单片机温度数据采集设计毕业论文.doc

河北工业大学2016届毕业论文1 引言我国农业正处于从传统农业向优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。农业环境综合控制作为农作物速生、优质、高产的手段是农业现代化的重要标志。农业设施的自动检测与控制是我国科研急待发展的项目。温度作为作物生长一个非常重要的参数，温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟等等。对于不同的作物，其适宜的生长温度总是在一个范围。超过这个范围，作物或许会活着，但是其生长的规律将发生明显的变化。这对于我们所希望的要求作物能够优质、高产的愿望相距甚远，所以我们必须实时获取作物生长的环境温度。同时，我们也希望作物的适宜温度范围可以由检测人员根据实际情况加以改变。同时，由于作物分布空间的狭小，各点的温度在同一时间上可能存在差异，所以对于温室必须采取多点采集，以保证能够更准确的获知作物生长的实时温度。长期以来，人们在测量温度时，大部分使用常规的测量方法测量。检测精度要求较高时，调理电路复杂，a/d的位数高，使设计的系统成本居高不下，很难普及。为了确知某一测试对象的各项特性，我们常常借助各种仪表和各种手段来获得各种各样的测量结果。但是这些数据中包含有变换误差，设备误差以及在传输过程中引入的各种干扰所造成的误差等。而且这些数据量通常都很大，有意义的部分和无意义的部分混杂在一起，如果不加取舍的直接应用必然会造成极大不便，另外，很多情况下还需要通过加工以便提供物理意义更明确更直接的数据形式，上述这些问题需要靠数据采集与处理加以解决。随着电子技术的发展，电子技术行业也发生巨大变化，电路集成程度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可取性越来越高且出现了单片机的数据采集系统。而且出现了很多功能完备的低功耗、低电压大规模集成电路，为设计便携式高精度测温系统提供了硬件基础。2 方案设计温度采集在现实生活中有着非常重要的地位。以往传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好解决。本设计的电路由温度传感器、调理电路、a/d转换、控制处理及显示五部分构成。温度传感器采用电流型的ad590，调理电路采用op07将模拟电流信号转为电压信号并放大，adc0809用作a/d转换器，将采集的模拟量转换成数字量通过80c51处理后由数码管显示出来。由于采集、处理、显示数据通过单片机软硬件相结合,所以控制系统具有可靠性，设计简单、实用性强的特点。具体工作过程为：由温度传感器ad590测得被测温度，该测量经过前端调理电路（包括集成运放）把ad590测得温度，经放大器放大后送a/d转换器，由a/d转换器将此信号转换成为单片机所能识别的二进制信号再经p1口输入单片机，由数码管显示出来。其中调理电路包括电流转换成电压及放大部分。结构框图如下图所示：温度传感器led显示 单 片 机a/d转换调理电路图1 系统总体结构框图该设计还充分利用了cmos单片机80c51的软件资源。其软件主要包括主程序模块、显示模块、a/d转换模块等子程序模块所组成。各个模块都必不可少，完成一些特殊功能。通过软件间的配合，既节省了许多硬件资源，减小了开支，又减少了系统误差和随机干扰，提高了测量精度，使设计更加实用。2.1 传感器的选择温度传感器也称热敏传感器，是由热敏元件和测量放大电路等构成的器件。热电偶和热电阻是两种较常用的测温元件。热电偶是利用热电效应，将与热电偶元件接触的介质的温度转换成电压，其输出灵敏度为/级，室温下典型输出电压为毫伏级。热电偶具有低输出阻抗，几何尺寸小、温度范围宽。热电阻是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化的热电阻效应原理制成的，此类温度传感器有金属导体热电阻和半导体热敏电阻两种。金属导体热电阻测温范围为-200至+85，半导体热敏电阻测温范围为-270至+1300。热敏电阻是一种新型感温半导体元件，它与金属热电阻最大区别是具有负的热敏系数，即当温度升高时阻值减小。热敏电阻特点是： 电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，测量线路简单，不用放大器即可得到几伏的电压； 体积小，重量轻，热惯性小；本身电阻值大，无需热敏电阻那样考虑线路电阻及连接方式，适合于远距离测量；制作简单，寿命长，价格便宜；非线性大，稳定性和重复性差。晶体管温度计是利用基极和发射极之间电压受温度影响的原理设计而成的。热电偶由于热电势小而灵敏低，热敏电阻由于非线性而影响精度。鉴于分立元件温度传感器的缺点，国外一些公司研制生产了一些ic集成式温度传感器，如ad590、lm134等。