学士学位论文温度传感与温度过程控制.docx
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学士学位论文温度传感与温度过程控制
目录
摘要
关键字
一、概述
二、芯片介绍
2.1AT89C51介绍
2.2AD0809介绍
2.374LS164介绍
三、单片机的最小应用系统
3.1单片机的时钟电路
3.2复位电路和复位状态
3.3总线结构
3.489C51单片机的最小应用系统
四、温度采集控制系统设计
4.1温度传感器的分类和应用
4.1.1模拟温度传感器
4.1.2逻辑输出型温度传感器
4.1.3数字式温度传感器
4.2常用外围设备接口电路
4.3LED数码管显示接口
4.3.1LED数码管
4.3.2LED数码管编码方式
4.3.3LED数码管显示方式和典型应用电路
4.4设计说明
4.5流程图及源程序
4.5.1流程图
4.5.2源程序
4.6电路图
五、温度过程控制系统设计
5.1键盘接口
5.1.1按键开关去抖动问题
5.1.2查询式按键及其接口
5.1.3矩阵式键盘及其接口
5.1.4键盘扫描控制方式
5.2控制说明
5.3流程图及源程序
5.3.1流程图
5.3.2源程序
5.4电路图
小结
温度传感与温度过程控制设计
摘要
温度传感与温度过程控制是一个综合性系统。
温度通过模拟温度传感器（热敏电阻）进行采样并转换为电压信号，经放大器放大后用ADC0809模数转换器进行A/D转换成数字量进入AT89C51单片机，从P3.0、P3.1口输出到八段数码管LED静态显示部分显示其温度。
采用查询式键盘设定和改变初始值、比较设定值与输入温度值来控制加热，加热器为加热电阻。
关键字:
单片机（AT89C51）、A/D转换器（ADC0809）、串入并出移位寄存器（74LS164）。
概述
温度控制系统是比较常见的和典型的过程系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，在冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的处理温度等均需要对温度严格控制。
当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好的多。
本设计是针对MCS—51型89C51系列单片机在检测和控制方面的应用，分析温度控制系统实际。
在设计中，首先介绍了一下在设计中用到的一些重要芯片，如AT89C51、ADC0809、74LS164等，使读者在阅读过程中，对各个芯片的具体功能更加清晰。
在温度采集电路设计中，以大量的篇幅介绍了温度采集与数据变换过程、LED数码管显示接口，并将设计的流程图、源程序及电路图有序的列出，给人一种明了的感觉。
在温度过程控制系统设计中，详细的介绍了控制要求及键盘接口有关知识，也将设计的流程图、源程序及电路图有序的列出，使整个设计清晰、完整。
一、芯片介绍
1AT89C51介绍
图2-1AT89C51结构框图
89系列中，典型的单片机有AT89C51、AT89C2051，AT89S8252等。
在这里，以这些单片机为典型作简要的介绍，包括它们的主要性能、结构框图以及引脚功能的说明。
AT89C51的结构框图如图2-1所示。
AT89C51单片机还有一种低电压的型号，即AT89LV51，除了电压范围有区别之外，其余特性与AT89C51完全一致。
AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。
片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。
它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。
片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此AT89C51/LV51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。
1.1主要性能
1.1.14KB可改编程序Ｆlash存储器（可经受1000次的写入／擦除）。
1.1.2全静态工作：
0Hz～24MHz。
1.1.33级程序存储器保密。
1.1.4128×8字节内部RAM。
1.1.532条可编程I/O线。
1.1.62个16位定时器/计数器。
1.1.76个中断源。
1.1.8可编程串行通道。
1.1.9片内时钟振荡器。
另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式—空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。
在这空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。
在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。
1.2引脚功能说明
图2-2是AT89C51/LV51的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。
下面分别叙述这些引脚的功能。
（1）主电源引脚
Vcc：
电源端。
GND：
接地端。
（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1：
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。
（3）控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/
，
/Vpp
RST：
复位输H入端。
当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
图2-2AT89C51/LV51的引脚结构
ALE/
：
当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（
）。
如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。
该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。
另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。
：
程序存储允许（
）输出是外部程序存储器的读选通信号。
当AT89C51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次
有效（即输出2个脉冲）。
但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/Vpp：
外部访问允许端。
要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则
端必须保持低电平（接到GND端）。
然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存
端的状态。
当
端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。
在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。
（4）输入/输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7和P3.0～P3.7。
P0端口（P0.0～P0.7）：
P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7）：
