单片机MAX7219驱动显示的温度控制报警系统设计.docx

1、单片机MAX7219驱动显示的温度控制报警系统设计摘要本系统为基于单片机芯AT89C51的温度控制报警系统，能够测量0100的温度值，采用四位液晶显示测量数值。系统主要由51单片机最小系统、A/D转换电路、模拟量输入电路、数码管驱动电路、数码管显示电路以及温度报警电路这几部分组成。单片机最小系统设计采用AT89C51单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和12MHz震荡电路；本次设计功能简单，利用可调电阻RV1代替温度传感器AD590，利用ADC0808模数转换芯片转换温度测量值；为使系统更加稳定、简洁，采用MAX7219驱动数码管LED显示。本文对测控系统的硬件、软件的组成进行了分项、模块

2、化逐步分析设计，通过硬件与软件的相结合，完成了本次系统设计的功能与参数。关键字：单片机、MAX7219、温度控制、ADC0808目录摘要 - 2 -关键字： - 2 -目录 - 3 -1 系统方案 - 4 -1.1设计目的 - 4 -1.2设计任务与要求 - 4 -1.3设计原理与分析 - 4 -2系统理论分析与计算 - 5 -2.1 设计芯片选择及功能简介 - 5 -2.1.1AT89C51简介 - 5 -2.1.2AT89C51的主要特性 - 6 -2.1.3AT89C51引脚功能 - 6 -2.2.1 ADC0808功能介绍 - 8 -2.2.2 ADC0808的内部逻辑结构 - 8 -

3、2.2.3ADC0808引脚结构 - 9 -2.3.1 MAX7219功能介绍 - 10 -2.3.2 MAX7219各引脚的功能 - 12 -2.3.3 MAX7219内部的寄存器 - 12 -2.3.4 MAX7219读写时序说明 - 14 -3电路与程序设计 - 15 -3.1电路的设计 - 15 -3.1.1系统总体框图 - 15 -3.1.2单片机最小系统电路原理图 - 16 -3.1.3ADC0808模数转换系统电路原理图 - 17 -3.1.3MAX7219显示系统电路原理图 - 17 -3.1.4报警系统电路原理图 - 18 -3.2程序的设计 - 18 -3.2.1程序功能描

4、述与设计思路 - 18 -3.2.2程序流程图 - 18 -4测试方案与测试结果 - 20 -4.1测试方案 - 20 -4.2 测试条件与仪器 - 20 -4.3 测试结果及分析 - 20 -4.3.1测试结果(数据) - 20 -4.3.2测试分析与结论 - 20 -参考文献 - 21 -附录1：电路原理图 - 22 -附录2：电路源程序 - 23 -1 系统方案本统主要由51单片机最小系统模块、A/D转换模块、数码管驱动模块、数码管显示模块以及温度报警模块这几部分组成。1.1设计目的1、利用51单片机实现家庭温度控制与报警系统的仿真与设计，加深对单片机的理性认识，通过实践操作提高我们的动

5、手能力以及理论联系实际的能力。2、熟悉ADC0808模/数转换器的工作原理，及其与单片机的接口方法和驱动程序设计。3、熟悉MAX7219的工作原理，与单片机的接口设计，以及驱动数码管的程序设计方法。4、熟悉AD590的工作原理以及ADC0808的接口与驱动程序的设计。掌握温度控制报警系统的设计方法，提高单片机应用系统的设计和调试能力。1.2设计任务与要求利用AD590温度传感器的功能，将测得的数值通过ADC0808模/数转换器完成模/数转换；采用MAX7219完成数码管的驱动；用51单片机进行数据处理最终将所测电压值通过数码管完成显示；当温度低于30、高于60时，发出报警信号，温度测量范围在0

6、100。1.3设计原理与分析1、当ADC0808完成数/模转换完由AD590发出的模拟信号后发出EOC信号通知单片机接收转换后的数字信号，并且进行数据处理和驱动MAX7219去驱动数码管完成显示功能。2、ADC080用到模拟通道1，启动START信息号线与P33连接，OE线与P31连接，EOC与P32连接， CLOCK时钟输入端与P34连接。3、通过单片机的控制，对AD590进行实时监控，当超出设定的温度值后，发出报警信号。2系统理论分析与计算2.1 设计芯片选择及功能简介2.1.1AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节Fammable and Erasable Read Only