此设计使用ad590，因为与其它温度传感器相比它有以下优点：精度可达正负0.5；性能稳定；体积小、重量轻；线性度好，1a/k ；精度可达正负0.5；测温范围-50+150；温度依电流变换，适于远距离测量；电源电压范围4v30v，电阻采用激光修刻工艺，+25（298.2k）时，输出电流298.2a；成本低，实用性强。ad590的主要特点：（1） 仅需+4v+30v的直流工作电压，不需要传送器、滤波器和线性化电路等。（2） 一致性非常好，当温度298.2k(+25度)时，ad590均输出稳恒电流298.2ua，随温度升高或降低以lua/1.0k增减其输出电流，因而ad590很容易互换。（3） 电流输出，具有优良的干扰抑制比，只需很小的功率(1.5mw)。（4） 电源电压漂移和纹波不敏感。电源电压5v变到+l0v 仅引起la最大的电流变化。（5） 电气上耐用，可承受正向+44v，反向20v的电压不损坏，不必担心管脚接错。ad590的外形及管脚排列:ad590外形及大小与一般晶体三极管相当高3mm，直径4mm，有三个引出端其管脚排列见图2.1和图2.2：接壳底视圈-+ 1 “+”电源 2“”电源 3 管芯衬底（浮置） 图2.2 引脚示图 图 2.1 ad590管脚排列集成电路温度传感器利用了半导体pn结电流电压特性和温度的相关性，和热敏电阻、热电偶相比，最大优点是输出线性好，测温精度较高。感温部分、传感器驱动部分、信号处理部分等电路均集成化并封闭在一个小型管壳内，使用方便。基于以上优点，本系统采用ad590作为温度传感器。2.2 a/d转换器的选择a/d转换器用于实现模拟量向数字量的转换，它是控制系统中不可缺少的环节。a/d转换器与电子计算机一样，其发展也经历了由电子管到晶体管再到集成电路的三个阶段，形成了组件型、混合型、单片集成型几种结构。单片集成型a/d体积小、成本低、性能优良，特别适宜于在实时控制系统中应用。a/d器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件，a/d转换器的品种繁多，性能各异，在设计数据采集系统时，首先碰到的是如何选择合适的a/d转换器以满足系统设计要求的问题，选择合适的a/d转换器需要考虑器件本身的品质和应用场合的要求。adc0804与adc0809较适合，下面我们比较下它们的优缺点，选其一。adc08系列是美国国家半导体公司（national semiconduct）的一个a /d转换芯片系列，具有多种芯片型号，其中adc0804型是8位8通道全cmos型a/d转换器。其特点为：它是20引脚双列直插式封装芯片，单通道选择输入方式。其特点是内含时钟电路，只要外接一个电阻和一个电容就可以自身提供时钟信号；也可以自行提供vref+和vref-两端的参考电压，允许模拟输入信号是差动的或不共地的电压信号。adc0809也为8位8通道全cmos型a/d转换器，其综合功能技术指标为：八通道模拟输入，模拟范围 0v5v；转换时间100s；单电源5v供电；分辨率 8位；无失码；可锁存的三态输出，与ttl电路兼容；工作温度范围 4080；时钟频率10khz1280khz，典型值610khz；无须调零和满量程调整；最低功耗15mw；221 内部结构图和管脚排列图该芯片的内部机构图和管脚排列图分别如图2.2(a)和(b)所示。clk starteoc8路模拟量输入in0.in7 8路模拟量 开关 8 位数字量输出d0 三态 输出 锁存器 8位 a/d 转换器.3abc地址锁存与译码8d7 alevccgndoevref+ vref-图2.2（a) adc0809原理框图222 主要组成及功能8位a/d转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状电子开关以及256r电阻阶梯网络等组成。虚线框中为芯片核心部分。各部分功能大致如下。地址锁存与译码器控制8位模拟开关，实现对8路模拟信号的选择。8个模拟输入端能接收8路模拟信号，但相对某一时刻只能选择其中的一路进行转换。树状开关与256r电阻网络一起构成d/a转换电路，产生与逐次逼近寄存器中二进制数字量对应的反馈模拟电压，送至比较器，与输入模拟电压进行比较。比较器的输出结果和控制与时序电路的输出一起控制逐次逼近寄存器中的数据从高位至低位变化，依次确定各位的值，直至最低位被确定为止。在转换完成后，转换结果送到三态输出缓冲器。当输出允许信号oe有效时，选通输出缓冲器，输出转换结果。图2.2（b) adc0809引脚图223 引脚功能adc0809共有28个引脚，各引脚功能如下：in0in7：模拟量输入通道。由adc0809内部地址译码选通。a，b，c：地址线，模拟通道的选择信号。a 为低位地址，c为高位地址。