基于单片机的温度检测系统设计.doc

*大学毕业设计（论文）摘 要在工业生产中，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，温度测量越来越重要。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。采用单片机对温度进行检测不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高温度检测的性能指标，从而能够提高产品的质量和数量。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和检测。因此，单片机广泛用于现代工业检测中。本设计侧重介绍单片机温度检测系统的硬件及软件设计的内容。采用电流型温度传感器AD590来构架温度采集系统，主控芯片采用AT89S51单片机。系统把采集到的温度值的模拟量通过ADC0809的一个通道输入ADC0809进行A/D转换，然后通过软件程序控制单片机将转换的结果进行数值变换后送入数码管进行显示。系统设计还包含温度报警系统。如果系统测得温度超过设定的温度值范围，报警系统开始工作。报警系统由一个自激震荡蜂鸣器、三极管(NPN)和发光二极管组成。 关键词：MCS-51；AT89S51；A/D转换；温度检测ABSTRACTIn industrial production, current, voltage, temperature, pressure, flow, flow rate and switches are often used as controlled parameters. The temperature measurements are increasingly important. In many areas of the industrial production, people need to detect the temperature of the various types of furnace, heat treatment furnace and boiler. It is not only convenient, simple and flexible using the Single Chip Microcomputer(SCM) to detect the temperature, but also it can improve the performance index of temperature detection, thus it can improve product quality and quantity.The SCM is a kind of integrated device which is made up of CPU, RAM, ROM, I / O interface and interrupt system. It can achieve digital information processing and testing only with the power and the crystal. Therefore, the SCM is widely used in modern industrial detection.In the paper, it focuses on the content of the hardware and software of The SCM temperature detection system. We use the AD590 to form temperature acquisition system, and use AT89S51 as controller chip. The analog temperature is carried into the ADC0809 for A/D converter through one channel of the ADC0809 in the system. Finally the conversion results are displayed through LED. When it is out of the maximum or the minimum of the temperature we have set in advance, the alarm system works. The alarm system is made up of self-concussion buzzer, the transistor(NPN) and LED components.Key words：MCS-51; AT89S51; A/D transformation; Temperature examination目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的意义和背景11.2 温度测量的发展现状11.3 设计任务及要求21.4 设计思路2第2章 系统硬件原理及组成32.1 主控芯片AT89S5132.1.1主要特性32.1.2 管脚说明42.1.3 振荡器特性62.1.4 芯片擦除62.2 高精度运算放大器OP0762.3 集成温度传感器82.3.1 AD590简介82.3.2 AD590的工作原理92.4 A/D转换器概述122.4.1 A/D转换原理122.4.2 ADC0809简介132.4.3 ADC0809引脚与单片机连接152.5 系统电路图152.5.1 温度采集系统电路152.5.2 A/D转换系统电路172.5.3 显示系统电路172.5.4 报警系统电路18第3章 系统软件设计213.1 温度测量系统程序流程213.2 温度采集程序系统223.3 A/D转换程序系统233.4 报警系统24第4章 实验数据分析26结论31参考文献32附录1(系统程序清单)33附录2(毕业设计实物图)38致谢3939第1章 绪 论1.1 课题的意义和背景单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度则是人们日常生活中常常需要测量的一个量1。从身旁的衣食住行的任何一方面来看，可知温度与我们的生活中有着密切的关系。温度是广泛支配物理现象和化学反应和生命活动等现象的基本参数。