温度与电压测量系统

目录 摘要1引言31.系统总体设计方案31.1系统的基本任务与要求31.2温度测量方案31.3电压测量方案41.4系统框图41.5元件简介42.系统硬件设计72.1系统结构72.2硬件结构图73.温度电压的测量原理83.1温度测量原理83.2 电压测量原理84.软件系统设计及程序清单94.1电压温度采集器软件系统设计104.2定时中断程序流程图114.3外部中断0的流程图12结语13致谢13参考文献14附录15温度与电压测量系统姓名：邓环宇 指导老师：宋海声届别：2009 届 专业：电子信息工程班级：乙班 学号：200572020206摘要: 单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用,温度和电压是一个系统经常需要测量、控制和保持的量,而温度是一个模拟量,不能直接与单片机交换信息,采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高,还会遇到其它方面的问题。因此对单片机温度测量系统的研究有重要目的和意义。而电压测量通过差动放大器采集直流稳压电源在数码管上显示瞬时电压。本课题主要用于温度检测和电压测量，以MC-51单片机作主控器，以温度传感器为信息捕获元件，主要有温度检测电路,模/数转换电路, 信号放大电路以LED数码管作温度、电压信息显示电路的系统。关键词：单片机 温度采样 温度传感器 直流电压 A/D转换器Abstract: The monolithic integrated circuit in examined and in the control system obtained the widespread application, the temperature and the voltage were the quantities which a system needed to survey, to control frequently and maintains, but the temperature was a simulation quantity, could not with the monolithic integrated circuit exchange information, use the temperature quantity which the suitable technology will simulate to transform directly as the digital quantity in the principle, although not difficulty, but the cost was high, will also meet other aspects the question. Therefore has the chief purpose and the significance to the monolithic integrated circuit temperature survey systems research. But voltage measurement through differentiator amplifier gathering cocurrent voltage-stabilized source on nixietube demonstration transient voltage. This topic mainly uses in the temperature examination and the voltage measurement, makes the master controller by the MC-51 monolithic integrated circuit, take the temperature sensor as the information capture part, mainly has the temperature to examine the electric circuit, the mold/number switching circuit, the signal amplifying circuit makes the temperature, the voltage information display circuits system by the LED nixietube.Key word:Single-Chip Microcomputer Temperature sampling Temperature sensor DC voltage A/D converters引 言：当今世界，科学技术的发展日新月异。在这空前的技术发展过程中，电子信息技术以其独特的渗透力和亲合力，正在迅速地改变着我们周围的一切。利用现代电子信息技术来改变我们的生活，改变我们的生活，改造传统的合行合业，已成为当今社会的共识。在现代化的工业生产中,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。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,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。采用单片机来对温度进行检测,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被测温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件,在工业生产中称为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。因此,单片机对温度的测量问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。电子计算机的发明是本世纪科学技术的卓越成就之一，它的出现使科学技术产生了一场深刻的革命。特别是自70年代初以来，随着大规模集成电路的发展，出现了微型计算机及单片型计算机，其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。本论文以上述问题为出发点,设计实现了温度和电压实时测量、显示系统。1系统总体设计方案1.1系统的基本任务与要求(1)系统的基本要求：要求温度可以在一定范围内,并能在环境温度降低时自动实时显示，并在温度超过设定值时进行报警。对电压的要求是对于直流稳压电源提供的电压也能实时显示。