最新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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最新南昌航空大学单片机课程设计温度的采集与控制
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8．对关系进行选择、投影或连接运算之后，运算的结果仍然是一个________。
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7.在下列函数中，函数值为数值的是________。
【答案】NULL
X="计算机等级考试"
【答案】B
B.在程序中应加入控制循环结束的语句
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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
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。
前言··································································3
第一章设计内容及设计要求············································4
1.1温度的采集与控制···············································4
第二章硬件电路设计··················································5
2.1方案··························································5
2.2复位电路······················································6
2.3晶振电路······················································6
2.4电桥电路······················································7
2.5放大电路······················································8
2.6AD转换电路····················································9
2.7显示电路······················································11
2.8报警电路······················································12
第三章作品调试及结果分析·······································13
3.1电路的焊接·····················································13
3.2实验的调试·····················································14
3.3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：
图1-1系统原理框图
第二章模块方案比较与论证
●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。
●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：
ORG0000H
LJMPMAIN
MAIN：
CLRP0.0
L0：
MOVA,#0C8H;直接给A赋值200并显示
CJNEA,#0C8H,L1
L1:
JCL2
SETBP0.0
L2：
MOVR0,#33H
MOVR7,#03H
LP：
MOVB,#0AH
DIVAB
XCHA,B
MOV@R0,A
XCHA,B
DECR0
DJNZR7,LP
MOVA,32H
RLA
RLA
RLA
RLA
ORLA,31H
MOVP2,A
MOVA,33H
MOVP3,A
SJMPL0
END
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
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