为了了解和控制温度，它的测量从宇宙科学到日常生活现象以及科学研究，如各种产业、气象、医疗、环境、器械、汽车等极其广泛的范围内都得到广泛的应用。特别是在产业中，温度的测量和控制则是更加的频繁。不必说生产管理和质量管理，仅是从安全、节能等目的来说，它也占有极为重要的位置2。 伴随着技术的高度化和多样化，对温度测量的需求也要求高度化和多样化。因此，对于温度测量提出了在各种领域中各种温度范围、测量环境、响应速度、精确度等多样化及高度化的测量要求3。1.2 温度测量的发展现状 温度传感器种类繁多，目前国内热电阻与热电偶占1/3，绝大部分采用接触式温度测量4。近年来测量又有了新发展，比如采用辐射及光纤测量。而在新型测量元件与传感器方面有：半导体集成电路温度计、石英温度计、超声波温度计、激光温度计、微波温度计5。我国采用SiC、Al2O3管插入热电偶测量的相应位置。再用光电和辐射形成辐射温度测量。如WFT-202(高温辐射非接触式辐射测温仪表)，它是根据物体的热辐射效应原理来测量物体表面的温度6。它应用于冶金、机械、硅酸盐及化学工业部门等连续测量各种熔炉、高温窑、盐浴池等场合的温度，以及其他不适合用热电偶测量温度的场合。WFT-202芯片的主要技术指标：(1) 感温器的正常工作环境温度：1080；(2) 名义距离系数：L/D=20（在L=1000mm时），式中L为被测物体感温器物镜间的工作距离，D为被测物体的有效直径；(3) 感温器的示值稳定时间：4秒；(4) 感温器的工作距离：5002000mm。在国外，如美国采用荧光余辉的时间技术制作了光纤温度计，使用温度范围为-70350 ；加拿大采用紫外光激光激励的荧光余辉的技术制作温度计，可以在线测量大型发电机组转子的表面温度7。1.3 设计任务及要求（1）任务：检测并显示所处环境的温度，系统中还需带有上下限温度报警；（2）要求：设计要求测温范围在0100，误差在0.5以内，用三位七段LED数码管显示。1.4 设计思路在此设计中采用电流型温度传感器AD590来构架温度采集系统，主控芯片采用AT89S51单片机。系统把采集到的温度值的模拟量由ADC0809的一个通道送入ADC0809进行A/D转换，然后将转换的结果进行数值变换后送入数码管进行显示。在设计中还设置温度上下限报警值，因此系统还包含温度报警系统。如果系统测得的温度超过设定的温度值范围，报警系统开始工作，提醒人们温度值超过系统设置的范围。图1-1所示为系统框图：图1-1系统结构图第2章 系统硬件原理及组成系统主要硬件电路包括：1、主控单元电路：采用AT89S51单片机为主控单元；2、信号采集处理电路：包括A/D转换芯片ADC0809、AD590温度传感器、集成运算放大器OP07；3、显示部分电路：七段并行数码显示管；4、附属电路：包括晶振电路、重启电路、参考电压电路、报警电路以及差分放大电路。2.1 主控芯片AT89S51采用51系列单片机芯片AT89S51为主控单元。AT89S系列单片机是ATMEL公司开始研制生产的，优越的性能价格比使其成为颇受欢迎的单片机8。AT89S系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：1、片内程序存储器采用闪存存储器，使程序的写入更加方便；2、提供了更小尺寸的芯片,使整个硬件电路的体积更小。AT89S系列单片机有4种型号：AT89S51、AT89S52、AT89S53、AT89S8252、AT89S8253、90S8515，其中AT89S8253是ATMEL公司AT89S系列的新成员。它以较小的体积，良好的性能价格比受青睐，在家电产品、工业控制、计算机产品、医疗器械、汽车工业等应用方面成为用户降低成本的首选器件8。AT89S51芯片的封装形式如图2-1所示：AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（EPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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AT89S51是一种高效微控制器。AT89S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。2.1.1主要特性图2-1 AT89S51封装图 与MCS-51产品指令系统完全兼容 4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器 1000次擦写周期 4.0-5.5V的工作电压范围 全静态工作模式：0Hz-33MHz 三级程序加密锁 128*8位内部RAM 32个可编程I/O口线 两个16位定时/计数器 5个中断源 全双工串行UART通道 低功耗的闲置和掉电模式 中断可从空闲模式唤醒系统 看门狗（WDT）及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 片内振荡器和时钟电路 2.1.2 管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。每位能驱动8个TTL逻辑门电路。当对管脚写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址的低8位和数据总线复用。在FIASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，此时P0外部须接上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。P1口管脚写入1后，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可用作输入口，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉电阻的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口接收低八位地址。 P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路，当P2口被写入“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，此时可作为输入口。