单片机多通道温度采集测控系统.docx

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单片机多通道温度采集测控系统

单片机多通道温度采集测控系统

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2007-12-1910:

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单片机多通道温度采集测控系统

摘要3

Abstract4

第一章前言5

第二章 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

2.2 AT89C51单片机的性能及应用6

2.3 控制框图的设计系统7

第三章 单片机多通道温度采集测控系统分析与设计的硬件9

3.1 输入电路的设计9

3.1.1 集成温度传感器AD590的简单介绍9

3.1.2 放大电路的设计10

3.2 单通道，循环检测工作方式选择电路的设计12

3.3  A/D0809与AT89C51接口电路的设计13

3.4 输出电路设计15

3.4.1 四位LED数码管驱动电路的设计15

3.4.2 超温报警电路的设计17

3.4.3 温度控制电路的设计17

3.6 电路板的制作与调试19

3.6.1电路原理图的绘制过程19

3.6.2  PCB板的制作21

3.6.3 电路的焊接24

第四章 单片机多通道温度采集测控系统的软件25

4.1 主程序的逐步25

4.1.1 初始化和工作方式选择程序的设计25

4.1.2 显示程序的设计27

4.1.3 二进制温度值转化成BCD码温度显示值的程序设计28

4.1.4 延时子程序的设计30

4.1.5 数模转换测量子程序的设计30

4.1.6 按键检测子程序的设计32

4.1.7 超温报警程序及继电器控制程序的设计33

4.2  CPU抗干扰技术的程序设计34

4.2.1数字滤波35

4.2.2　指令冗余和“看门狗”技术35

4.2.3　提高RAM 资料可靠性35

4.2.4 总　结35

4.3 程序的汇编与调试35

第五章 结束语39

5.1 本次设计心得体会39

5.2 总结40

5.3 谢词43

参考文献、资料：

44

附录一 图和表45

附录二 外文资料翻译47

摘要

温度测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。

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，本文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，本文重点对测控硬件、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

第一章前言

温度测量在工业，农业，国防等行业有着广泛的应用，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。

    除此之外，考虑到测控会用于工业生产当中，可靠性要求比较重要，并要具有抗干扰能力和避免、消除干扰的能力，以保证系统平稳工作。

    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。

第二章 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。

    除此之外，考虑到测控会用于工业生产当中，可靠性要求比较重要，并要具有抗干扰能力和避免、消除干扰的能力，以保证系统平稳工作。

    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。

2.2 AT89C51单片机的性能及应用

    单片机是早期Single Chip Microcomputer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（Microcontroller Unit）。

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

    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（Von Neumann）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。

该单片机采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。

其主要特征如下：

○18位CPU

○2内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次

○3完全定态操作：

0Hz~24Hz，可输出时钟信号

○4128B的片内数据存储器

○532根可编程I/O线

○62个16位定时/计数器

○7中断系统有6个中断源，可编为两个优先级

○8一个全双工可编程串行通道

○9具有两种节能模式：

闲置模式和掉电模式

    值得注意的是，P0、P1、P2、P3口作为普通I/O口使用时都是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。

当内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中的0、1状态立即反映到引脚上。

但在输入操作时，如果锁存器状态为0引脚被钳位0状态，导致无法读出引脚的高电平输入。

因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置1（称之为置输入方式）。

然后，再读引脚，例如：

要将P1口的状态读入到累加器A中，应执行以下两条指令：

MOV P1，#0FFH ；P1口置入方式

MOV A， P1 ；读P1口引脚状态到A

    另外，I/O口的端口自动识别功能，保证了无论是P1口（低8位地址）P2口（高8位地址）的总线复用，还是P3口的功能复用，内部资源自动选择而不需要用指令进行状态选择。

    近年来，随着计算机技术的发展，单片机的功能越来越强大。

由于单片机的寿命长、速度快、低功耗、低噪声、可靠性高的特点及16位、32位单片机的出现，在工业领域仍具有很大的发展潜力。

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2.1：

2．1 控制框图

第三章 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，即：

 mA/K

式中：

  —流过器件（AD590）的电流，单位为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 AD590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。

它只需三个廉价的普通运算放大器和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。

广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量、医疗器械及其它数字采集的系统中。

电路图参见图3. 2。

电路原理并不复杂。

要使电路满足平衡，则R1=R2、R3=R4、R5=R6，因为每个运放的特性不可能完全一致，在A和A2的Pin1、Pin8增设了调零电位器VR1和VR2，这在实际的应用中是非常有用的。

