7温度传感与温度过程控制毕业论文

139目 录 摘要 关键字 一、 概 述 二、芯片介绍2.1 AT89C51介绍 2.2 AD0809介绍 2.3 74LS164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 3.4 89C51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 4.3 LED数码管显示接口 4.3.1 LED数码管 4.3.2 LED数码管编码方式 4.3.3 LED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 140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 MCS51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1 AT89C51介绍图 2-1 AT89C51 结构框图14189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1.1.1 4KB可改编程序lash 存储器（可经受 1 000次的写入擦除） 。1.1.2 全静态工作：0Hz24MHz。1.1.3 3级程序存储器保密。1.1.4 1288字节内部 RAM。1.1.5 32条可编程 I/O线。1.1.6 2个 16位定时器/计数器。1.1.7 6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（Idle Mode）和掉电方式（ Power Down Mode） 。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 XTAL2XTAL1：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/ ， /VppPROGEARST：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。142图 2-2 AT89C51/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PROG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PROG（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PSENPSEN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PSE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 0000HFFFFH） ，则 端必须保持A EA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。E143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 P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7 和 P3.0P3.7。P0端口（P0.0P0.7）：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（P1.0P1.7）：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（I IL） 。在对 Flash编程和程序校验时，P1 接收低 8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：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（I IL） 。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 MOVXDPTR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 MOVXRI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（P3.0P3.7）：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（I IL） 。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 2-1 P3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）P 3.2 （外部中断 0）INTOP 3.3 （外部中断 1）1P3.4 T0（定时器 0的外部输入）P 3.5 T1（定时器 1的外部输入）P 3.6 （外部数据存储器写选通）WRP 3.7 （外部数据存储器读选通）D1441.2 ADC0809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 2-3 ADC0809结构图1.2.1 ADC0809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 2-4 ADC0809引脚图1.2.1 IN0-IN7：为 8 路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压1.2.2 ADDA、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1.2.3 CLOCK：外部时钟输入端，时钟频率高，A/D 转换速度快。允许范围为 101280KHz，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。1451.2.4 D0-D7：数字量输出端，A/D 转换的结果由这几个端口输出。1.2.5 OE：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 D0D7 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RDDPTR为 FEFFH，且执行“MOVX A，DPTR”指令后， 和 P2.0均有效，或非后产生高电平，使 ADC0809的RDOE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。1.2.6 ALE：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。1.2.7 START：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。FEF8HFEFFH 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 IN0IN7，输出通道是 D0D7，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。1.2.8 DOC：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 CPU0INT1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。1.2.10 VCC、GND：正电源电压端和地端。2.3 74LS164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 2-5 74LS164引脚图其引脚图如图 2-5所示，功能如下： A、B：串行输入端Q0Q7：并行输出端：清零端，低电平有效MRCLK ：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146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 1.212MHz 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。C 1和 C2可在 20100pF 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。1473-4 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 3-5 MAX690 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 0000H0002H 3 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，P 0P 3 4 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 00HACC 00H TCON OOHPSW 00H TL0 00HSP 07H TH0 00HDPTR 0000H TL1 00HP0P 3 FFH TH1 00HIP Xxx00000B SCON 00HIE 0xx00000B PCON 0xx00000BP0、P 1、P 2、P 3共有 4 个 8 位并行 I/O 口，它们引线为：P 0.0P 0.7、P 1.0P 1.7、P 2.0P 2.7、P 3.0P 3.7，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。 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 A7A 0。ALE 的输出频率为时钟振荡频率的 1/6。B、 程序存储器选择E=0，单片机只访问外部程序存储器。对内部无程序存储器的