其地址状态与通道对应关系见下表：表 2.3 adc0809通道选择真值表地址线被选通的模拟通道cba000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7start：a/d转换启动控制信号，输入，正脉冲有效。start的上升沿将内部逐次逼近寄存器复位，下降沿启动a/d转换，如在转换过程中start再次有效，则将中止正在进行的转换，开始新的转换。start信号最小宽度为ale的宽度。 clk：外部时钟信号引入端。adc0809内部没有时钟电路，需外部提供。简单应用可由80c51的ale信号提供。最大频率640khz。d7d0：数据输出端，d7为高位。oe：输出允许信号，输入高电平有效。该端为高电平时，芯片输出锁存器被开启，将a/d转换结果送至数据总线。打开三态输出缓冲器，输出转换结果。uref(+)和uref(-)：外接基准电压的正极和负极。这两个输入端为adc内部d/a转换逻辑提供电阻的标准水平。uref(-) 接0时该端同时也成为a/d转换器的模拟地。eoc：转换结束信号，高电平有效。eoc平时为高电平，在start信号的上升沿之后08个时钟周期内，变为低电平，转换结束后，再次升为高电平，向外部发出转换结束信号。eoc信号可作为中断申请信号。如将eoc与start连接，则每次转换结束时将启动一次新的转换，转换继续进行。这种直接启动方式要求转换开始时由一外部脉冲信号启动。gnd：数字端ale：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当该信号有效时，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道，并通过译码逻辑接通所选择的通道进行a/d转换。基于以上优点我们选择八通道模拟输入的adc0809。2.3 显示电路选择单片机系统常用的显示器件有lcd（液晶显示模块）和led（数码显示摸块）两种。lcd显示功耗低但成本高，led要比lcd经济的多，且课题也就仅要求显示数字，所以选用led来显示。led显示器有两种显示方式：静态显示和动态显示。数码管有7段数码管和8段数码管之分。本课题由于要采集确切温度值，所以选用带小数点的七段led显示器静态显示。静态显示是指当八段数码管显示一个字符时，该字符对应段的发光二极管控制信号一直保持有效。3 硬件电路设计传感器节点由数据采集模块（传感器、a/d转换器）、数据处理模块和控制模块（微处理器和存储器）、供电模块（电池）等组成。本系统由温度信号检测系统，a/d变换部分，译码显示和电源部分组成,其系统结构如附录原理图。硬件电路工作过程为先由温度传感器测得被测温度，该测量经过前端处理电路（包括集成运放和a/d），经放大器放大后送a/d转换器，由a/d转换器将此信号转换成为单片机所能识别的二进制信号再经p接口输入单片机。单片机每从感温传感器上采集一次信息，就将此信息暂时储存起来，然后再把所采集到的信号与补偿信号比较处理后得出实际的温度值并由驱动器处理，由led显示输出结果，显示输出采用静态的led显示方式。3.1 单片机简介cmos 芯片的80c51单片机是8051的改进型单片机，8051芯片的功耗为630mw，而80c51的只有120mw，是8051的1/5，这具有十分重要的意义，相对于8051，80c51耗电更低，工作更加稳定可靠，适用范围更广的优点。综合各种考虑，本题目选用单片机80c51，具体管脚如图3.1所示：图 3.1 80c51单片机管脚图40只脚按其功能来分，可分为3类：(1) 电源及时钟信号：vcc、xtal1、xtal2。(2) 控制信号：外部程序存储器读选通信号/psen、地址锁存控制信号ale、访问程序存储器控制信号/ea、复位信号rst。(3) i/o口信号：p0、p1、p2、p3,为4个8位i/o口的外部电路引脚。单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户i/o口外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了80c51单片机片外三总线结构即地址总线，数据总线，控制总线。(1)地址总线(ab)：上传的是地址信号，用于外扩展存储单元和i/o端口寻址，地址总线是单向传输的。地址总线有16位，因此，其外扩展空间为64kb，16位地址总线由p0口经地址锁存器提供低八位地址(a0a7)；p2口直接提供高8位地址(a8a15)。(2)数据总线(db)：用于在在单片机与存储之间或单片机与i/o之间传送数据，数据总线是双向的，可以进行两个方向的传送其总线为8位，由p0口提供。(3)控制总线(cb)：是一组控制信号线，其中既有单片机发出的，也用外扩展部件发出的。它由p3口的第二功能状态和4根独立控制线rst、/ea、ale、/psen组成。