(2)系统的技术指标本次设计的测温范围：091，温度分辩率为：0.36， 测压范围是02V，电压分辩率是0.0078V。采用十进制LED动态显示方式。(3) 温度、电压采集系统说明1、 温度、电压采集系统主要由：单片机、显示电路、AD转换电路、电压放大电路等模块组成2、 单片机采用：AT89s52,温度、电压的显示是通过单片机动态扫描六位数码管来完成显示的，系统中运用的AD转换器件为8位的ADC0809来完成模数转换，电压放大电路由LM324来完成3、 由于ADC0809的参考电压端接的是5伏的参考电压，而我们所测的电压范围为02V，所以要将电压信号进行放大，在放大电路中，我们采用第一级进行电压隔离，第二级进行2.5倍的电压放大4、 我们使用的温度采集电路是集成温度传感器LM35，LM35在0摄氏度时输出0V电压，温度每上升1摄氏度输出电压将上升10mV，而我们的测温为091摄氏度，因此我们将电压值进行5.4倍放大。 整个系统大概就是这样了。1.2温度测量方案由于温度测量是本设计中的主要内容，所以温度测量的精确非常重要所以提高温度测量中的准确度很重要。方案一：若采用了查表与估算相结合的温度测量方法。初步计算：从热电偶的温度和电势对应表中查出所测温度范围中最大的温度值对应的电势AmV，用最大电压值除电势确定AD521的放大倍数B。经放大后A*B对应的数字量为C。方案二：对电桥测量电路测到的小信号通过三运放组成的差分式放大器放大。根据铂热电阻试验参数及分立元件电阻构成等臂电桥测量电路，三运放差分式放大器由LM324内部三运放连接而成，在模数转换中由八路A/D转换芯片ADC0809来完成。该方案中采用LM324进行信号放大，电路连接比较繁琐，及电路中相关电阻参数选取不易控制。方案三：采集信号的放大由仪表放大器AD620来完成，电路连接简单，并且放大系数控制比较灵活。方案四：温度传感器使用数字温度传感器DS18b20，这样就可以不用做数模转换直接进行测量。简化了电路，也简化了程序，问题是DS18B20的测量误差大，无法进行实时显示，必须人工手动按键进行测量。综上所述，由于考虑实际条件最后决定利用仪表放大器LM324、A/D转换器ADC0809构成整个系统的水温测量电路。1.3电压测量方案方案一：采用TLC0831作为AD转换器件，采用点阵型液晶模块LCD1602作为显示输出器件，为了试验方便直接采用5V电源电压作为AD的参考电压，所以可以测量的最大电压为5V。整体的电路还是比较简单的。方案二：利用单片机MC-52与ADC0809设计一个数字电压表，能够测量02V之间的直流电压值，五位数码显示，电路简单。通过比较我决定使用方案二进行设计电压测量系统。 1.4系统基本框图及元件选择系统框图89C-52主控系统A/D采样电路温度传感器电压采样电路显示电路测温键测压键复位键图1.4上图主要介绍该系统的组成模块，由单片机构成的主控模块、电压测量模块、温度测量模块、控制模块以及显示模块。1.5元件简介设计所需的基本元件主要有：89s-52单片机，A/D0809、LM35、74LS373、74LS192以及74LS28等芯片，以及一些电阻和电位器。ADC0809的内部结构图1.5 ADC0809内部逻辑结构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表1-6为通道选择表。 表1-6 通道选择表信号引脚 ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图1.7。图1.7ADC0809引脚图 对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).74LS373内部结构图1-8如图1-8可知373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式。373为三态输出的8 D透明锁存器, 373的输出端O0-O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。 373引出端符号： D0D7-数据输入端OE-三态允许控制端（低电平有效） LE-锁存允许端 O0-O7-输出端 2系统硬件设计2.1系统结构本测温系统由温度传感器电路、信号放大电路、AD转换电路、单片机系统、温度显示系统、电源系统、报警系统构成。其基本工作原理：温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大电路，与温度值对应的电压信号经放大后输出至AD转换电路，把电压信号转换成数字量送给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字量进行处理，再送温度显示系统进行显示。 本系统以52单片机为核心，因为52单片机使用方便，且价格便宜，内部资源足够本系统的需要，故选用89C52系列单片机作为主控芯片。2.2 硬件结构框图图2.1基本电路 温度、电压采集系统主要由：单片机、显示电路、AD转换电路、电压放大电路、报警电路等模块组成 图2.2显示电路上图由三极管8050组成的数码器管显示驱动电路，段选和位选均采用高电位驱动。图2.2放大电路上图中，我们采用第一级进行电压隔离，第二级进行2.5倍的电压放大。图2.3电源部分上图为为整个系统供电的电源系统，提供了三路输出，一路为+5V输出，是为了给电压测量做比较电压使用，另两路为+-12V输出，主要为了给单片机供电使用。图2.4报警系统3温度的测量原理3.1温度测量的硬件电路设计(1) 温度传感器 温度传感器采用的是NS公司生产的LM35，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，他的输出电压与摄氏温度线性成比例，且无需外部校准或微调，可以提供14的常用的室温精度。由于温度传感器LM35输出的电压范围为00.99 V，虽然该电压范围在AD转换器的输入允许电压范围内，但该电压信号较弱，如果不进行放大直接进行AD转换则会导致转换成的数字量太小、精度低。3.2 电压测量原理 A/D转换采用ADC0809,8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。由于ADC0809的参考电压VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF)。所以电压的最小测量电压V=1/256* VREF=1/256*2=0.0078v。4.软件系统设计及程序清单 系统的软件部分用51汇编语言编程，采用模块化结构，主要由AD转换模块、单片机内部数据处理模块、温度显示模块等3部分构成，便于修改和维护。