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商检专业毕业论文

河南质量工程职业学院

毕业设计

题目：

水塔水位设计

系别：

机电工程系

专业班级：

商检技术

班级：

学生姓名：

指导老师：

设计时间：

2012年3月13日

河南质量工程职业学院

毕业设计任务书

班级

学生姓名

指导教师

毕业设计题目

水塔水位控制

主要

研究

内容

利用单片机设计并制作一个水塔水位控制器，可以顺利的控制水位高度，

主要

技术

指标

或研

究项

目

1.供电电源为+5V。

2.测温范围在0~100℃之间

3.电路可插入微机（PC）的任何一个插槽，用于温度信号检测。

4.报警器“BL’’间歇频率约为1Hz。

基本要求

1.当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备

2.在实际应用中工作性能稳定，测量温度准确，精度较高。

3.所作的系统能够流利的控制水位的高度。

主要

参考

资料

及文

献

[1]余成波、胡新宇、赵勇．传感器与自动检测技术.[M]．北京：

高等教育出版社

[2]杜虎林．电工电子通用元器件检测技巧.[M]．北京：

中国电力出版社

[3]孙津平．数字电子技术.[M]．西安：

电子科技大学出版社

[4]模拟电子技术.[M]．西安：

西安电子科技大学出版社

[5]孙余凯、项绮明、吴鸣山轻松解读数字使用电路.[M]．北京：

电子工作出版社

摘要

温度测量与控制在社会的发展而广泛的使用。

利用单片机技术的温度测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。

本文对该测控系统进行了分析设计。

首先，设计针对系统所使用的单片机的性能和发展情况做了简单介绍；对系统使用的模/数转换芯片ADC0809做了性能方面的简单说明；同时对测量温度在-55～150之间的集成型恒流测温元件AD590做了介绍。

其次，论文重点对测控硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计。

对各部分的电路一一进行了介绍，最终实现了该系统的硬件电路。

绘制了电路原理图，绘制了印制电路板图，并将制成的线路板焊接上了元件，完成了硬件调试。

根据硬件的设计和测控系统所要实现的功能，本设计对软件也进行了一一设计，并经过反复的模拟运行、调试，修改简化了软件系统，最后形成了一套完整的程序系统。

关键词：

单片机、ADC0809、AD590、软件系统、硬件系统

Abstract

Thetemperaturesurveyandthecontrolinprofessionandsoonindustry,agriculture,nationaldefensehasthewidespreadapplication.Usingmonolithicintegratedcircuittechnologytemperatureobservationandcontrolsystembyitsvolumesmall,thereliabilityishighbutiswidelyused.Thisarticlehascarriedontheanalysisdesigntothisobservationandcontrolsystem.

First,thisarticlethemonolithicintegratedcircuitperformanceandthedevelopmentsituationwhichusedinviewofthesystemhasmadethesimpleintroduction;Tosystemusemold/NumbertransformationchipADC0809hasgiventheperformanceaspectsimpleexplanation;Meanwhiletosurveyedthetemperaturetomaketheintroductionin-55～150betweenintegrationconstantflowtemperatureelementAD590.

Next,thisarticlekeytoobserveandcontrolledthehardware,thesoftwarecompositioncarriesonthesub-item,themodulationhasanalyzedthedesigngradually.11hascarriedontheintroductiontoeachpartofelectriccircuits,finallyhasrealizedthissystemhardwareelectriccircuit.Hasdrawnuptheelectriccircuitschematicdiagram,hasdrawnuptheprintedcircuitboardchart,andwillmakeinthelineboardweldingthepart,hascompletedthehardwaredebugging.Functionmustrealizewhichaccordingtothehardwaredesignandtheobservationandcontrolsystem,thisdesignhasalsocarriedon11designstothesoftware,andaftertherepeatedlysimulationrun,thedebugging,therevisionsimplifiedthesoftwaresystem,finallyhasformedsetofcompletesoftware.

