基于AT89C52的PT100温度采集资料.docx
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基于AT89C52的PT100温度采集资料
设计题目基于AT89C52的PT100温度采集
学生学号：
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
起止日期：
2016.03.7～2016.03.27
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
课程设计任务书
一、设计题目：
基于AT89C52的PT100温度采集
二、设计目的
1．掌握可编程逻辑器件AT89C52的基本原理及利用开发工具Keil4进行可编程逻辑器件设计的方法；（宋体,小四号字）
2．掌握AT89C52定时器，串口中断及LCD1602显示屏显示驱动电路设计的方法；
3．熟练掌握使用AltiumDesigner15对可编程逻辑器件AT89C52的原理图和PCB板图的设计方法；
4．掌握利用Modbus通讯协议进行可编程逻辑器件AT89C52进行硬件下载和调试的方法。
三、设计任务及要求
设计并实现PT100温度在采集、LCD1602显示屏进行显示和上位机组态王软件的显示。
下载芯片：
AT89C52，MAX485，
1．具有时、分、秒显示，24小时循环计时功能；
2．具有时间校准（调时或对时）功能；
四、设计时间及进度安排
设计时间共两周（2005.11.7～2005.11.21）,具体安排如下表：
周安排
设计内容
设计时间
第一周
学习可编程逻辑器件AT89C52开发工具AltiumDesigner15的使用，并绘画出PT100温度采集系统的原理图和PCB板图。
理解原理图上边各个器件的功能和使用方法。
2005.11.7
～
2005.11.14
第二周
学习可编程逻辑器件的原理图层次化设计方法，硬件下载实现基本数字时钟功能。
实现发挥与创新要求的部分内容，完成并提交硬件设计作品及硬件课程设计说明书，课程设计答辩。
2005.11.7
～
2005.11.14
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师（签字）:
第一章绪论
智能仪表建立在微电子技术发展的基础上，超大规模集成电路的嵌入，将CPU、存储器、A/D转换、输入/输出等功能集成在一块芯片上，甚至将PID控制组件也置入其中。
加之现场总线的应用，智能仪表与控制系统之间的数字通讯将替代以往的模拟传递，大大提高了精度和可靠性，避免了模拟信号在传输过程中的衰减，长期难以解决的干扰问题得到解决。
由于数字通讯，节省了大量电缆、安装材料和安装费用。
智能仪表及其技术的发展历程
历经以模拟技术为特征的电动单元组合仪表、以数模混合技术为特征的DDZ-S系列仪表的开发后，1983年，美国霍尼韦尔公司向制造工业率先推出了新一代智能型压力变送器，这标志着模拟仪表向数字化智能仪表的转变。
当时的这种智能变送器已具有高精度、远距离校验和灵活组态的特点，并告知用户：
尽管初期购置费用较高，但会被较低的运行和维护费用所补偿。
紧随其后的十年里，国外其他公司的智能压力变送器也陆续在一些生产线上被采用，它们包括：
Rosemount、Foxboro、YOKOGAWA、Siemens、E&H、Bailey、Fuji和ABB等。
但由于缺少高速的智能通讯标准、用户对于高精度监控要求并不突出、培训等服务机制相对薄弱，当时的智能应用并不乐观，只占到了约20%的市场。
随着微电子、计算机、网络和通讯技术的飞速发展以及综合自动化程度的不断提高，目前广泛应用于工业自动化领域的智能仪表，其技术也同样在过去的二十多年里得到了迅猛的发展。
目前国外智能仪表占据了国际应用市场的绝大比重，如何结合目前智能仪表的工业应用经验并快速跟踪国际智能前沿技术应用于我国智能仪表的开发研究成为振兴民族智能仪器仪表的一大突出问题。
智能仪表在工业自动化领域的广泛应用得益于其突出的技术优势和特点，诸如其高稳定性、高可靠性、高精度、易维护性。
以智能变送器为例，智能仪表具备如下优点：
（1）精度高智能变送器具有较高的精度。
利用内装的微处理器，能够实时测量出静压、温度变化对检测元件的影响，通过数据处理，对非线性进行校正，对滞后及复现性进行补偿，使得输出信号更精确。
一般情况，精度为最大量程的±0.1%，数字信号可达±0.075%。
（2）功能强
智能变送器具有多种复杂的运算功能，依赖内部微处理器和存储器，可以执行开方、温度压力补偿及各种复杂的运算。
（3）测量范围宽
普通变送器的量程比最大为10:
1，而智能变送器可达40:
1或100:
1，迁移量可达1900%和-200%，减少变送器的规格，增强通用性和互换性，给用户带来诸多方便。
（4）通信功能强
智能变送器均可实现手操器进行操作，既可在现场将手操器插到变送器的相应插孔，也可以在控制室将手操器连接到变送器的信号线上，进行零点及量程的调校及变更。
有的变送器具有模拟量和数字量两种输出方式（如HART协议），为实现现场总线通讯奠定了基础。
（5）完善的自诊断功能
通过通信器可以查出变送器自诊断的故障结果信息。
对于智能仪表技术及其应用未来发展方向的建议
（1）智能仪表的智能化程度有待进一步提高
智能仪表的智能化程度表征着其应用的广度和深度，目前的智能仪表还只是处于一个较低水平的初级智能化阶段，但某些特殊工艺及应用场合则对仪表的智能化提出了较高的要求，而当前的智能化理论，如：
神经网络、遗传算法、小波理论、混沌理论等已经具备潜在的应用基础，这就意味着我们有必要也有能力结合具体的应用需要下大气力开发高级智能化的仪表技术。
（2）智能仪表的稳定性、可靠性有待长期和持续的关注仪表运行的稳定性、可靠性是用户首要关心的问题，智能仪表也不例外，随着智能仪表技术的不断拓展、新型的智能仪表也将陆续投放市场，这需要我们始终把握一个原则：
每一项智能新技术的应用有待实践的检验，是否用户有信心和勇气敢于做“第一个吃螃蟹的人”。
这就需要安全性、可靠性技术的并行开发。
（3）智能仪表的潜在功能应用有待最大化
目前工业自动化领域的实际应用尚未将智能仪表的功能发挥最大化，而更多的只是应用了其总体功能的半数左右，而这一应用现状的主要原因是，控制系统的总体架构忽略了诸如现场总线的技术优势，这需要仪表厂商与用户建立良好的合作伙伴关系，加强长期合作，以短期投资促长期效益，通过建立“智能仪表+现场总线”的控制系统架构，确立优化的投资观念，达成和谐共赢的目标。
（4）继续加大国内智能仪表的开发投入
智能仪表技术及应用还需要经历一个较为漫长的成熟发展期，而对于国内智能仪表技术及产品开发已经面临着更大的挑战，这种局面召唤着国内仪表行业共同探讨智能仪表的发展问题，应对激烈的国际竞争市场，担负仪表产业的历史使命，在日益优厚的国家及政府扶持政策下，坚持产、学、研的密切结合，继续加大国内智能仪表的开发投入。
第二章PT100与AT89C52
一、温度传感器发展
1．传感器的概述
科学技术离不开测量。
测量的目的就是要获得被测对象的有关物理或化学性质的信息，以便根据这些信息对被测对象进行评价或控制，完成这一功能的器件就我们称之为传感器。
