=10KΩ[7]。
图6.AT89C51单片机管脚及基本工作电路图
3.5键盘显示模块
本设计键盘显示模块采用4个操作按钮，6位数码管作为显示。
其中4位数码管用于显示数据，2位数码管显示功能号或通道号；
3.5.1键盘控制电路设计
键盘控制电路由按键及其接口构成，键盘是单片机最简单的输入设备。
常用键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘[8]。
本系统的输入控制简单，采用独立式键盘及接口电路。
输入电路由4个按钮开关、4个10欧的限流电阻组成；
键扫描识别采用软件查询的方法。
图7.键盘输入控制电路
表2.四个独立键盘对应功能表
按键
键名
功能
S2模式切换键自动循环显示与固定显示切换
S3参数设定键传感器参数设定
S4参数设定键工程参数设定
S5通道切换键切换固定显示通道
3.5.2LED
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