Keywords：

MCU,ADC0809,AD590,softwaresystem,hardwaresystem

1引言6

2单片机多通道温度采集测控系统分析与设计6

2.1总体分析6

2.2AT89C51单片机的性能及应用6

2.3控制框图的设计系统9

3单片机多通道温度采集测控11

3.1输入电路的设计11

3.1.1集成温度传感器AD590的简单介绍12

3.1.2放大电路的设计13

3.2单通道，循环检测工作方式选择电路的设计13

3.3A/D0809与AT89C51接口电路的设计14

3.4输出电路设计16

3.4.1四位LED数码管驱动电路的设计16

3.4.2超温报警电路的设计18

3.4.3温度控制电路的设计18

3.5电源的设计实现18

3.6电路板的制作与调试20

3.6.1电路原理图的绘制过程20

3.6.2PCB板的制作22

3.6.3电路的焊接24

4单片机多通道温度采集测控系统的软件24

4.1主程序的逐步24

4.2CPU抗干扰技术的程序设计24

4.2.1数字滤波24

4.2.2指令冗余和“看门狗”技术25

4.3程序的汇编与调试26

5结束语28

致谢29

参考文献、资料30

1引言

温度测量在各个设计有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对温度测量的精度要求愈来愈高。

由于AT89C51单片机的设计时间有限其精度不是很高，它的测温范围在0~100℃之间，可以直接应用在对温度精度要求不高的各种现场。

单片机多通道温度采集测控系统采用集成温度传感器满足温度测量，并将温度信号转换成电流，转换为电压信号，通过放大电路最终交由模/数转换芯片转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阳极数码管。

该测量仪可实现多点（8点）不同区域测量，单通道，循环测量。

还具有超温报警和自动控制功能，当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备。

由以上大致分析，整个系统控制将由AT89C51单片机为核心构成。

选用ADC0809作为模/数转换芯片，各个检测信号、控制信号、显示信号可由单片机的I/O口进行，并由程序保证系统抗干扰的能力。

设计任务为：

用单片机设计一个测温范围在0～100的多通道温度测量仪。

设计要求：

完成该系统的软硬件设计，学习掌握单片机采集测控系统的设计方法，提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。

2单片机多通道温度采集测控系统分析与设计

2.1总体分析

由于AT89C51单片机的设计时间有限其精度不是很高，它的测温范围在0~100℃之间，可以直接应用在对温度精度要求不高的各种现场。

单片机多通道温度采集测控系统采用集成温度传感器满足温度测量，并将温度信号转换成电流，转换为电压信号，通过放大电路最终交由模/数转换芯片转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阳极数码管。

该测量仪可实现多点（8点）不同区域测量，单通道，循环测量。

还具有超温报警和自动控制功能，当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备。

由以上大致分析，整个系统控制将由AT89C51单片机为核心构成。

选用ADC0809作为模/数转换芯片，各个检测信号、控制信号、显示信号可由单片机的I/O口进行，并由程序保证系统抗干扰的能力。

2.2AT89C51单片机的性能及应用

单片机是早期SingleChipMicrocomputer的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。

然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。

鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller）。

大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。

它不同于一般通用计算机系统结构，即程序和数据共用一个空间的冯诺伊曼（VonNeumann）结构。

AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。

其主要特征如下：

8位CPU，内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次，完全静态操作：

0Hz~24Hz，可输出时钟信号，三级加密程序存储器，128B×8的片内数据存储器（RAM），32根可编程I/O线，2个16位定时/计数器，中断系统有6个中断源，可编为两个优先级，一个全双工可编程串行通道，可编程串行UART通道，具有两种节能模式：

闲置模式和掉电模式

（1）单片机的基本组成  

它由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O 接口、定时/ 计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。

输入 / 输出引脚 P0、P1、P2、P3的功能：

图2-1为AT89C51的引脚图：

P0口（P0.0-P0.7）：

P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。

在EPROM编程时，由P0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。

验证程序时，要求外接上拉电阻。

 P0 能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL 负载。

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。

P口（P1.0-P1.7）:

P1口是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在 EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址。

P1能驱动4个LSTTL负载。

在AT89C51中，P1.0 还相当于专用功能端T2，即定时器的计数触发输入端；P1. 1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2的外部控制端。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口（P2.0-P2.7（21-28脚））：

P2也是一上带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2口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。

在访问外部存储器时，由它输出高 8 位地址。

在对 EPROM 编程和程序验证时，由它输入高 8 位地址。

 P２驱动4个 LSTTL 负载。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）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（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器SFR区中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（P3.0-P3.7（10-17脚））：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

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，如表1-1所示：

表1-1AT89C51的P3口特殊功能

口管脚

备选功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器和程序校验的控制信号。

（2）MCS-51 的寻址方式：

（1） 、立即寻址 如：

 MOV A ， #40H  

（2） 、直接寻址 如：

 MOV A ， 3AH  

（3） 、寄存器寻址 如：

 MOV A ， Rn  

（4） 、寄存器间接寻址 如：

 MOV A ， @Rn 

（5）、基址加变址寻址 如：

 MOVC A ， @A+DPTR  

（6）、相对寻址 如：

 SJMP 08H  

（7） 、位寻址 MOV 20H ， C  

（3）指令：

MOV ：

 片内 RAM 传送 

MOVX ：

 片外 RAM 传送  

MOVC ：

 ROM 传送  

XCH ：

 交换（和 A 交换）  

SWAP ：

 A 内半字节交换  

ADD ：

不带进位加  

ADDC ：

带进位加  

SUBB ：

带进位减  

INC ：

加 1  

DEC ：

减 1  

MUL ：

乘法  

DIV ：

除法  

DAA ：

调整  

（4）计数初值的计算 

定时或计数方式下计数初值如何确定，定时器选择不同的工作方式，不同的操作模式其计数值均不相同。

因为 AT89C51 的两个定时器均为加 1 计数器，当初到最大值（ 00H 或 0000H ）时产生溢出，将 TF 位置 1 ，可发出溢出中断，因此计数器初值 X 的计算式为：

 X=M- 计数值式中的 M 由操作模式确定，不同的操作模式计数器的长不相同，故M值也不相同。

而式中的计数值与定时器的工作方式有关。

（a）计数工作方式  

计数工作方式时，计数脉冲由外部引入，是对外部冲进行计数，因此计数值根据要求确定。

其计数初值：

 X=M- 计数值  

例如：

某工序要求对外部脉冲信号计 100 次， X=M-100  

（b）定时工作方式 

定时工作方式时，因为计数脉冲由内部供给，是对机器周期进行计数，故计数脉冲频率为 

f cont =f osc × 1/12 （式1-1）

计数周期 T=1/f cont =12/f osc 定时工作方式的计数初值 X 等于：

X=M-计数值 =M-t/T=M- （ f osc × t ） /12  （式1-2）

式中：

 fosc 为振荡器的振荡频率， t 为要求定时的时间。

定时器有两种工作方式 ：

即定时和计数工作方式。

由 TMOD 的 D6 位和 D2 位选择，其中 D6 位选择 T1 的工作方式， D2 位选择 T0 的工作方式。

 =0 工作在定时方式， =1 工作在计数方式。

并有四种操作模式：

1 、模式 0 ：

 13 位计数器， TLi 只用低 5 位。

2 、模式 1 ：

 16 位计数器。

3 、模式 2 ：

 8 位自动重装计数器， THi 的值在计数中不变， TLi 溢出时， THi 中的值自动装入 TLi 中。

4 、模式 3 ：

 T0 分成 2 个独立的 8 位计数器， T1 停止计数。

MCS-51 有 5 个中断源，可分为 2 个中断优先级，即高优先级和低优先级，中断自然优先级：

外部中断 0 ；定时器 0 中断； 外部中断 1 ；定时器 1 中断 ； 

串行口中断 ；定时器 2 中断 

（a）同级或高优先级的中断正在进行中； 

（b）现在的机器周期还不是执行指令的最后一上机器周期，即正在执行的指令还没完成前不响应任何中断； 

（c）正在执行的是中断返回指令 RET1 或是访问专用寄存器 IE 或 IP 的指令，换而言之，在 RETI 或者读写 IE 或 IP 之后，不会马上响应中断请求，至少要在执行其它一要指令之扣才会响应。

