单片机原理及接口技术课程设计报告.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除单片机原理及接口技术课程设计报告设计题目 班 级 姓 名 学 号 指导教师 单片机课程设计任务书题目：基于单片机的温度数据采集系统设计一设计要求1被测量温度范围：0500，温度分辨率为0.5。2被测温度点：4个，每2秒测量一次。3显示器要求：通道号1位，温度4位（精度到小数点后一位）。显示方式为定点显示和轮流显示。4键盘要求：（1）定点显示设定；（2）轮流显示设定；（3）其他功能键。二设计内容1单片机及电源管理模块设计。 单片机可选用AT89S51及其兼容系列，电源管理模块要实现高精密稳压输出，为单片机及A/D转换器供电。2传感器及放大器设计。 传感器可以选用镍铬镍硅热电偶（分度号K），放大器要实现热电偶输出的mV级信号到A/D输入V级信号放大。3多路转换开关及A/D转换器设计。 多路开关可以选用CD4052，A/D可选用MC14433等。4显示器设计。 可以选用LED显示或LCD显示。5键盘电路设计。 实现定点显示按键；轮流显示按键；其他功能键。6系统软件设计。 系统初始化模块，键盘扫描模块，显示模块，数据采集模块，标度变换模块等。三设计报告要求设计报告应按以下格式书写：（1）封面；（2）设计任务书；（3）目录；（4）正文；（5）参考文献。其中正文应包含以下内容：（1）系统总体功能及技术指标描述；（2）各模块电路原理描述；（3）系统各部分电路图及总体电路图（用PROTEL绘制）；（4）软件流程图及软件清单；（5）设计总结及体会。四、参考资料1、李全利，单片机原理及接口技术，高等教育出版社，20042、于永，51单片机常用模块与综合系统设计实例精讲，电子工业出版社，2007引言随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。本次设计的目的在于学习基于51单片机的多路温度采集控制系统设计的基本流程。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，通过MC14433模数转换对所测的温度进行数字量变化。单片机数据处理之后，将当前温度信息发送到LCD进行显示。本系统可以实现多路温度信号采集与显示，可以使用按键来设置切换定点显示功能与轮流显示功能，通过进行温度数据的运算处理，发出控制信号达到控制蜂鸣器和继电器的目的。我所采用的控制芯片为AT89c51，此芯片功能较为强大，能够满足设计要求。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，采用微机进行温度检测，数字显示，信息存储及实时控制。 目录： 一、系统总体功能及技术指标的描述-4二、各模块电路原理描述-42.1单片机及AT89C51引脚说明-4 2.2、电源模块设计-7 2.3、传感器模块设计-7 2.4、放大器-9 2.5、多路转换-9 2.6、A/D转换器-11 2.7、显示器设计-13 2.8、键盘电路设-14 2.9、电路总体设计图-15三、软件流程-16四、 程序清单-17五、设计总结及体会-23六、参考资料-23一、系统总体功能及技术指标的描述1，基于单片机的温度数据采集系统，实现实时的温度的数据采集与显示，采用1602液晶显示温度读数和所选通道号，以实现对数据的实时控制。2， 技术指标要求：1被测量温度范围：0500，温度分辨率为0.5。2被测温度点：4个，每2秒测量一次。3显示器要求：通道号1位，温度4位（精度到小数点后一位）。显示方式为定点显示和轮流显示。4键盘要求：（1）定点显示设定；（2）轮流显示设定；（3）其他功能键。二、各模块电路原理描述2.1单片机及电源模块设计如图所示为AT89C51芯片的引脚图。兼容标准MCS-51指令系统的AT89C51单片机是一个低功耗、高性能CHMOS的单片机，片内含4KB在线可编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。AT89C51单片机片内的Flash可允许在线重新编程，也可用通用非易失性存储编程器编程；片内数据存储器内含128字节的RAM；有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口;具有两个16位可编程定时器；中断系统是具有6个中断源、5个中断矢量、2级中断优先级的中断结构；震荡器频率0到33MHZ，因此我们在此选用12MHZ的晶振是比较合理的；具有片内看门狗定时器；具有断电标志POF等等。AT89S51具有PDIP、TQFP和PLCC三种封装形式8。2.2、AT89C51引脚说明P0口：8位、开漏级、双向I/O口。P0口可作为通用I/O口，但须外接上拉电阻；作为输出口，每各引脚可吸收8各TTL的灌电流。作为输入时，首先应将引脚置1。P0也可用做访问外部程序存储器和数据存储器时的低8位地址/数据总线的复用线。在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收代码字节数据；在编程效验时，P0口输出代码字节数据(需要外接上拉电阻)。P1口：8位、双向I/0口，内部含有上拉电阻。P1口可作普通I/O口。输出缓冲器可驱动四个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，由片内上拉电阻将其抬到高电平。P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供电流。在FLASH并行编程和校验时，P1口可输入低字节地址。在串行编程和效验时，P1.5/MO-SI，P1.6/MISO和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 P2口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2口用做输出口时，可驱动4各TTL负载；用做输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外部输出电流。CPU访问外部16位地址的存储器时，P2口提供高8位地址。当CPU用8位地址寻址外部存储时，P2口为P2特殊功能寄存器的内容。在FLASH并行编程和校验时，P2口可输入高字节地址和某些控制信号。P3口：具有内部上拉电阻的8位双向口。P3口用做输出口时，输出缓冲器可吸收4各TTL的灌电流；用做输入口时，首先将引脚置1，由内部上拉电阻抬位高电平。若外部的负载是低电平，则通过内部上拉电阻向输出电流。在与FLASH并行编程和校验时，P3口可输入某些控制信号。P3口除了通用I/O口功能外，还有替代功能，如表5.3-1所示。表5.3-1 P3口的替代功能引脚符号说明P3.0RXD串行口输入P3.1TXD串行口输出P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0T0定时器的外部的计数输入P3.5T1T1定时器的外部的计数输入P3.6/WR外部数据存储器的写选通P3.7/RD外部数据存储器的读选通RST：复位端。当振荡器工作时，此引脚上出现两个机器周期的高电平将系统复位。ALE/ ：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）是一个用于锁存地址的低8位字节的书粗脉冲。