p0口：双向8位三态i/o口，充当低位地址线/数据线，为保存分离出的地址，需外加一个8位锁存器，并以ale作为锁存控制信号。 p1口：8位准双向i/o口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向i/o口。p2口：8位准双向i/o口，只作为高8位地址线使用，且加上p0口的低8位地址，就形成了完整的16位地址总线。p3口：8位准双i/o口，双功能复用口。作为第一功能使用时，就作为普通i/o口用，功能和操作方法与p1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如下表：表3.1 p3口特殊功能表口线引脚第二功能p3.010rxd（串行输入口）p3.111txd（串行输出口）p3.212/into（外部中断0）p3.313/int1（外部中断1）p3.414t0（定时器0外部输入）p3.515t1（定时器1外部输入）p3.616/wr（外部数据存储器写脉冲）p3.717/rd（外部数据存储器读脉冲）3.2 电源电路及复位电路设计3.2.1 电源电路在该系统中需要用到+5v的直流稳压电源，在我们的生活中一般都是使用220的交流电，为了获得高质量的5v直流稳压电源，这就需要我们进行电压转化。其转化图如图3.3所示：输出滤波稳压滤波整流220v图3.3 内部转化图这里的滤波是为了滤去外界电源输入带来的一些不稳定的因素，比如说纹波的影响，而用一个大电容和一个小电容的组合，是为了分别滤去低频或高频的纹波。电源部分的电路如图3.4所示：图 3.4 电源部分原理图7805系列集成稳压器，只有输入端、输出端和公共端三个引线端子，可输出1a以上的电流，有必要的保护电路，使用起来安全可靠。它输出固定的正电压。从变压器输出的交流电压经过整流、滤波后产生的不稳定直流电压，从稳压器的输入端输入，在稳压器的输出端就可得到稳定的直流电压输出。正常工作时，稳压器输入、输出电压差为23v，电容用来实现频率补偿。图中c1为0.1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。c2为0.1用来减少由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。c3为100为容量较大的电解电容，用来进一步减少输出脉动和低频干扰。 3.2.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给80c51的复位引脚rst加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得80c51复位，复位时，pc初始化为0000h，使80c51从out单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使得rst脚为高电平，使80c51重新启动。在系统中，有时会出现显示不正常，也为了调试方便，我们需要设计一个复位电路，在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的rc电路构成，也可使用其它的相对复杂，但功能更完善的电路。本系统采用的按键脉冲复位电路如图3.5所示。工作原理是：利用rc微分电路产生正脉冲来实现。上电瞬间，rc电路充电，reset引脚端出现正脉冲，只要reset保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。当时钟频率选用6mhz时，c3、c4取22f，r1、r7取1k。图3.5 复位部分原理上电自动复位电路由上电瞬间c与r构成充电电路，reset端的电位与vcc相同，随着充电电流的减少，reset的电位逐渐下降。图中rc时间常数越大，上电时reset端保持高电平的时间越长，图中这组参数足以保证复位操作。若复位电路失效，加电后cpu从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运行。3.3 时钟电路设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。此设计选用内部时钟方式见下图：图3.6 时钟电路部分原理图单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚xtal1，输出端为引脚xtal2这两个引脚跨接在石英晶体振荡器和微调电路，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容c1和c2典型值通常选择30pf左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212mhz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24v，19脚对地约2.09v。