P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。
在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
P2端口（P2.0～P2.7）：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对Flash编程和程序校难期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（P3.0～P3.7）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。
在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。
复用功能如表2-1所列。
在对Flash编程或程序校验地，P3还接收一些控制信号。
表2-1P3各端口引脚与复用功能表
端口引脚
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
1.2ADC0809介绍
ADC0809是8位CMOS逐次逼近式A/D转换器。
内部有8路模拟量输入和8位数字量输出的A/D转换器，它是美国国家半导体公司的产品，是目前国内最广泛的8位通用的A/D转换的芯片。
其结构图如图2-3所示
图2-3ADC0809结构图
1.2.1ADC0809各管脚功能
ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚，如图2-4所示
图2-4ADC0809引脚图
1.2.1IN0--IN7：
为8路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压
1.2.2ADDA、ADDB、ADDC：
三位地址输入端。
八路模拟信号转换选择由A、B、C决定。
A为低位，C为高位
1.2.3CLOCK：
外部时钟输入端，时钟频率高，A/D转换速度快。
允许范围为10~1280KHz，典型值为640KHz，此时，A/D转换时间为10us。
通常由MCS-51型单片机ALE端直接或分频后与其相连。
当MCS-51型单片机无读写外，RAM操作时，ALE信号固定为CPU时钟频率的1/6，若单片机外接的晶振为6MHz，则1/6为1MHz，A/D转换时间为64us。
1.2.4D0--D7：
数字量输出端，A/D转换的结果由这几个端口输出。
1.2.5OE：
A/D转换结果输出允许控制端，当OE端为高电平时，允许将A/D转换结果从D0~D7端输出。
通常由MCS-51型单片机的
端和ADC00809片选端（例如P2.0）,通过或非门与ADC0809的OE端相连接。
当DPTR为FEFFH，且执行“MOVXA，@DPTR”指令后，
和P2.0均有效，或非后产生高电平，使ADC0809的OE端有效，ADC0809将A/D转换的结果送入数据总线P0口，CPU在读入中。
1.2.6ALE：
地址锁存允许信号。
八路模拟通道地址由A、B、C输入在ADC0809的ALE信号有效时，将该八路地址锁存。
1.2.7START：
启动A/D转换信号。
当START端输入一个正脉冲时，立即启动ADC0809进行A/D转换。
START端与ALE端连在一起，由MSC-51型单片机WR和ADC0809片选端（例如P2.0）。
通过或非门连接，当DPTR为FEF8H时，执行“MOVX@DPTR,A”指令后，将启动ADC0809模拟通道0的A/D转换。
FEF8H~FEFFH分别为八路模拟输入通道的地址。
执行MOVX写指令，并非真的将A中的内容写进ADC0809中，ADC0809中没有一个寄存器，能容纳的A中的内容。
ADC0809的输入通道是IN0~IN7，输出通道是D0~D7，因此，执行：
“MOVX@DPTR,A”指令与A中内容无关，但DPTR地址应指向当前A/D的通道地址。
1.2.8DOC：
A/D转换结果信号。
当ADC0809启动A/D转换后，EOC输出低电平，转换结束后，EOC输出高电平，表示可以读取A/D转换的结果。
该信号取反后若与MCS-51型单片机引脚
或
连接，可引发CPU中断，在中断服务程序中读A/D转换的数字信号，若与MCS-51型单片机两个中断源已用完，则EOC也可与P1口或P3口的一条端线相连，不采用中断方式，采用查询方式，查得EOC为高电平后，在读入A/D转换的值。
1.2.9：
VREF+、VREF-：
正负基准电压输入端。
正基准电压的典型值为+5V，可与电源电压+5V相连，但电源电压往往有一定的波动，将影响A/D转换的精度。
因此，精度要求较高时，可用高稳定基准电源输入。
当模拟信号电压较低时，基准电压也可取低于5V的数值。
1.2.10VCC、GND：
正电源电压端和地端。
2.374LS164介绍
74LS164串行输入并行输出移位寄存器
本设计是用74LS164把输入的串行数转换成并行数输出。
图2-574LS164引脚图
其引脚图如图2-5所示，功能如下：
A、B：
串行输入端
Q0~Q7：
并行输出端
：
清零端，低电平有效
CLK：
时钟脉冲输入端，上升沿有效
三、单片机的最小应用系统
单片计算机应该是一个最小的应用系统，但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯内部，如晶振、复位电路等，需要在片处加接相应的电路。
对于片内无程序存储器的单片机，还应该配置片外程序存储器。
3.1单片机的时钟电路
MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。
MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。
（1）内部时钟方式
利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。
最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器，如图3-1所示。
晶体可在1.2~12MHz之间选择。
MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。
对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。
C1和C2可在20～100pF之间取值，一般取30pF左右。
（2）外部时钟方式
在由我单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的合用外部振荡脉冲作为各单自片机的时钟。
外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。
由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。
HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图3-2所示。
由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上接电阻。
CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图3-3所示。
3.2复位电路和复位状态
MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。
MCS-51单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位。
（1）复位电路
MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位键两种方式。
最简单的复位电路如图3-4所示。