4.1电压温度采集器软件系统设计 电压温度采集器的流程图主程序流程图开始变量初始化Start按键有效Led显示“=”N设置中断允许开中断Y扫描键盘电压按键有效温度按键有效更新显示数据显示相应的数据图4.1上图是主程序的流程图开始通电之后在数码管上显示“=”，当有测压或测温按键有效时便进行更新显示数据，在数码管显示相应的数据。4.2定时中断程序定时器中断流程图开始停止计时1s修改标志位标志为启动电压通道启动温度通道退出定时器中断N01图4.2上图时定时器中断流程图，主要通过选择标志位来启动电压或温度通道。4.3外部中断0的流程图开始标志位0、1采集电压通道采集温度通道计算机实际电压计算机实际温度二进制转十进制二进制转十进制存储十进制电压值存储十进制温度值启动定时器退出外部中断001图4.3上图是外部中断0的流程图。标志位为0则选择采集电压通道，1则选择采集温度通道，通过计算实际值进行二进制转化十进制，存储之后便启动定时器，退出外部中断。结语：该测温测压系统工作稳定可靠，体积小、集成度高、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。此外该系统成本低廉，器件均为常规元件，有很高的工程价值。如稍加改动，该系统可以很方便地扩展为集温度测量、控制为一体的产品，具有一定工程应用价值。如对该系统进一步扩展，还可以实现利用USB协议标准与PC机进行数据通信，能够把监测到的温度值保存到PC机中。对于电压测量可以用于数字测温仪的低压测量部分，更好的提高其精度和简化电路。由各种单片A/D 转换器构成的电压测量系统，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。由于本人能力有限，很多的地方还存在很大缺点，我会进一步的去改进和完善的。致谢大学四年的学习生活即将结束了，这篇论文作为我学习的最后一份答卷，献礼给各位老师。在西北师范大学电子信息工程系四年的学习与生活，使我学到了很多专业知识，也学到了不少为人处世的道理，更学到了各位老师认真工作，爱岗敬业，为人师表的优良品质。在即将离校之际，有一分不舍，有一分留恋，也有一分对外面世界的渴望！这里有我敬爱的老师，亲爱的同学，学校的一草一木都在我的心里留下了深深的印象。在此，谨向各位老师表示深深的敬意和谢意！首先我要感谢我的导师宋海声老师，感谢你对我的论文始终悉心指导和帮助，在繁忙的工作和教学中抽出时间为我指导论文。请允许我对你说一声“宋老师，您辛苦了！”在论文的过程中宋老师给了我很大帮助，留给我很深的印象，必是我受益终生！我还感谢这四年中给我授课的所有老师，是你们让我得以为社会尽一份自己应尽的义务，也使我在社会中能够更好的立足。同时我要对这四年中与我朝夕相伴的同学们说一声珍重，是你们教会了我去关心他人，人生的路不会风调雨顺，我们要坚强！由于本人水平有限，本文一定有不少缺点和不足，恳请各位老师给予帮助和指正。参考文献：1 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社.20002 康华光、陈大钦.电子技术基础 模拟部分M.北京：高等教育出版社.19993 李伯成.微型计算机原理与接口技术M.北京：电子工业出版社.20054 赵晶.电路设计与制版PROTEL99高级应用 M.北京：人民邮电出版社.20005 杨志民、马胜前.电子技术实验M.兰州：兰州大学出版社.2000附录：系统说明1、系统采用6位led显示结果，数码管采用共阳极数码管2、在显示温度时温度仅用低两位数码管显示整数范围为091度，但是温度的最小分辨率为0.36度3、在显示电压值时使用5位数码管，显示样式为X.XXXX,显示范围为0.00000.0078*255，最小分辨率为0.0078伏4、操作说明：系统上电后显示“=”，等待start按键，当start按键按下时进入系统自动控制5、通过按键t_key,和u_key按键来选择显示温度，还是显示电压值6、当温度超过80摄氏度时蜂鸣器报警u_parameter equ 78t_parameter equ 36led_d_out equ p1led_c_out equ p2u_address equ 7ff8h ;电压采集通道t_address equ 7ff9h ;温度采集通道led_data1 equ 30h ;led_data1,2,3用于存放将要在led上显示的六位数据led_data2 equ 31hled_data3 equ 32h led_channel equ 33h ;led_channel存放led的选通信号state1 equ 34hstate2 equ 35hstate3 equ 36h ;state1,2,3,4,5,6存放显示数据的屏蔽状态state4 equ 37hstate5 equ 38hstate6 equ 39h key_code equ 3ah ;存放键盘按键代码counter0 equ 3bh ;存放在二进制向十进制转换时的转换次数counter1 equ 3ch ub_data equ 3dh ;存放读取的转换电压值tb_data equ 3eh ;存放读取的转化温度值ud_data1 equ 3fhud_data2 equ 40hud_data3 equ 41h ;ud_data1,2,3存放十进制的实际电压值td_data1 equ 42htd_data2 equ 43htd_data3 equ 44h ;td_data1,2,3存放十进制的实际温度值counter2 equ 45h ;定时器时间循环次数f_ad bit 00h ;定义标志位f_ad作为启动电压采集通道还是采集温度通道u_key bit p3.0 ;电压选择按键t_key bit p3.1 ;温度选择按键start bit p3.0;= org 0000h ajmp main org 0003h ajmp inte0 org 000bh ajmp time0 org 0030hmain: mov sp,#60h mov key_code,#0 mov tmod,#01h ;使用定时器0，16位 mov th0,#0b1h mov tl0,#0e0h ;60ms的定时时间 mov counter0,#6 ;临时使用变量counter0 mov r0,#state1next0: mov r0,#00h inc r0 djnz counter0,next0 mov led_data1,#0aah mov led_data2,#0aah mov led_data3,#0aah ;系统上电初始化显示“=”，next2: lcall display setb start mov c,start jc next2 