作为输入口时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉电阻的缘故。当P2口访问外部程序存储器或外部数据存储器时，P2口输出地址的高八位。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容，在整个访问期间不改变。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口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉电阻拉为高电平，并可作为输入端口。作输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉电阻的缘故。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能可作为AT89S51的一些特殊功能口：P3.0(RXD)（串行输入口）P3.1(TXD)（串行输出口）P3.2()（外部中断0）P3.3()（外部中断1）P3.4(T0)（定时器0）P3.5 (T1)（定时器1）P3.6()（外部数据存储器写选通）P3.7()（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。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。ALE()：当访问外部存储器时，地址锁存允许管脚的输出电平用于锁存地址的低8位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。即使不访问外部存储器，ALE端仍以时钟振荡频率的1/6输出正脉冲信号，因此它可用作对外部输出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地址单元上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚会被略微拉高，单片机在执行外部程序时，应设置ALE无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。(VPP)：当保持低电平时，则在此期间访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此期间访问内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电压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：反向振荡放大器的输出端。2.1.3 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。石英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。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.1.4 芯片擦除整个EPROM阵列和三个被锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦写操作中，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，AT89S51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 高精度运算放大器OP07 1图2-2为高精度运算放大器OP07引脚图：图2-2 放大器OP07引脚图2OP07是高精度运算放大器，其特点为：1）低的输入噪声电压幅度：0.35 VP-P (0.1Hz10Hz)；2）极低的输入失调电压：10 V；3）极低的输入失调电压温漂：0.2 V/ ；4）具有长期的稳定性：0.2 V/MO；5）低的输入偏置电流： 1uA；6）高的共模抑制比：126dB；7）宽的共模输入电压范围：14V；8）宽的电源电压范围： 3V 22V；9）可替代725、108A、741、AD510 等电路。3各引脚功能如下：1）5脚NC为空，无需接线；2）1、8脚可悬空也可以是用于调零的,即抵消偏移电压（或叫失调电压）.由于OP07的偏移电压本身已经很低（典型60uV最大150uV）,所以可以不接，如果要接，要求必须是高精度电位器（22圈的精密电位器）。如果接了，接不好反而容易引起毫伏级的误差；3）2、3脚为信号输入引脚；4）6脚为运放的输出引脚；5）4、7脚分别为正、负电源引脚。4图2-3为OP07使用图：图2-3 引脚使用图2.3 集成温度传感器2.3.1 AD590简介集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值V与热力学温度T以及通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测： （2-1）式中 K波尔兹常数 q电子电荷绝对值集成温度传感器因具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，从而得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为2.73V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1流过器件的电流（uA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：， （uA/K）（2-2）式中 流过器件（AD590）的电流，单位为uA T热力学温度，单位为K2AD590的测温范围为-55+150；3AD590的电源电压范围为4V30V。电流变化1uA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏9；4输出电阻为710M。图2-4为AD590的管脚图及元件符号：其中，1）1引脚接电源端；2）2引脚经连接可调电阻后接地；3）3引脚可以接地，也可以直接悬空。图2-4 AD590管脚图及元件符号AD590输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准,每增加1,它会增加1A输出电流，因此在室温25时,其输出电流Iout=（273+25）=298A。