7、Memory）的低电压、高性LASH存储器（FPEROMFlash Progr能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示AT89C51外形及引脚排列。图2.1AT89C51的引脚结构2.1.2AT

8、89C51的主要特性 1、与MCS-51兼容。2、4K字节可编程FLASH存储器。3、寿命：1000写/擦循环。4、数据保留时间：10年。5、全静态工作：0Hz-24MHz。6、三级程序存储器锁定。7、1288位内部RAM。 8、2可编程I/O线。9、两个16位定时器/计数器。10、5个中断源。11、可编程串行通道。12、低功耗的闲置和掉电模式。13、片内振荡器和时钟电路。2.1.3AT89C51引脚功能VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以

9、被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输

10、出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0

11、 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（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为

12、振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密

13、方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信

14、号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.2.1 ADC0808功能介绍ADC0808是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。2.2.2 A

15、DC0808的内部逻辑结构 图2.2ADC0808的内部逻辑结构上图可知，ADC0808由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2.2.3ADC0808引脚结构 图2.3 ADC0808引脚结构图IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0808对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，

16、则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表2.1 地址输入线的通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表2.1 地址输入线的通道选择数字量输出及控制线：11条 。ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在

17、转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0808的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0808应用说明：（1）ADC0808内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通

18、道的地址到A，B，C端口上。 （4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机。2.3.1 MAX7219功能介绍MAX7219是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片，一片MAX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。它的操作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相

19、关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。MAX7219的外部引脚分配如图2.4所示及内部结构如图2.5所示。图2.4 MAX7219的外部引脚分配图2.5 MAX7219的内部引脚分配2.3.2 MAX7219各引脚的功能DIN：串行数据输入端；DOUT：串行数据输出端，用于级连扩展；LOAD：装载数据输入；CLK：串行时钟输入；DIG0DIG7：8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流；SEG ASEG G 、DP7段

20、驱动和小数点驱动；ISET：通过一个10k电阻和Vcc相连，设置段电流。2.3.3 MAX7219内部的寄存器如图2.6：主要有译码控制寄存器、亮度控制寄存器、扫描界限寄存器、关断模式寄存器、测试控制寄存器。编程时只有正确操作这些寄存器，MAX7219才能工作。图 2.6 MAX7219内部的相关寄存器分别介绍如下：（1）译码控制寄存器（X9H） 如图2.7所示，MAX7219有两种译码方式：B译码方式和不译码方式。当选择不译码时，8个数据为分别一一对应7个段和小数点位；B译码方式是BCD译码，直接送数据就可以显示。实际应用中可以按位设置选择B译码或是不译码方式。图2.7 MAX7219的译码

21、控制寄存器（2）扫描界限寄存器（XBH）如图2.8所示，此寄存器用于设置显示的LED的个数（18），比如当设置为0xX4时，LED 05显示。图2.8 MAX7219的扫描界限控制寄存器（3）亮度控制寄存器（XAH）共有16级可选择，用于设置LED的显示亮度，从0xX00xXF（4）关断模式寄存器（XCH）共有两种模式选择：关断状态（最低位 D0=0）、正常工作状态（D0=1）。（5）显示测试寄存器（XFH）用于设置LED是测试状态还是正常工作状态，当测试状态时（最低位 D0=1）各位显示全亮，正常工作状态(D0=0)。各寄存器具体操作见驱动程序详解。2.3.4 MAX7219读写时序说明MA

22、X7129是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与MAX7129通信，首先要先了解MAX7129的控制字。MAX7129的控制字格式如图2.9图2.9 控制字（即地址及命令字节）如图，工作时,MAX7219规定一次接收16位数据，在接收的16位数据中：D15D12可以与操作无关，可以任意写入，D11D8决定所选通的内部寄存器地址，D7D0为待显示数据或是初始化控制字。在CLK脉冲作用下，DIN的数据以串行方式依次移入内部16位寄存器，然后在一个LOAD上升沿作用下，锁存到内部的寄存器中。注意在接收时，先接收最高位D16，最后是D0，因此，在程序发送时