假设A1、A2的失配、失调电压和电流均为零的情况下，其差模电压增益为：

 整个电路采用正负两组电源供电，这样可对正或负输入电压进行放大。

电源电压一般可取±5—±15V，但对其稳定度有一定的要求。

图1中的电容C用于除抖动和抗干扰，其取值应以实际的用途，根据放大的信号特性决定。

    可选用的运算放大器相当多，如OP-07，OP-725，如果要求不高，甚至可选价廉的uA741等通用运算放大器。

本设计的放大电路采用高精度集成运放OP-07做放大元件,OP-07为一种具有低失调电压、低失调电流和低温漂的超低失调运算放大器，其广泛地应用于稳定积分、精密加法、比较、阖值电压检测、微弱信号精确放大等场合，是一种通用性极强的运算放大器。

OP-07的电源电压范围 3～ 18V，输入电压范围为0～ 14V，其引线图如图3. 2。

3.3 OP-07管脚图

3.2 单通道，循环检测工作方式选择电路的设计 

通道选择工作方式由独立式按键实现。

独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状不会影响其它输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个健被按下了。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。

但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量多时，输入口浪费大，电路结构显得很繁杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的合。

用查询方式的独立式按键工作，按键直接与AT89C51的I／O口线相接，通过读I／O口，判定各I／O口线的电平状态，即可识别按下的按键。

 独立式按键电路中，各按键开关均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各I／O口线有确定的高电平，当然如输入口线内部已有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可省去。

对独立按键盘进行编程，采用软件消抖的方法，以查询工作方式检测各按键的状态。

当有且仅有一键按下时才予以识别，如有两个或多个键同时按下将不予以处理。

通道选择由按键选择，由P3.5、P3.6扫描实现

3.3  A/D0809与AT89C51接口电路的设计 

ADC0809是美国国家半导体公司（National Semiconduct Corporation）产品。

是逐次逼近型芯片，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0~~5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR，控制与时序电路等。

输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线。

ADC0809的分辨率为8位，单一5V供电，功耗为15mW，图3.4  ADC0809管脚图

不必进行零点和满刻度调整，外部时钟频率范围为10KHz~~1280KHz, ADC0809和

AT89C51的硬件接口有三种方式：

查询方式，中断方式，等待延时方式。

此测量仪采用中断方式。

虽然ADC0809走过了自己的辉煌时期，已经不是目前功能最好的模数转换器件，但是他的廉价和品质在许多领域被广泛使用。

A∕D转换器ADC0809与单片机的连接如图3.5所示。

ADC0809的8个模拟量输入都用了，分别连接温度传感器的测量和放大电路的输出。

ADC0809的时钟由AT89C51的ALE图3.5  ADC0809与AT89C51的接口线路

信号提供，根据ACD0809对工作时钟的要求和控制器对漏电和短路信号的反应速度的要求，ADC0809时钟频率通过4024分频器分频，这样，若A∕D转换的时间为0．1ms，则控制器循环采样完8个仿真输入信号需要0．8ms时间。

这样的采样速度足够满足漏电和短路的保护要求。

3.4 输出电路设计

3.4.1 四位LED数码管驱动电路的设计

在单片机系统中，常用的显示器有：

发光二极管显示器，简称LED（LightEmittingDiode），液晶显示器，简称LCD（LiquidCrystalDisplay）；荧光管显示器。

近年来也开始使用简易的CRT接口，显示一些汉字及图形。

前三种显示器都有两种显示结构；段显示（7段，“米”字型等）和点阵显示（5X?

，5X8，8X8点阵等）。

而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。

   三种显示器中，以荧光管显示器亮度最高，发光二极管次之，而液晶显示器最弱，为被动显示器，必须有外光源。

   LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有8字段和“米”字段之分。

显示块都有dp显示段，用于显示小数点。

7段LED的字型码，由于只有7个段发光二极管，所以字型码为一个字节。

“米”字段LED的字型码由于有15个段发光二极管，所以字型码为两个字节。

这种显示块有共阳极和共阴极两种。

共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阳板LED显示块的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。

由N片LED显示块可拼接成N位LED显示器。

本设计是4位LED显示器的结构，原理图如3.2.1所示：

    N位LED显示器有N根位选线和8XN（或16XN）根段选线。

根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同。

段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗；

图3.6  4位显示器的构成

LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式，一是LED静态显示方式、二是动态显示。

    ‘

LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5v），每位的段选线（a～dp）分别与一8位的锁存输出相连。

之所以称为静态显示，是由于显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。

也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。

本设计用的是阳极驱动。

图3.5所示为一个四位动态态LED显示器电路。

该电路各位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。

由于各位分别由一个8位输出口控制段选码，故在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。

这种显示方式接口，编程容易，管理也简单，付出的代价是占用口线资源较多。

如图3.5电路所示，若用I/O口线接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器（如74LS244）接口，则要用1片74LS244芯片。

