南昌航空大学单片机课程设计温度的采集与控制.docx

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南昌航空大学单片机课程设计温度的采集与控制

南昌航空大学单片机课程设计-温度的采集与控制

南昌航空大学单片机课程设计-温度的采集与控制课程设计说明书课程设计名称：

单片机技术课程设计题目：

温度的采集与控制学院名称：

信息工程学院专业：

电子信息科学与技术班级：

120431学号：

12043123姓名：

沈**评分：

教师：

贾杰2015年07月03日温度的采集与控制专业课程设计任务书2015－2016学年第2学期分散一周第17周－19周集中题目温度的采集与控制内容及要求

（1）、采用PT－100温度传感器测温

（2）、采用串行A/D转换器TLC083（3）、测温范围：

0℃-255℃，分辨率为±1℃（4）、当采集温度超过200℃时能用继电器控制一LED发光管亮。

进度安排1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：

2天；2.仿真、画PCB线路板图：

2天；3.领元器件、制作、焊接：

3天4．调试：

2天5.验收：

1天6.提交报告：

2012~2013学年第二学期17~19周学生姓名：

指导时间：

第17~19周指导地点：

综合楼505室任务下达2013-06-17任务完成考核方式1.评阅√□2.答辩√□3.实际操作√□4.其它√□指导教师系（部）主任注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要本系统将单片机应用于温度测量。

系统的核心部件是STC89C52单片机，系统采用模拟温度传感器PT--100作为测温元件，将采集的模拟信号经TL084放大器放大后传递给ADC0832模数转换器。

ADC0832模数转换器将采集得到的模拟信号转换成数字信号传至STC89C52单片机的P2口和P3口。

STC89C52将信号处理后，经过共阴数码管显示出来。

它具有0～255℃范围的温度测量的能力，并且具有超温报警功能，灵敏度较高。

关键词：

TLC0832，TL084，STC89C51。

目录前言··································································3第一章设计内容及设计要求············································41.1温度的采集与控制···············································4第二章硬件电路设计··················································52.1方案··························································52.2复位电路······················································62.3晶振电路······················································62.4电桥电路······················································72.5放大电路······················································82.6AD转换电路····················································92.7显示电路······················································112.8报警电路······················································12第三章作品调试及结果分析·······································133.1电路的焊接·····················································133.2实验的调试·····················································143.3设计中遇到的问题与解决方案·····································17第五章实验结论和体会················································18参考文献······························································19致谢·································································20附录一································································21附录二································································22附录三································································23前言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

其中，温度控制也越来越重要。

在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。

目前应用的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A／D转换器及单片机等组成的传输系统。

这种温度采集系统需要大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上．安装和拆卸繁杂，成本也高。

同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。

针对这种情况，本文提出一种采用数字化单总线技术的温度采集系统，实现了温度实时测量和显示和报警。

第一章设计要求及设计思路1.1设计要求基本要求：

（1）、采用PT－100温度传感器测温

（2）、采用串行A/D转换器TLC083（3）、测温范围：

0℃-255℃，分辨率为±1℃（4）、当采集温度超过200℃时能用继电器控制一LED发光管亮。

参考原理：

电桥电路、放大电路、AD转换电路、数码管显示电路、继电器报警电路主要参考器件：

ADC0832，TL084，STC89C51。

1.2设计思路及总体设计框图利用AT89C52单片机、ADC0832及PT-100温度传感器设计温度的控制与采集。

整个设计包括温度转换模块、A/D转换模块、显示模块和继电器报警模块。

先测温电路模块的作用是将随温度变化的电阻转化为电压变量。

为了提高测温灵敏度，用放大器将电压信号放大为了提高测温灵敏度。

A/D转换模块采用ADC0832转换器现实温度采集。

显示模块显示测温范围0℃-255℃。

继电器报警电路模块通过与单片机P口连接实现，当温度达到设定的温度200℃时，继电器报警电路模块的发光二极管会点亮蜂鸣器会报警。

设计中因为没有PT-100温度传感器，所以采用精密电阻代替。

电桥经过调零，调满后使得放大器输出端模拟电压在0V-5V范围变化，再经过ADC0832转换器得到采集温度在0℃-255℃。

系统原理框图如图1-1所示：

温度转换电路A/D转换电路单片机控制显示电路报警显示图1-1系统原理框图第二章模块方案比较与论证l温度转换电路模块方案比较由于电桥电路模块将随温度变化的电阻转化为电压变量。