图2-5AD590基本应用电路：图2-5 基本应用电路使用时Uo的值为Io乘上10K,以室温25而言,输出值为10K298A=2.98V；测量Uo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。2.3.2 AD590的工作原理在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。其基本电路如图2-6所示。图2-6 感温部分的核心电路图2-6是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为UBE。因此，电流I1为： I1UBER。对于AD590，n8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻R2上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图2-6中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1AK的I值。图2-7所示是AD590的内部电路，图中的T1T4相当于图2-6中的T1、T2，而T9，T11相当于图2-6中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。图2-7 AD590内部电路T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9、T10、T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1/3。T9和T11的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出： （2-3）R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是整个压降的23。根据上式不难看出，要想改变UBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使UBE减小，不过，改变R5对UBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在25之下使总电流I达到1AK。 2.4 A/D转换器概述2.4.1 A/D转换原理在计算机实时测控和智能仪表等应用中，须将传感器检测到的连续变化的模拟量转换成离散的数字量，以便计算机处理，实现对这些量的实时测量和控制。实现模拟量到数字量转换的设备称为模数转换器，简称A/D转换器。A/D转换是把模拟量信号转化成为与其大小成正比的数字量信号。A/D转换电路的种类很多，根据转换原理，目前常用的A/D转换电路主要分成逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、计数式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是逐次逼近式和双积分式，因此以逐次逼近式作为本设计的转换原理10。逐次逼近式A/D转换器是目前种类繁多，应用最广的A/D转换器。图2-8是逐次逼近式A/D转换器的电路原理图，它由寄存器、D/A转换器、比较器和控制逻辑等部分组成。逐次逼近式转换的基本原理是用一个计量单位使连续量整量化（简称量化），即用计量单位与连续量比较。把连续量变为计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分。这样所得到的整数量即数字量。显然，计量单位越小，量化的误差也越小。图2-8 逐次逼近式A/D转换器原理图当模拟量Uin送入比较器后，启动信号（START）通过控制逻辑电路启动A/D开始转换，首先，置移位寄存器最高位（D7）为“1”，其余位清0，移位寄存器的内容经D/A转换后得到整个量程一半的模拟电压U1，与输入电压Uin比较。在Uin大于等于U1时，则保留D7=1;在Uin小于U1时，则D7位清0。然后，控制逻辑电路使移位寄存器下一位D6置“1”，与上次的结果一起经D/A转换后与Uin比较，重复上述过程，直至判别出D0位取1还是取0为止，此时，控制逻辑电路发出转换结束信号EOC。这样经过8次比较后，8位移位寄存器的内容就是转换后的数字量数据，经输出锁存器读出。整个转换过程就是这样一个逐次逼近的过程。常用的逐次逼近式A/D转换器有ADC0809、AD574等。逐次逼近式A/D转换器的特点：这种转换器转换时间固定，他取决于位数和时钟周期，适用于变化过程较快的控制系统。转换精度主要取决于D/A转换器和比较器的精度，可达0.01%。转换结果也可以串行输出。这种转换器的性能适应大部分的应用场合，是应用广泛的一种A/D转换器10。2.4.2 ADC0809简介ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与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11。（1）ADC0809的内部逻辑结构由图2-9可知，ADC0809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）引脚说明（封装图如图2-10）图2-9 ADC0809的内部逻辑结构图2-10 ADC0809引脚图IN0IN7：8条模拟量输入通，ADC0809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，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：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和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。通道地址表如下表2-11所示。表2-11 通道地址表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：ST为转换启动信号。当ST出现上跳沿时，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ADC0809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。