setb start lcall display mov c,start jc next2next_: lcall display mov c,start jnc next_ et_key: mov counter2,#0 setb et0 ;允许定时器0发生中断 setb ex0 setb it0 ;设置外部中断0位允许中断，边沿触发中断 setb ea setb f_ad setb tr0 loop: lcall key_scan mov a,key_code cjne a,#1,secondfirst: mov led_data1,ud_data1 mov led_data2,ud_data2 mov led_data3,ud_data3 mov state1,#00h mov state2,#00h mov state3,#00h mov state4,#00h mov state5,#80h mov state6,#00h ajmp nex_second: cjne a,#2,nex_ mov led_data1,td_data2 mov led_data2,#0bbh mov led_data3,#0bbh mov state1,#00h mov state2,#00h mov state3,#00h mov state4,#00h mov state5,#00h mov state6,#00h nex_: lcall display ajmp loop ;循环显示;=;外部中断0服务程序，读取ADC0809的转换结果inte0: push acc push dpl push dph jb f_ad,t_readu_read: mov dptr,#u_address movx a,dptr mov ub_data,a mov b,#u_parameter ;计算实际的电压值（二进制） mul ab lcall display mov r7,b mov r6,a lcall b_to_d ;将二进制转换成十进制 mov ud_data1,r3 mov ud_data2,r4 mov ud_data3,r5 ajmp exit_intt_read: mov dptr,#t_address movx a,dptr mov tb_data,a mov b,#t_parameter mul ab lcall display mov r7,b mov r6,a lcall b_to_d mov td_data1,r3 mov td_data2,r4 mov td_data3,r5exit_int: setb tr0 pop dph pop dpl pop acc reti;=;定时器中断服务程序time0: push dph push dpl push acc clr tr0 mov th0,#0b1h mov tl0,#0e0h inc counter2 mov a,counter2 cjne a,#50,run ;温度值每两秒钟采集一次，电压值每60ms采集一次 mov counter2,#0 cpl f_ad jnb f_ad,start_ustart_t: mov dptr,#t_address ;启动温度传感器通道 movx dptr,a ajmp stopstart_u: mov dptr,#u_address ;启动电压转换通道 movx dptr,a ajmp stoprun: setb tr0stop: pop acc pop dpl pop dph reti;= ;键盘按键扫描程序，键盘键码将存放在key_code变量中，0代表没有任何按键，;1代表电压选择按键按下，2代表温度选择按键按下，按键是低电平有效key_scan: setb u_key ;扫描电压按键 mov c,u_key jc temperature voltage: setb u_key lcall display mov c,u_key jc temperature mov led_data1,ud_data1 mov led_data2,ud_data2 mov led_data3,ud_data3 mov state1,#00h mov state2,#00h mov state3,#00h mov state4,#00h mov state5,#80h mov state6,#00h mov key_code,#1wait0: lcall display mov c,u_key jnc wait0 ;等待按键释放 ajmp exit_keytemperature:setb t_key ;扫描温度按键 mov c,t_key jc exit_key ;没有按键则退出 setb t_key lcall display mov c,t_key jc exit_key mov led_data1,td_data2 mov led_data2,#0bbh mov led_data3,#0bbh mov state1,#00h mov state2,#00h mov state3,#00h mov state4,#00h mov state5,#00h mov state6,#00h mov key_code,#2wait1: lcall display mov c,t_key jnc wait1 ;等待按键释放exit_key: ret ;= ;led显示程序，显示六位数码管，显示数据已经存放在led_data1-3中display: lcall display1 lcall display2 lcall display3 lcall display4 lcall display5 lcall display6 retdisplay1: push acc push dph push dpl mov a,led_data1 anl a,#0fh mov dptr,#table0 movc a,a+dptr orl a,state1 mov led_d_out,a mov led_c_out,#0feh lcall delay10ms pop dpl pop dph pop acc retdisplay2: push acc push dph push dpl mov a,led_data1 anl a,#0f0h swap a mov dptr,#table0 movc a,a+dptr orl a,state2 mov led_d_out,a mov led_c_out,#0fdh lcall delay10ms pop dpl pop dph pop acc retdisplay3: push acc push dph p