（5）中断响应的条件  

CPU 响应中断的条件有：

（a）有中断源发出中断请求；  

（b）中断总允许位 EA=1 ，即 CPU 开中断；

（c）申请中断的中断源的中断允许位为 1 ，即没有被屏蔽。

（6）串行口工作方式及帧格式 

MCS-51 单片机串行口可以通过软件设置四种工作方式：

方式 0 ：

这种工作方式比较特殊，与常见的微型计算机的串行口不同，它又叫同步移位寄存器输出方式。

在这种方式下，数据从 RXD 端串行输出或输入，同步信号从 TXD 端输出，波特率固定不变，为振荡率的 1/12 。

该方式是以 8 位数据为一帧，没有起始位和停止位，先发送或接收最低位。

方式 2 ：

采用这种方式可接收或发送 11 位数据，以 11 位为一帧，比方式 1 增加了一个数据位，其余相同。

第 9 个数据即 D8 位具有特别的用途，可以通过软件搂控制它，再加特殊功能寄存器 SCON 中的 SM2 位的配合，可使 MCS-51 单片机串行口适用于多机通信。

方式 2 的波特率固定，只有两种选择，为振荡率的 1/64 或 1/32 ，可由 PCON 的最高位选择。

方式 3 ：

方式 3 与方式 2 完全类似，唯一的区别是方式 3 的小组特率是可变的。

而帧格式与方式 2- 样为 11 位一帧。

所以方式 3 也适合于多机通信。

随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU 、RAM 、 ROM 、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，直译为单片机 。

（7） 掉电模式：

在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器SFR的内容在终止掉电模式前被冻结，退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。

2.3控制框图的设计系统

主要包括对A/D0809的数据采集，检测单通道、循环检测工作方式，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。

此外还有复位电路，晶振电路，启动电路等。

故现场输入硬件有通道选择键、温度设置键、自动方式键、A/D转换芯片。

执行机构有4位数码管、继电器等。

系统框图如图2-2：

图2-2控制框图

3单片机多通道温度采集测控，系统分析与设计的硬件

在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。

在第二章中已分析了系统并绘制了框图，下面将根据框图分别设计各部分电路。

3.1输入电路的设计

温度信号的采集电路。

放大电路输入口连接温度传感器AD590的两个引脚。

AD590是一种具有良好温度特性的电压输入/电流输出型温度传感器。

可以在-55℃~150℃温度范围内正常工作。

当输入从+4V～+30V的宽范围电压时，将按1μA/℃的比例输出反映当前温度的电流信号。

如当感应温度为0℃时，输出的电流为273μA。

本设计中给AD590提供了12V的电压，以保证其能正常工作，温度监控范围可在0℃～100℃范围内由控制部分自定义。

3.1.1集成温度传感器AD590的简单介绍

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：

式中，K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

它的主要特性如下：

1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。

式中：

—流过器件（AD590）的电流，单位mA。

T—热力学温度，单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MW。

5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。

由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

图3-1中的图（a）是AD590的封装形式，图（b）AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输入电压V0随温度的变化为1mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。

调整的方法为：

把AD590放于冰水混合物中，调整电位器，使V0=273.2mV。

或在室温下（25℃）条件下调整电位器，使V0=273.2+25=298.2（mV）。

但这样调整可保证在0℃或25℃附近有效高精度。

图3-1AD590的封装形式与基本应用电路

3.1.2放大电路的设计

在许多需要A/D转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，这种情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

仪表器的选型很多，在这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，其实就是典型的差动放大器。

它只需三