2.4.3 ADC0809引脚与单片机连接（1）ADC0809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。2.5 系统电路图2.5.1 温度采集系统电路1温度实时采集系统电路如图2-12所示：图2-12 温度采集电路图1） AD590的输出电流I=（273+T）A（T为摄氏温度），因此测量的电压Ui为（273+T）A10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压U12等于输入电压Ui。2）由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压,其输出电压U11需调整至2.73V。3）接下来我们使用差动放大器其输出U0为（20K/5K）（V2-V1）=T/5，如果现在为摄氏28，输出电压为1.40V，输出电压接A/D转换器，那么A/D转换输出的数字量就和摄氏温度成线性比例关系。2加减运算电路的选择：如图2-13所示为一级差分放大电路：电路只有两个输入，且参数对称，则经运算放大器后的电压输出值如式（2-4）： （2-4）图2-13 差分比例运算电路电路实现了对输入差模信号的比例运算。但是在使用单个集成运放构成加减运算电路时存在两个缺点:一是电阻的选取和调整不方便；二是对于每个信号源，输入电阻均较小。因此，必要时可采用两级电路图2-14所示为二级差分电路实现差分比例运算12。第一级电路为同相比例运算电路，因而输出电压如式（2-5）所示： （2-5）利用叠加原理，第二级电路的输出电压如式（2-6）： （2-6）若R1=Rf2,R3=Rf1，则输出电压如式（2-7）： （2-7）图2-14 两级差分放大器从电路的组成可以看出，无论对于U11，还是U12，均可以认为输入电阻为无穷大。2.5.2 A/D转换系统电路该部分电路是这个设计的核心部件如图2-15所示，包括A/D转换芯片ADC0809，主控芯片AT89S51单片机，负责把前部分温度采集电路采集到的温度模拟量数值进行A/D转换，根据具体情况AT89S51做出相应中断、报警、显示等指令操作。2.5.3 显示系统电路如图2-16所示，该部分电路采用了三位七段LED数码管（共阴极）显示，P0端口采用上拉电阻增加电流值以驱动数码管来负责显示系统测得的温度值。图2-15 主电路图图2-16 显示电路2.5.4 报警系统电路 系统设置了上下限温度值报警系统，电路如图2-17所示，如果测量的温度超过系统设置的温度值的范围，则报警系统开始发出提示，为了双重保险，我们在电路中进行发光和蜂鸣报警，这样可以通过视觉和听觉两种方式发现系统报警。图2-17 报警电路图系统板上硬件连线（1）通过“单片机系统板”区域中的双向I/O口P0端口的P0.0P0.6用排线连接到“动态数码显示”区域中的a、b、c、d、e、f、g端口上把数字温度信号值送入数码管，作为数码管的笔段驱动；（2）通过排线把“单片机系统板”区域中的P2端口的三个选通信号引脚P2.1P2.3连接到“动态数码显示”区域中的S1、S2、S3端口上，将控制信号送给数码管作为数码管的位段选择，以控制数码管变亮或者熄灭；（3）把“单片机系统板”区域中的P0端口的P1.0P1.7用8芯排线连接到“模数转换模块”区域中的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7端口上，用以传送A/D转换完毕的数据输入到单片机上为完成系统的转换以及显示工作做好准备；（4）用导线把“模数转换模块”区域中的VREF端子用导线连接到“电源模块”区域中的VCC端子上，给A/D转换芯片提供参考电压；（5）把“模数转换模块”区域中的A2、A1、A0端子用导线连接到地，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入转换器进行转换。A、B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入；（6）把“模数转换模块”区域中的ST、ALE端子用导线连接到“单片机系统”区域中的P2.5端子上，ST为转换启动信号。当ST为上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平；（7）把“模数转换模块”区域中的OE端子用导线连接到“单片机系统”区域中的P2.7端子上，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；（8）把“模数转换模块”区域中的EOC端子用导线连接到“单片机系统”区域中的P2.6端子上，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；（9）把“模数转换模块”区域中的CLK端子用导线连接到单片机的P2.4端子上，作为A/D转换芯片的工作时钟信号；第3章 系统软件设计3.1 温度测量系统程序流程当整个系统开始工作时，单片机对系统各寄存器、标志位进行初始化。接着由电流型温度传感器AD590来采集当前环境的温度，测量系统把采集到的温度值的模拟量信号通过A/D转换芯片ADC0809的一个通道送入ADC0809进行A/D转换，单片机根据ADC0809的EOC引脚的高低电平信号（0或者1）来判断A/D转换是否已经结束，或者还是正在进行。当EOC=1即高电平时，表明A/D转换已经结束，如果EOC=0即低电平时表明正在进行A/D转换。最后单片机根据OE引脚信号值来判定是否开始接收A/D转换后的数据。OE引脚信号为输出允许信号，它用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的温度值的数字信号。当OE=1时，允许输出转换得到的数据；如果OE=0时，输出呈现高阻态，此时不允许向单片机输出数据。最后系统还要将得到的温度数值与系统设置的上下限温度报警值进行比较，通过比较来判定所测的温度值是否超出了系统设置温度范围。如果超出系统设置的温度值的范围，则系统进入中断报警程序。然后将已经完成的温度测量值进行数值变换后送入数码管进行显示。