传感器是信息技术的前沿尖端产品，被广泛用于工农业生产、科学研究和生等领域，尤其是温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段;
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）;主要是能够进行非电量和电量之间转换。
（2）模拟集成温度传感器/控制器;
（3）智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
2．传感器的分类
传感器分类方法很多，常用的有2种:
一种是按被测的参数分，另一种是按变换原理来分。
通常按被测的参数来分类，可分为热工参数:
温度、比热、压力、流量、液位等;机械量参数:
位移、力、加速度、重量等;物性参数:
比重、浓度、算监度等;状态量参数:
颜色、裂纹、磨损等。
温度传感器属于热工参数。
温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:
一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。
目前最常用的是辐射热交换原理。
此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
3．传感器的原理及发展
3.1传统的分立式温度传感器—热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度;测量范围广，可从-50℃-1600℃进行连续测量，特殊的热电偶如金铁-镍铬，最低可测到-269℃，钨-铼最高可达2800℃。
热电偶传感器主要按照热电效应来工作。
将两种不同的导体A和B连接起来，组成一个闭合回路，即构成感温元件，如图1所示。
当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象即称为热电效应，也叫温差电效应。
热电偶就是利用这一效应进行工作的。
热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为t的被测介质中。
另一端称为参比端或自由端，放于温度为t0的恒定温度下。
当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。
热电偶两端的热电势差可以用下式表示:
Et=E（t）-E（t0）（2-1）
式中:
Et—热电偶的热电势
E（t）—温度为t时的热电势
E（t0）—温度为t0时的热电势
当参比端的温度t0恒定时，热电势只于工作端的温度有关，即Et=f（t）。
当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径无关，只与热电极的成分及两端的温度有关。
3.2集成（IC）温度传感器
（1）模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控测，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
（2）智能温度传感器
传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）;并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化和谐也取决于软件的开发水平。
二、PT100的简介
铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。
铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定。
因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。
铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。
铂电阻的阻值温度之间的关系，在0～850℃范围内可用下式表示，
Rt=R0（1+At+Bt2）（2-2）
在-200～0℃范围内则用下式表示，
Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）3]（2-3）
式中Rt---温度为t℃时的铂电阻的阻值；
R0---温度为0℃时的铂电阻的阻值；
A、B、C为常数，
A=3.96847×10-3/℃；
B=-5.847×10-7/℃；
C=-4.22×10-12/℃；
对满足上述关系的热电阻，其温度系数约为3.9×10-3/℃。
根据国家从1988年开始采用的IEC标准，工业用标准铂电阻R0有100Ω
和50Ω两种，并将电阻值Rt与温度t的对应关系列成表格，成为铂电阻分度表，分度号分别为Pt100和Pt50。
PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。
PT100的阻值与温度变化关系为：
当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
它的工业原理：
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
设计中我们就是利用PT100的这一特性来实现温度与输出值之间的转化的。
PT100的温度表：
表2-1PT100的温度表
PT100的温度曲线：
图2-1PT100的温度曲线
三、AT89C52单片机
1．AT89C52单片机简介
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL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8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52除了有AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。
2．AT89C52的工作原理：
AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
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P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，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时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
表2-2P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2，时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数器2）
P2口:
P2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（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2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时会输出一个电流（IIL）。
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（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口:
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
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。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，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。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
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，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN:
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
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存储器编程时，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。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
第三章系统方案设计
一．设计简介
该热电阻温度检测系统由三部分组成：
温度检测与处理，模数转换，温度显示。
1温度检测与处理
电阻式温度计是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。
当被测介质中有温度阶梯存在时，所测得温度是感温元件所在范围介质中的平均温度。
尽管导体或半导体材料的电阻值对温度的变化都有一定的依赖关系，但适用于制作温度检测元件的并不多。
由电阻温度传感器检测的信号不稳定，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。
而传感器的输出信号一般又很微弱，为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来我采用了放大器进行信号放大及低通滤波，将噪声去除。
2模数转换
A/D转换器的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于单片机进行处理。
电阻温度计将测量温度以电信号的形式传递给ADC0809（逐次比较型），将电压信号转换成单片机可接收的数字信号。
3温度显示
这部分模块由液晶屏直接与单片机相连。
二．硬件设计
1.单片机电路
本设计的单片机电路由AT89C52单片机最小系统、电源部分、液晶屏显示部分、按键部分、ADC及串行通信接口部分组成。
1.1．单片机最小系统
图3-1单片机最小系统
1.2．液晶屏显示电路
图3-2液晶屏显示电路
1.3．ADC转换电路
图3-3ADC转换电路
1.4．串行通信接口部分
图3-4串行通信接口电路
2.信号调理电路
图3-5信号调理电路
3.电路原理图
图3-6电路原理图
4.PCB板图
图3-7PCB板图
三、软件设计
1．程序设计语言的选用
本设计采用C51高级语言编写，因为其提供了库函数包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力，关键字及控制转移方式更接近人的思维方式，且本身并不依赖于机器硬件系统，移植方便。
2．软件程序的设计
2.1．总体程序流程
程序主要由主程序和子程序两部分构成。
主程序主要实现系统的初始化，A/D转换，显示数据。
系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等），通信的初始化（串口的初始化，ADC0809的初始化，通信缓冲区的初始化），LED显示的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。
显示数据包括数据转换（主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成LED显示所需的数据类型）和显示屏的刷新
子程序主要由温度信号采集程序组成。
主程序流程图如图3-8所示。
图3-8
2.2．温度信号采集处理
单片机通过写信号使START有效，启动AD转换，AD转换结束后，ADC0809通过INT0向CPU发出转换结束信号，引起CPU中断，可在中断程序中读取AD转换的结果。
分别对8路模拟信号轮流采集一次，转换结果依次存放在片外数据RAM中。
AD转换子程序流程图3-9所示。
图3-9
由ADC00809进行标度变换后，信号送给单片机显示，显示部分由液晶屏、单片机及其最小系统构成
显示程序流程图如图所示。
图3-10
3．系统调试
整个温度检测系统由测控电路、放大电路，数模转换电路以及显示部分构成，其中显示部分用的是单片机学习板，所以电路的设计主要是测控、信号放大、数模转换的部分。
3.1．测控电路
为了消除线电阻，采用的是三线制接法的桥式电路。
根据桥式电路原理，电路中的电阻应采用热电阻传感器在0℃时的阻值，为100Ω。
为了能达到测试的目的，所以在桥式电路中应该接入传感器的位置，放入一个100Ω的可调电阻，并使之与两个100Ω的色环电阻串联。
这样，可调的阻值范围可以从50Ω到150Ω，这个范围大于传感器在0℃到100℃的阻值，进而达到在调试过程中模拟传感器变化的目的。
3.2．放大电路
由桥式电路的两个桥臂分别接入AD623仪用放大器的两个输入引脚2和3,1脚和8脚接入可调电阻，为了调节放大倍数。
7脚与VCC相连，4脚接GND，引脚5接入参考电压。
接法是用一个可调电阻，电阻的中间管脚与引脚5相连，电阻的两端分别接VCC和GND。
为了保护芯片，所以进入芯片的电流应该越小越好，换言之，可调电阻的阻值越大越好。
我们使用的是一个10K可调电阻，使用的参考电压为3V，接入的阻值为2.5KΩ，那么电流的大小是2mA，不会烧坏芯片。
3.3．AD通道
23、24、25脚接地，给低电平信号。
信号由IN0输入。
经数模转换，信号从D0~D7送入单片机P1.0~P1.7。
3.4．调试
把测控电路和放大电路连接起来组合调试。
把测控电路的可调电阻调整为100Ω，那么两桥臂的阻值相等，输出的电压都是2.5V,压差为0，那么AD623的输出也为0。
调节测控部分的可调电阻、AD623的两个可调电阻，仪用放大器的输出都会呈线性
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