上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。
在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。
如果这些芯片复位端的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连。
3-4简单的复位电路
在实际的应用系统中，为了保证单片机可靠地工作，常采用“看门狗”监视单片机的运行。
采用MAX690的复位电路如图3-5所示，该电路具有上电复位和监视MCS-51单片机的P3.3的输出功能。
一旦P3.3不输出高低电平交替变化的脉冲，MAX690就会自动产生一复位信号使单片机复位。
图3-5MAX690组成的复位电路
（2）复位状态
复位电路的作用是使单片机执行复位操作。
复位操作主要是把PC初始化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。
程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。
留出的0000H～0002H3个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。
除PC之外，复位还对其他一些特殊功能的寄存器有影响，它们的复位状态如表5-1所示。
利用它们的复位状态，可以减少应用程序中的初始化编程。
由表3-1可知，除SP=07H，P0～P34个锁存器均为FFH外，其他所有的寄存器均为0，很好记忆。
记住他们的复位状态，对于熟悉单片机的操作，减少应用程序中的初始化编程都是十分必要的。
单片机的复位不影响片内RAM的状态（包括通用寄存器Rn）。
表3-1寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
OOH
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH0
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0～P3
FFH
TH1
00H
IP
Xxx00000B
SCON
00H
IE
0xx00000B
PCON
0xx00000B
P0、P1、P2、P3共有4个8位并行I/O口，它们引线为：
P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7，共32条引线。
这32条引线可以全部用做I/O线，也可将其中部分用做单片机的片外总线。
①控制线
A、ALE地址锁存允许
当单片机访问外部存储器时，输出信号ALE用于锁存P0口输出的低8位地址A7～A0。
ALE的输出频率为时钟振荡频率的1/6。
B、
程序存储器选择
=0，单片机只访问外部程序存储器。
对内部无程序存储器的单片机8031，
必须接地。
=1，单片机访问内部程序存储器，若地址超过内部程序存储器的范围，单片机将自动访问外部程序存储器。
对内部有程序存储器的单片机，
应接高电平。
C、
片外程序存储器的选通信号。
此信号为读外部程序存储器的选通信号。
D、RST复位信号输入
②电源及时钟
V8S地端接地线，VCC电源端接+5V，XTAL1和XTAL2接晶振或外部振荡信号源。
3.3总线结构
单片机的引线除了电源、复位、时钟输入、用户I/O口外，其余引线都是为实现系统扩展则设置的，这些引线构成了单片机外部的3总线形式，如图3-6所示，下面分别予以介绍。
图3-6片外3总线结构
①地址总线
地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）。
由口的位结构可知，MCS-51单片机在进行外部寻址时，P0口的8根引绠低8位地址和8位数据的复用线。
P0口首先将低8位的地址发送出去，然后再传送数据，因此要用锁存器将先送出的低8位地址锁存。
MCS-51常用74LS373或8282做地址锁存器。
②数据总线
数据总线宽度为8位，由P0口提供。
③控制总线
MCS-51用于外部扩展的控制总线除了它自身引出的控制线RES、
、ALE、
外，还有由P3口的第二功能引线：
外部中断0和外部中断1输入线
和
，以及外部RAM或I/O端口的读选通和写选通信号
和
。
3.489C51单片机的最小应用系统图3-789C51单片机的最小应用系统
构成最小应用系统时只要将单片机接上外部的晶体或时钟电路和复位电路即可，如图3-7所示，这样构成的最小系统简单可靠，其特点是没有外部扩展，有可供用户的大量的I/O线。
四、温度采集控制系统设计
4.1温度传感器的分类和应用
按照温度传感器输出信号的模式，可大致划分为三类：
数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。
4.1.1模拟温度传感器
传统的模式温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。
集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。
常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。
这里主要介绍该类器件的几个典型。
1．590温度传感器
AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA（-50ºC）～423μA（+150ºC）,灵敏度为1μA/ºC。
当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。
注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。
AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。
作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。
适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。
2．LM135/235/335温度传感器
LM135/235/335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管，该系列器件灵敏度为10mV/ºK,具有小于1Ω的动态阻抗，工作电流范围从400μA到5mA，精度为1ºC，LM135的温度范围为-55ºC～150ºC，LM235为-40ºC～+125ºC，LM335为-40ºC～+100ºC。
封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。
该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。
4.1.2逻辑输出型温度传感器
在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。
LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。
1．LM56温度开关
LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关，内置1.25V参考电压输出端。
最大只能带50μA的负载。
电源电压座2.7~10V，工作电流最大230μA，内置传感器的传感器的灵敏度为6.2mV/ºC，传感器输出电压为6.2mV/ºC×T+395mV。
2．MAX6501/02/03/04温度监控开关
MAX6501/02/03/04是具有逻辑输出和SOT-23封装的温度监视器件开关，它的设计非
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