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和5v连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路没有问题。3.4 温度采集电路设计 温度采集电路的设计是用温度传感器ad590以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由adc0809转换成数字信号，然后再送80c51处理。因此需要一个放大电路把传感器输出信号转换成a/d转换器可执行的模拟电压量。下面会依次介绍。3.4.1 ad590传感器的测温原理ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，它是一恒流源器件，输出的电流值与它所测的绝对温度有精确的线性关系。由于厂家生产时采用激光微调来校正集成电路内的薄膜电阻，使其在摄氏零度（对应绝对温度为273.2k）输出电流为273.2a，灵敏度为1a/k ，当其感受温度升高或降低时，输出电流为1a/k的增大或减少，从而将被测温度线性转换为电流形式输出，在测量电路中，将其电流转换为电压，则可用电压形式来表示温度的大小。由于ad590输出电流设计为开氏温标对应，而且工作电压范围大，因此，在实际应用中应注意以下几个问题。ad590在摄氏零度时，输出电流值为273.2a ，它与热力学温度273.2 k相对应。而人们习惯用摄氏温标表示温度，摄氏温标与开氏温标的转换关系即t(k)=273.2+t() （式3.1）在信号处理时，应将开氏温度转换为摄氏温度。ad590的工作电压可以在4v30v范围内选用，但某一工作电压一经确定后，应尽可能使其稳定，因为工作电压波动将引起ad590输出电流在一定程度上的相对漂移，造成测量误差。 ad590输出电流在远距离传输时，虽然它对导线产生的压降不敏感，但应避免传输导线回路受电磁干扰影响产生感应电势而导致回路电流变化，造成测量误差。由于ad590的温度变化范围在55150之间，经过10k之后采样到的电压变化在2.182v4.232v之间，不超过5v电压所表示的范围，因此参考电压取电源电压vcc，（实测vcc4.70v）。由此可计算出经过a/d转换之后的摄氏温度显示的数据。 由于ad590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电阻进行调整。调整的方法为：把ad590放于冰水混合物中调整电位器，值如下表示：表3.2 ad590温度与电流关系摄氏温度ad590电流经10k电压0273.2a2.732v10283.2a2.832v20293.2a2.932v30303.2a3.032v40313.2a3.132v50323.2a3.232v60333.2a3.332v100373.2a3.732v3.4.2 测量电路设计 ad590对温度变化体现为电流变化，温度和电流呈线性关系，而a/d转换器采集的为电压信号，因此需要有电流电压转换电路，将电流信号转换成电压信号，转换电路如图3.8示：m2m1图3.8 电流电压转换电路图中电容c4起滤波作用。该电路中，考虑到测温范围是0度50度，而adc0809输出电压范围为0v5v，故电阻r2取3.3k，r3取15k，其中r2是滑动变阻器，精度高于r3，电阻r4取100k,r5取50k，r4是滑动变阻器，精度高于r5，电阻r6取33k。运放是温度电压变换电路，为测试方便，设计时将0度时的输出电压定为ov，每升高一度输出电压上升100mv，与电压之间的关系为:u =k(tt0)v （式3.2）式中，k比例系数,k=o.98v/度,t环境温度，单位为度,t0测温下限0度。由图2.9设流过r2，r3电流为i1，流过传感器的电流为i2，通过r4，r5电流为i3。由分流得：i3=i2i1 （式3.3）由于ad590测得温度为开氏温度必须转换为摄氏温度式见（式3.1）。当t=+50度和t=0度时，变换电路输出电压上限umax=5v，电压下限为umin=0v，实现的办法是:首先调整r2，使得i1=273.2ua。当温度为0度时，通过ad590的电流i2=273.2u a，此时i3=0a,r4,r5上无压降，即输出电压为0v。当环境温度为50度时，流过ad590的电流为323.2u a，此时，i3=i2i1= 50a，调整r4，使r4+r5=98千欧，有(r4r5)i3=4.9v.同样，可以计算出其余各温度所对应的输出电压具体对应数值见表3.3：表 3.3 温度与输出电压值温度01020304050输出电压值0 v0.98v1.96v2.94v3.92v4.9v定标方法：(1)断开上图中m1点，串入微