此电压为毫伏级的，非常小。

因此需要采用放大电路。

以下对两种放大电路方案进行分析比较。

方案一分析：

采用TL084差分放大电路，此电路放大倍数为Af=-（1+2R1/Rg）。

电路图如图2-1所示：

图2-1差分放大电路方案二分析：

采用ICL7650进行一级放大。

放大倍数Af=（R8+R9+Rw3）/（R9+Rw）。

其中Rw为Rw3接入电路的电阻。

电路图如图2-2所示。

图2-2采用ICL7650一级放大电路对以上两种方案对比分析总结：

差分放大电路可以有效的防止漂移现象，也比较好调试而且电路相对比较简单，最主要的是采用差分放大不必考虑电桥地的问题，所以相对而言采用方案一比较简单，而且方案一只需采用三级放大（放大倍数约为55倍）即可达到要求。

因此最终采用了方案一TL084放大电路。

l报警电路模块方案一分析：

单片机P1.1口直接连接发光二极管。

当P1.1口为高电平时，发光二极管点亮，否则灯灭。

再通过编程使得当温度到达200℃时发光二极管点亮，当低于200℃时则灯灭。

电路图如图2-3所示。

图2-3直接用P口接发光二极管电路方案二分析：

采用继电器报警，所以设计报警模块如图2-4所示图2-4继电器报警电路经过比较，方案一较简单，但是抗干扰能力较差方案二相对比较复杂，但抗干扰能力较强。

由于课设要求采用继电器控制发光二极管报警，再综合其他因素，最终采用了方案二。

第三章系统硬件设计3.1STC89C52简介STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，所以本电路采用STC89C52作为电路的单片机来实施控制与输出。

本人使用现有的单片机下载程序，所以其中的复位电路与晶振电路直接采用其原理图的电路。

并且单片机的管脚如图3-1所示图3-1STC89C52引脚图3.2最小系统主控制系统采用了AT89C52单片机。

单片机最小系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

最小系统一般应该包括：

单片机、晶振电路、复位电路。

复位电路和晶振电路是AT89C52工作所需的最简外围电路。

其基本系统电路原理图如下图3-2所示。

图3-2单片机89C52最小系统3.3复位电路STC89C52单片机的9脚是复位端，当输入为高电平并保持两个机器周期以上的时间时，单片机复位，复位后，主要特征是各IO口呈现高电平，程序计数器从零开始执行程序。

如图参数符合要求。

上电后，电容电压不能突变，VCC通过复位电容给单片机复位脚加高电平，同时，通过10K电阻向电容反向充电，使复位脚电压逐渐降低，经约10毫秒时间后，复位脚变为0V,单片机开始工作。

复位电路如图3-3所示。

图3-3复位电路3.4晶振电路图3-4晶振电路如图所示，单片机板子是一个可以更换晶振的电路，在实际电路中，本人用的是12M的晶振。

匹配电容是两个30P的瓷片电容。

每种芯片的手册上都会提供外部晶振输入的标准电路，会表明芯片的最高可使用频率等参数，在设计电路时要掌握。

与计算机用CPU不同，单片机现在所能接收的晶振频率相对较低，但对于一般控制电路来说足够了。

晶振电路如图3-4所示。

3.5电桥电路图3-5电桥电路此电路采用2个电阻和2个滑动变阻器来实现电桥电路，上面的两个固定电阻都为10k，下面的滑动变阻器阻值范围为0~200。

其中左边的滑动变阻器为参考电阻，右边的滑动变阻器为PT-100，若固定左边的滑动变阻器为100，则调节PT-100的阻值会产生不同的压差，并将其传递给后面的放大电路。