23、必须先送高位数据，在循环移位。工作时序图见图2.10。由于51是8位单片机故需要分两次来送数据。具体操作见驱动程序详解。图2.10 数据读写时序3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图本统主要由51单片机最小系统模块、A/D转换模块、数码管驱动模块、数码管显示模块以及温度报警模块这几部分组成，系统框图所示如下：图3.1 系统总体方框图3.1.2单片机最小系统电路原理图图3.2单片机最小系统电路原理图3.1.3ADC0808模数转换系统电路原理图图3.3ADC0808模数转换系统电路原理图3.1.3MAX7219显示系统电路原理图图3.4MAX7219显示系统电路原理图3.1.4报

24、警系统电路原理图图3.5报警系统电路原理图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现ADC数据转换、与显示。1）ADC数据转换功能：8位数据的采集。2）显示：通过MAX7219驱动程序驱动数码管显示。2、程序设计思路首先初始化MAX7219，然后初始化定时器，并打开定时器，为ADC0808提供时钟。最后开始ADC的转换，通过转换的值，检测是否报警，并送到MAX7219驱动LED显示。 3.2.2程序流程图1、主程序流程图图3.6主程序流程图2、MAX7219驱动LED显示子程序流程图图3.7 MAX7219驱动LED显示子程序流程图4测试方案与

25、测试结果4.1测试方案1、硬件测试 经过电路硬件测试，电路工作正常。2、软件仿真测试经过Protuse软件仿真，电路工作正常。3、硬件软件联调 经过软件与硬件共同调试，电路工作正常，满足给定任务的数据。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路结构正确，工作正常，检查无误。测试仪器：proteus虚拟毫伏表。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)电压值00.511.522.533.544.55温度显示091930405059708090100表4.14.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、ADC0808的线性度的较好，不存在非线性转换。2、ADC0

26、808精度较大，仅8位，只能适用于一般精度不高的场合。综上所述，本设计达到设计要求。参考文献1 张毅刚 单片机原理及接口技术 人民邮电出版社 2008年10月 2 谭浩强 C程序设计（第三版） 清华大学出版社 2005年 7月3 华成英 模拟电子技术基本教程 清华大学出版社 2006年 2月 5 张永瑞 电子测量技术基础（第三版） 西安电子科技大学出版社 2004年 4月附录1：电路原理图附录2：电路源程序/*程序功能：1、实现MAX7219驱动2、实现ADC0808驱动3、温度控制及报警*/#include /* 定义MAX7219 内部寄存器 */#define DECODE_MODE 0

27、x09 /译码控制寄存器#define INTENSITY 0x0A /亮度控制寄存器#define SCAN_LIMIT 0x0B /扫描界限寄存器#define SHUT_DOWN 0x0C /关断模式寄存器#define DISPLAY_TEST 0x0F /测试控制寄存器/* 定义端口信号 */sbit DIN = P05; /串行数据输入sbit CS = P06; /片选信号sbit CLK = P07; /串行时钟sbit ADC_CLK = P34; /ADC时钟sbit START = P33; /ADC开始转化sbit OE = P31; /ADC数据输出允许sbit EO

28、C = P32; /转换结束信号sbit LED1=P36; /控制灯1sbit LED2=P37; /控制灯2sbit SPK=P35; /报警开关/* 函数原型说明 */void Init_Time();void Init_max7219(void); void Write7219(unsigned char address,unsigned char dat);void Display_Num( unsigned char s);void delay(unsigned long val);unsigned char Read_Adc(void);void alarm(temp);/* 主

29、函数 */void main(void)unsigned char temp; Init_max7219(); /初始化MAX7219 Init_Time(); /初始化定时器，为ADC0808提供工作时钟 while(1) Read_Adc(); /开始通道1转换 while(EOC); /转换完成 temp=(float)(float)(Read_Adc()/255)*100; alarm(temp); Display_Num(temp);/显示电压 /* 函数原型：void Write7219(unsigned char address,unsigned char dat)* 功 能：向指定的MAX7219内部寄存器写入数据* 参 数: address = MAX7219内部寄存器地址 dat = 待写入的数据*