系统主流程图如图3-1所示：图3-1 系统主流程图3.2 温度采集程序系统首先系统进行初始化后，AD590开始采集温度，AD590可以直接把采集到的温度进行温度/电流转换，根据定时器来采集一定时间内的温度值，并且在自身能够做出对当前温度的接收检验，存储并为进行下一步A/D转换做好准备工作，流程图如3-2所示：图3-2 温度采集程序框图3.3 A/D转换程序系统首先系统开始初始化后，把片内的RAM指针以及A/D转换采样计数器置初始值，选择ADC0809的IN0通道，让前部分采集来的温度值的模拟量值通过该通道进入芯片内进行A/D转换，通过ST高低电平值来启动A/D转换，系统在系统设置的时间范围内进行转换，然后把数据值存入片内RAM寄存器，并且判定转换是否结束，如果已经结束，则停止转换工作，并通过EOC给单片机发出转换结束信号，否则继续进行A/D转换，如图3-3所示：图3-3 A/D转换流程图3.4 报警系统 本设计设置温度上下限报警值，如果系统所测得的温度值不在所设置的温度范围内，该报警系统开始工作，进行蜂鸣、发光报警。报警系统由一个三极管、发光二极管、蜂鸣器组成。流程图如3-4所示：图3-4 报警电路流程图第4章 实验数据分析1在理论中AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V30V，检测的温度范围为-55+150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1 uA13。AD590温度与电流的关系如表4-1所示：表4-1 AD590温度与电流关系摄氏温度AD590电流经10K电压0273.2uA2.732V10283.2uA2.832V20293.2uA2.932V30303.2uA3.302V40313.2uA3.132V50323.2uA3.232V60333.2uA3.332V100373.2uA3.732V2设计中为了能符合ADC0809的对输入电压模拟量的要求：信号单极性，电压范围是05V，再根据电流型温度传感器AD590的温度/电流（电压）特定的对应关系如表4-1所示，因此将AD590采集到的温度值模拟量经过差分放大器后放大5倍在送入ADC0809进行A/D转换。利用仿真软件proteus对设计进行仿真可以得到电压与温度关系如表4-2所示：表4-2 仿真数据关系表电压值（V）温度值（）0.240.480.5100.6120.7140.8161.5301.8362.2442.999603.099623.199643.399683.599723.999804.199844.299864.399884.699944.749964.849984.9491003根据表4-2的数据我们可以绘制如图4-3所示的温度/电压线性图：图4-3 温度与电压的线性图如图（4-3）所示经过最小二乘法拟合得到的公式：y=20.139x-0.2003，再将实验各点数据代入公式可以得到一系列的温度值，最后与仿真得到的温度值进行比较可以得出实验数据的最大偏差值，如表4-4所示表4-4电压/温度偏差电压值x（V）温度值Y（）y=20.139x-0.2003=Y-y0.243.82750.17250.487.85530.14470.5109.86920.13080.61211.88310.11690.71413.8970.1030.81615.91090.08911.53030.0082-0.00821.83636.0499-0.04992.24444.1055-0.10552.9996060.19656-0.196563.0996262.21046-0.210463.1996464.22436-0.224363.3996868.25216-0.252163.5997272.27996-0.279963.9998080.33556-0.335564.0998282.34946-0.349464.1998484.36336-0.363364.2998686.37726-0.377264.3998888.39116-0.391164.4999090.40506-0.405064.5499291.412010.5879894.6499493.425910.5740894.7499695.439810.5601894.8499897.453710.5462894.94910099.467610.532389根据表4-4可得最大偏差为|=0.587989，由此可得设计的最大误差为：由上面数据以及图表可以得到以下结论：本设计中在误差允许的范围内电压与温度输出成线性关系。4利用设计的温度传感器通过检测一天不同时刻的温度变化与现有温度计测量值进行比较，进一步验证设计的正确性。下表为所测得的实验数据，如表4-5：表4-5 温度检测对比表时刻温度计测得的温度()本设计检测的温度值()7：0016167：3015.6168：0016.8178：3017179：0017.6189：30181810：0018.11810：30191911：00202011：3020.82112：0021.22112：3021.82213：0022.72313：30242414：00252514：30262615：0024.82515：30242416：0023.12316：3022.12217：0021.22117：302020图4-6所示为设计的温度传感器测量值与温度计测量值的对比图：12曲线1-温度传感器检测值，曲线2-温度计测量值。图4-6 温度曲线对比图从图中可以看出温度传感器检测的温度值的变化曲线与温度计检测值的变化曲线基本上保持一致。在误差允许的范围内，该温度传感器精度达到用来实时检测环境温度的要求。结 论本设计利用AT89S51作为主控芯片，由电流型温度传感器AD590来采集当前环境的温度，系统把采集到的温度值的模拟量信号通过ADC0809的一个通道送入ADC0809进行A/D转换，单片机根据ADC0809的EOC引脚的高低电平信号（0或者1）来判断A/D转换是否已经结束，或者还是正在进行。当EOC=1即高电平时，表明A/D转换已经结束，如果EOC=0即低电平时表明正在进行A/D转换。然后单片机根据OE引脚信号值来判定是否该开始接收A/D转换后的数据。OE=1允许输出数据，否则不允许输出。最后系统将得到的温度值与系统设置的上下限温度报警值进行比较，通过比较来判定所测的温度值是否超出了系统设置温度范围。如果超出系统设置的温度值的范围，则系统进入中断报警程序，并将已经完成的温度测量值进行数值变换后送入数码管进行显示。本设计为温度采集测量系统实用性强，能够很好地巡回采集测量信号，结构较为简单，成本低