并且最大压差经计算后约为0.09v。

电桥电路如图3-5所示3.6放大电路图3-6放大电路因为前面的电桥电路产生的压差范围为mv级别的，所以要在后面添加一个放大电路，使之产生0~5v范围内的电压。

如图3-6所示，本电路采用的是TL084放大器将电压进行放大，TL084是一款高输入电阻的四运放，精度不高。

管脚信息如图3-7所示，1、2、3脚是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端，5、6、7脚是通道2的同相输入端、反相输入端、输出端，8、9、10脚是通道3的输出端、反相输入端、同相输入端，12、13、14脚是通道4的同相输入端、反相输入端、输出端，4脚是正电源，11脚是负电源（或单电源使用时的电源地）。

图3-7TL084管脚图本人设计的放大电路图的放大倍数为Af=-（1+2R3/RV6）。

改变RV6的阻值，可方便的调节放大器的增益。

根据需要，输出电压为0~5v，最大放大倍数约为55倍。

2.6AD转换电路图3-8AD转换电路本电路采用的是ADC0832芯片，ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，体积小，兼容性强，性价比高ADC0832具有以下特点：

·8位分辨率；·双通道A/D转换；·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；·一般功耗仅为15mW；芯片接口说明：

CS_片选使能，低电平芯片使能；CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；GND芯片参考零电位（地）；DI数据信号输入，选择通道控制；DO数据信号输出，转换数据输出；CLK芯片时钟输入；Vcc/REF电源输入及参考电压输入。

ADC0832时序图如图所示：

图3-9ADC0832时序图当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作；同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能；在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

如资料所示，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。

当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

图3-10通道选择图到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7。

随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。

直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。

也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理。

因为采集的温度为0~255，所以可以将采集的数据（0~5v）分为256份，并用数码管显示出来。

2.7显示电路图3-11显示电路本电路采用CD4511驱动共阴数码管显示采集的数据。

管脚图和真值表如图所示：

图3-12CD4511管脚图图3-13真值表其功能介绍如下：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

A1、A2、A3、A4输入BCD码，则共阴数码管显示相应的数据。

2.8报警电路图3-14报警电路报警电路接在单片机的P1.1口，当P1.1口为低电平时，三极管不导通，继电器不工作，所以LED灯灭，当P1.1口为高电平时，三极管导通，继电器工作，使得LED灯亮。

第四章作品调试及结果分析4.1电路的焊接调试过程中用到了直流电压源和数字示波器和调节电位器的起子。

电路安装要注意几个原则：

1.需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观；2.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；3.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；4.最好分模块安装。

此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，电烙铁不能停留太久。

图3.1电路焊接图3.2实验的调试1、首先调节电桥和放大电路部分。

本人先将电桥部分的左边和右边的滑动变阻器都调为100，此时测得放大电路的输出电压为0.01v,调零成功。

再将右边的滑动变阻器调为198.5，再调节RV1，此时输出电压慢慢增大，当增大为5v时停止，调满成功。

2、调试显示部分和报警部分。

将单片机的P2口，P3口接至CD4511的输入端，P0口接至报警电路端，将调试的子程序下载入单片机，显示如图，显示200，并且LED灯亮，说明显示部分成功（程序在图之后）。

图3.2调试1图调试1图程序：

ORG0000HLJMPMAINMAIN：

CLRP0.0L0：

MOVA,#0C8H;直接给A赋值200并显示CJNEA,#0C8H,L1L1:

JCL2SETBP0.0L2：

MOVR0,#33HMOVR7,#03HLP：

MOVB,#0AHDIVABXCHA,BMOV@R0,AXCHA,BDECR0DJNZR7,LPMOVA,32HRLARLARLARLAORLA,31HMOVP2,AMOVA,33HMOVP3,ASJMPL0END修改程序中的A值，显示如图，LED灯灭，调试成功。

图3.3调试2图3、前面电路和后面的电路没问题就直接将整体电路连接起来，调节PT-100电阻，实验数据如图：

图3.4供电电压图3.5示0电压值图3.6示50电压值图3.7示100电压值图3.8示150电压值图3.9示200电压值图3.10示255电压值因为供电电压为6.3v，理论上若显示0，则输出电压为0v，所测值为0.04v；理论上若显示50，则输出电压为6.3/5=1.26v，所测值为1.26v；理论上若显示100，则输出电压为6.3*2/5=2.52v，所测值为2.51v；理论上若显示150，则输出电压为6.3*3/5=3.78v，所测值为3.74v；理论上若显示200，则输出电压为6.3*4/5=5.04v，所测值为4.96v；综上可得，所测值与理论值相差甚少，误差较小，说明作品较为成功。

3.3设计中遇到的问题及解决方案第一次接上电源的时候，调节滑动变阻器，放大器TL084的输出端电压最大只会显示3v左右，经过细心的检查调试发现，发现TL084的电源地必须与电桥地共接（因为该放大电路为差分放大），否则根本不会出现预期结果，这与之前传感器电桥不一样，因放大电路采用的芯片不一样，这点要注意！

除了这部分电路的问题外，其余电路的电源地最好是接一起，除电桥和放大电路地方电源接直流稳压源外，其余电路本人是直接采用单片机开发板上的电源，排除问题后，调节电桥电位器，TL084输出端电压值会随着滑动变阻器的阻值改变而改变，调试成功。

软件调试一次性成功。

在一次记录测量数据的时候，突然发现数码管显示部分变成了004，只会不管怎样调节滑动变阻器，显示值都不会变，经过调节测量电桥电路与放大电路的输出电压，发现无问题，再用调节子程序测试数码管部分有无问题，发现也会显示最初设计的初值，所以本人认为是ADC0832芯片出现故障。

在库房里领取了一个新的ADC0832后，调试结果又和之前的一样会显示所测温度，调试成功。

第五章实验结论和体会通过三周的设计及制作还有调试，可以得到关于设计制作温度的采集与控制的一些结论，比如说原理图和参数确定后并确定无误就开始焊接电路，但在焊接时有虚焊的地方就可能导致电路无法达到预计的要求，因此焊接完后要认真用万用表检测是否有虚焊的地方。

最后就是调试电路了，也是整个系统设计的最后环节，这可就需要细心与耐心了，出现了什么意外情况不能着急，有的时候越着急就越难找出错误，冷静是关键。

通过此次实习，本人了解了温度的采集与控制电路的设计，包括了电桥电路、放大电路、AD转换电路、数码管显示电路、继电器报警电路，此设计中的AD转换电路是本设计的精华部分，这种电路在以后也会有许多用处，可以说是受益匪浅。

此次设计还算是比较成功的，没有出现比较大的错误。

经过此次的课程设计，对单片机的应用有了更深一步的了解。

这对今后的学习以及在以后的工作都会起着很重要的作用，对动手能力的培养也非常的重要，让知识学以致用。

参考文献

（1）张鑫.单片机原理及应用（第2版）[M].电子工业出版社，2010年

（2）张毅刚.单片机原理与应用设计[M].电子工业出版社，2008年（3）何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京航空航天大学出版社，2001年（4）周立功.单片机实验与实践教程（三）[M].北京航空航天大学出版社，2006年（5）胡汉才.单片机原理及其接口技术（第3版）[M].清华大学出版社，2010年（6）胡汉才.单片机原理及其接口技术学习辅导与实践教程[M].清华大学出版社，2010年（7）张义和.例说51单片机（C语言版）[M].人民邮电出版社，