而如果用“米”字段的LED显示器，则静态显示方式需要更多的硬件资源。

如果显示器位数增多，则静态显示方式更是无法适应。

因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。

3.4.2 超温报警电路的设计 

声音是由震动所产生的， 一定频率的震动就产生了一定频率的声音。

这个实验是喇叭里发出滴答一长一短的报警声音,送出的端口是p2.7输出1khz,2khz变频信号报警,每一秒交换一次。

接线方法：

 用一根1PIN数据线一端插入CPU部分JP53（P2口）的P2.7另外一端插入小喇叭部分的输入端JP16。

如图3.6。

3.7超温报警电路的实现

3.4.3 温度控制电路的设计 

利用P2.6输出高低，控制继电器的开合，实现对外部装置的控制。

现代自动控制设备中，都存在一个电子电路与电气电路的互相连接问题，一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机，电磁铁，电灯等），另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全。

电子继电器便能完成这一桥梁作用。

    继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电时产生的反电势，防止干扰。

本电路的控制端为JD，当JD为高电平时，继电器不工作，当JD为低电平时，继电器工作，常开触点吸合。

执行时，对应的LED将随继电器的开关而亮灭。

 3.8 继电器控制电路

3.5 电源的设计实现

电源要对单片机和各种芯片提供5V,要对运放及传感器提供正负12V。

电源通过对220V的交流电源降压，出12V交流；再通过全波整流，输出12V直流。

如图3.9：

3.9 电源电路图

3.6 电路板的制作与调试

    PCB板的制作在proter 99 se中进行，Protel 99SE采用数据库的管理方式。

Protel 99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。

新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。

新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。

增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。

Protel 99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

3.6.1电路原理图的绘制过程 

    在PCB板制作之前，先进行了原理图的绘制。

1新建设计数据库文件

双击Protel 99SE 图标，点击File（文件）中new项，新建设计数据库。

新建设计文件，有两种方式：

一种为MS Access Database方式，全部文件存储在单一的数据库中，同原来的99文件格式。

另一种为Windows File System方式，全部文件被直接保存在对话框底部指定的磁盘驱动器中的文件夹中，在资源管理器中可以直接看到所建立的原理图或PCB文件。

在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击OK即可建立自己的设计数据库。

然后新建文档，给文档取与设计相同的文件名。

双击打开，这样就可以开始工作了。

2 原理图图纸设计

打开“设计”  “选项”   “图纸选项”就可以设定图纸了，由于本设计原理图不是太大，所以选用A4纸，便于安放器件，所以抓取和可视都选用“5”。

图纸放大就可以进行下一步的器件安放了。

3 器件的安放

器件的安放先要添加库，库文件在系统盘下，在99 se下的lib文件夹下。

具体路径为“设计”    “添加/删除库”     然后对话筐打开就可以直接添加了。

库添加完后，就寻找器件，找到后单击，然后“放置”，在器件浮动的状态可以对器件进行旋转，“空格”顺时针旋转90度，“x”左右翻转180度，“y”上下翻转180度。

然后根据电路需求进行安放。

由于电子产品的日新月异，不是每个都也有图库了，所以有的需要自己建。

当器件按需要安放完后就开始连线了。

3 原理图连线设计

确定起始点和终止点，Protel99 SE就会自动地在原理图上连线，从菜单上选择“Place/Wire”后，按空格键切换自动连线方式。

观察状态栏就可以看出“Auto Wire”Protel99 SE 自动连线、任意角度、45连线、90连线，使得设计者在设计时更加轻松自如。

只要简单地定义AutoWire方式。

自动连线可以从原理图的任何一点进行，不一定要从管脚到管脚。

4、同步设计

在Protel99SE中使得原理图与PCB同步是容易的。

Protel99SE包含一个强大的设计同步工具，使得非常容易地在原理图和PCB之间转移设计信息。

同步设计是更新目标文件的过程，它基于参考文件中上一次的设计信息。

当你执行同步时，通过以下选择告诉它要转换的方向：

从原理图到PCB的更新

从PCB到原理图的更新

同步设计执行设计信息的初始化转移，还有正向和反向标注处理、替换创建的网络表—加载网络表顺序、反向标注—在PCB设计中习惯使用的重标注顺序。

5、在原理图上标注汉字或使用国标标题栏

在原理图上放汉字，可以直接点击“Place”选乡下的“Annotation”放置汉字。

如果