在Flash 编程期间，此引脚也可用于输入编程脉冲（）。在正常操作情况下，ALE以振荡器频率的1/6的固定速率发出脉冲，它是用作对外输出的时钟，需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果希望禁止ALE操作，可通过将特殊功能寄存器中位地址为8EH那位置的“0”来实现。该位置的“1”后。ALE仅在MOVE或MOVC指令期间激活，否则ALE引脚将被略微拉高。若微控制器在外部执行方式，ALE禁止位无效。：外部程序存储器读选取通信号。当AT89S51在读取外部程序时， 每个机器周期 将PSEN激活两次。在此期间内，每当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。/Vpp：访问外部程序存储器允许端。为了能够从外部程序存储器的0000H至FFFFH单元中取指令，必须接地，然而要注意的是，若对加密位1进行编程，则在复位时，的状态在内部被锁存。执行内部程序应接VCC。不当选择12V编程电源时，在Flash编程期间，这个引脚可接12V编程电压。XTAL1：振荡器反向放大器输入端和内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器输出端。单片机最小系统设计原理图：电源模块设计：在影响单片机系统可靠性的诸多因素中，电源干扰可谓首屈一指，据统计，计算机应用系统的运行故障有90以上是由电源噪声引起的。为了提高系统供电可靠性，交流供电应采用交流稳压器，防止电源的过压和欠压，直流电源抗干扰措施有采用高质量集成稳压电路单独供电，采用直流开关电源，采用DC-DC变换器。本次设计决定采用MAXim公司的高电压低功耗线性变换器MAX 1616作为电压变换，采用该器件将输入的24V电压变换为5V电压，给外围5V的器件供电。MAX1616具有如下特点：1.428V电压输入范围。2.最大80uA的静态工作电流。3.3V/5V电压可选输出。4.30mA输出电流。本电路采用该器件将输入的24V电压变成5V电压，给外围5V的器件供电，其中二极管D1是保护二极管，防止输入电压接反可能带来的对电路的影响和破坏。电源管理模块电路图如下：传感器模块设计 数据的采集应用热电偶作为温度传感器，热电偶是一种感温元件 , 它把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端存在温度梯度时 , 回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端， 温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ; 分度表是自由端温度在 0 时 的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。 热电偶优点：热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。 热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。 测量范围大：热电偶从 -40+ 1600 均可连续测温。 性能可靠， 机械强度好。 使用寿命长，安装方便。 热电偶的种类及结构： （ 1 ）热电偶的种类 热电偶有 K 型（镍铬 - 镍硅） WRN 系列， N 型（镍铬硅 - 镍硅镁） WRM 系列， E 型（镍铬 - 铜镍） WRE 系列， J 型（铁 - 铜镍） WRF 系列， T 型（铜 - 铜镍） WRC 系列， S 型（铂铑 10- 铂） WRP 系列， R 型（铂铑 13- 铂） WRQ 系列， B 型（铂铑 30- 铂铑 6 ） WRR 系列等。 （ 2 ）热电偶的结构形式：热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管；并 与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。 热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐 高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等。 镍铬-镍硅热电偶(K型)分度表 (参考端温度为0)温度0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.21432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807放大器：本次设计采用TLC2712低功耗精密预算放大器，单电源供电，超低功耗，采用数字电位器X9c104和X9c504。进行信号的调零和满量程调整。设计电路图：多路转换开关：多路开关采用CD4052。多路转换开关的作用是可以利用A/D转换器进行多路模拟量的转换。利用多路开关轮流切换各被测回路与A/D转换器，以达分时享用A/D转换器的目的。CD4052的逻辑图CD4052引脚图CD4052/CC4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。例如，若V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号，这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当INH输入端=“1”时，所有通道截止。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。cBG838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号。A/D转换器本次设计的转换器采用MC14433。具体特点如下：MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：1.精度：读数的0.05%1字2.模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档3.转换速率：2-25次/s4.输入阻抗：大于1000M5.输入阻抗：大于1000M6.功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）7.功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。MC14433的引脚说明： 1. Pin1(VAG)模拟地，为高科技阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。2. Pin2(VR)基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR)，就能够复为至转换周期的起始点。3. Pin3(Vx)被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系： 因此，满量程的Vx=VR。当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV2.000V之间选取。 4. Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接积分元件端。次三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470k，而满量程为200mV时，R1取27k。5. Pin7、Pin8(C01、C02)外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容即可。6. Pin9(DU)更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。7. Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300k即可。若需要较高的时钟频率稳定度，则需采用外接石英晶体或LC电路，参考附图。 8. Pin12(VEE负电源端。VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。9. Pin13(Vss)数字电路的负电源引脚。Vss工作电压范围为VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。10. Pin14(EOC)转换周期结束标志位。每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。11. Pin15（OR非）过量程标志位，当|Vx|VREF时， 输出为低电平。12. Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路选通脉冲输出端。DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。13. Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD码数据输出端。该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息，这些信息所代表的意义见下表。13. Pin24(VDD)正电源电压端。数据采集模块总电路图：2.7、显示器设计1602液晶显示器，数据由P0口传送，RS由P2.6控制。使能端由P27驱动。一位通道号，四位温度显示。显示模块电路图：2.8、键盘电路设计2.9、电路总体设计图三，软件流程图四、程序清单#includesbit s2=P34;sbit rs=P35;sbit lcden=P34;sbit dula=P26;sbit wela=P27;#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit adrd=P37; sbit adwr=P36;sbit diola=P25;sbit dula=P26;sbit wela=P27;unsigned char j,k,adval;void delay(unsigned char i) for(j=i;j0;j-) for(k=125;k0;k-); void delay1(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=100;b0;b-); void write_com(uchar com)P0=com;rs=0;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void write_date(uchar date)P0=date;rs=1;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void init()dula=0;wela=0;write_com(0x38); delay(20);write_com(0x0f); delay(20);write_com(0x06); delay(20);write_com(0x01); delay(20);void datepro()u8 i;switch(wd_sec)case 1: switch(pos_sec)case 1:number3 = number_set1/10; number4 = number_set1%10;break;case 2:number5 = number_set2;break;case 3:number7 = number_set3/10; number8 = number_set3%10;break;break;case 2:if(flashlight_flag=0)switch(pos_sec) case 1:number3 = number_set1/10; number4 = number_set1%10;break;case 2:number5 = number_set2;break;case 3:number7 = number_set3/10; number8 = number_set3%10;break; elseswitch(pos_sec)case 1:number3 = 18; number4 = 18;break;case 2:number5 = 18;break;case 3:number7 = 18; number8 = 18;break; break;void main() uchar a,A1,A2,A2t,A3; while(1) wela=1; P0=0; adwr=0; _nop_(); adwr=1; P0=0xff; delay(10); wela=0; for(a=20;a0;a-) display(A1,A2,A3); wela=1; P1=0xff; P0=0; adrd=0; adval=P1; adrd=1; P0=0xff; adwr=0; P1=adval; A1=adval/100; A2t=adval%100; A2=A2t/10; A3=A2t%10; ;void choosech(unsigned char ch)switch(ch)case 1:A0=0;A1=0;break;case 2:A0=0;A1=1;break;case 3:A0=1;A1=0;break;case 4:A0=1;A1=1;break;unsigned int ReadADC() unsigned char i,k; unsigned char channel; unsigned int AdcResult; / 12 bit ADC_CS=0; / Active chip select k+;/ Delay about 1 uS ADC_CLK=0; / make clock low first k+;k+; channel = 0xd0; k+;k+; / delay about 2 uS /- write command 4 bit - for(i=0; i 4;i+) ADC_DI = (channel & 0x80) != 0; channel=1; ADC_CLK=1; k+;k+;/ delay about 2 uS ADC_CLK=0; k+;k+; / delay about 2 uS ADC_CLK=1; k+;k+; ADC_CLK=0; k+;k+; /- read ADC result 1