AT89C51温度传感器设计

电子系统综合设计报告 姓名 姓名 学号 学号 专业 专业 日期日期 2011 4 13 南京理工大学紫金学院电光系南京理工大学紫金学院电光系 摘要摘要 本次课程设计目的是设计一个简易温度控制仪 可以在四联数码管上显示 测得的温度 主要分四部份电路 OP07 放大电路 AD 转换电路 单片机部分电 路 数码管显示电路 设计文氏电桥电路 得到温度与电压的关系 通过控制 电阻值改变温度 利用单片机将现在温度与预设温度进行比较 将比较结果在 LED 数码管上显示 同时实现现在温度与预设温度之间的切换 关键词关键词 放大电路 转换电路 控制电路 显示 目录目录 1 引言 4 1 1 系统设计 4 1 1 1 设计思路 4 1 1 2 总体方案设计 4 2 单元模块设计 5 2 1 各单元模块功能介绍及电路设计 5 2 1 1 温度传感器电路的设计 5 2 1 2 信号调理电路的设计 5 2 1 3 A D 采集电路的设计 5 2 1 4 单片机电路 6 2 1 5 键盘及显示电路的设计 6 2 1 6 输出控制电路的设计 6 2 2 元器件的选择 6 2 3 特殊器件的介绍 7 2 3 1 OP07A 7 2 3 2 ADC0809 7 2 3 3 ULN2003 9 2 3 4 四联数码管 共阴 9 2 4 各单元模块的联接 10 3 1 开发工具及设计平台 11 3 1 1 Proteus 特点 11 3 1 2 Keil 特点 11 3 1 3 部分按键 12 4 系统测试 16 5 小结和体会 19 6 参考文献 20 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 5 页页 共共 29 页页 1 引言引言 电子系统设计要求注重可行性 性能 可靠性 成本 功耗 使用方便和 易维护性等 总体方案的设计与选择 由技术指标将系统功能分解为 若干子系 统 形成若干单元功能模块 单元电路的设计与选择 尽量采用熟悉的电路 注重开发利用新电路 新器件 要求电路简单 工作可靠 经济实用 1 1 1 1 系统设计系统设计 1 1 11 1 1 设计思路设计思路 本次实验基于 P89L51RD2FN 的温控仪设计采用 Pt100 温度传感器 1 1 21 1 2 总体方案设计总体方案设计 热敏电阻测温调理电路 设定输入单片机 LED显示 控制输出 双向可 控硅 继电器 控制 对象 风扇 信号调 理电路 A D采集 电路 加热丝 传 感 器 设计要求 1 采用 Pt100 温度传感器 测温范围 20 100 2 系统可设定温度值 3 设定温度值与测量温度值可实时显示 4 控温精度 0 5 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 6 页页 共共 29 页页 2 单元模块设计单元模块设计 2 12 1 各单元模块功能介绍及电路设计各单元模块功能介绍及电路设计 2 1 12 1 1 温度传感器电路的设计温度传感器电路的设计 实现温度 T 和电阻 R 的对应关系 电桥中 R1 R2 R3 200 R R4 为温度传感器 温度变化 导致电桥的一个 桥臂上的电阻也就是 R4 的阻值变化 2 1 22 1 2 信号调理电路的设计信号调理电路的设计 实现将温度 T 和电阻 R 的对应关系转化为温度 T 和电压 V 的对应关系 利用电桥的原理 R4 的阻值变化使电桥两点的电位差改变 此两点作为运 算放大器的两个输入 2 1 32 1 3 A D 采集电路的设计采集电路的设计 实现启动 等待 采集数据 信号调理电路的输出接 0809 的 IN0 0809 的 ALE 的 START 连接 单片机的 P2 7 和 WR 或非后接 0809 的 START P2 7 和 RD 或非后接 0809 的 OE START 脉冲来 A D 转 换开始 以 EOC 作为转换完成的标志使用的是等待方式 所以 EOC 未连接 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 7 页页 共共 29 页页 2 1 42 1 4 单片机电路单片机电路 最小系统 2 1 52 1 5 键盘及显示电路的设计键盘及显示电路的设计 实现键盘数据输入和温度显示 利用四联数码管显示三位的温度值和一个 C 代表显示的是温度 两个键 盘按键调整预设温度的高低 2 1 62 1 6 输出控制电路的设计输出控制电路的设计 I O 驱动 继电器 指示灯 负载 测得的温度值高于预设温度 红灯亮 低于则绿灯亮 接两个发光二极管 2 22 2 元器件的选择元器件的选择 1 P89L51RD2FN 2 AD0809 3 OP07A 4 MAX232 5 驱动器 ULN2003 6 四联数码管 MT0546AR 7 继电器 HRS2H S DC5V N 8 发光二极管 红 绿色 9 三极管 9012 PNP 9013 NPN 11 面包板 连接线 插头座 12 周立功单片机实验箱 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 8 页页 共共 29 页页 13 电阻 200 3 用于电桥 10k 2 20 k 2 用于减法器 2 32 3 特殊器件的介绍特殊器件的介绍 2 3 12 3 1 OP07A OP07 引脚图 OP07A 的特点 超低偏移 150 V 最大 低输入偏置电流 1 8nA 低失调电压漂移 0 5 V 超稳定 时间 2 V month 最大 高电源电压范围 3V 至 22V 2 3 22 3 2 ADC0809 1 主要特性 1 8路8位A D 转换器 即分辨率8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为100 s 4 单个 5V 电源供 5 模拟输入电压范围0 5V 不需零点和满刻度校准 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约15mW 2 内部结构 ADC0809 是CMOS 单片型逐次逼近式A D 转换器 内部结构如图 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 9 页页 共共 29 页页 13 22 所示 它由8 路模拟 开关 地址锁存与译码器 比较器 8位开关树型D A 转换器 逐次逼近 寄存器 三态输出锁 存器等其它一些电路组成 因此 ADC0809可处理8路模拟量输入 且有 三态输出能力 既可与各 种微处理器相连 也可单独工作 输入输出与TTL 兼容 IN0 IN7 8 路模拟电压输入端 用与输入被转换的模拟电压 D0 D7 A D 转换后的数据输出端 与单片机的P0 口相接 A B C 模拟通道地址选择端 A 为低位 C 为高位 3 A D转换完成数据的输送 A D 转换后得到的是数字量的模拟量 这些数据应传诵给单片机进行处理 数据串的关键是如何确定A D 转换完成 因为只有确定数据转换完成后 才进 行传送 为此可采用以下三种方式 定时传送方式 对于一种A时子程序 A D 转换启动后 就调动这个子程序 延迟时间一 到 转换肯定已经完成了 接着 就可以进行数据传送A D 转换来说 转换时 间作为一项技术指标是已知的和固定的 查询方式 A D 转换芯片表明有转换完成的状态信号 例如ADC0809 的E 端 因此 可以通过查询方式用软件测试EOC的状态 即可知道转换是否完成 若完成 则 接着进行数据传送 中断方式 中断方式ADC0809与8031的中断方式接口电路只需将0809的EOC端经过一 非门连接到8031的INTl 端即可 采用中断方式可大大节省CPU的时间 当转换 结束时 EOC发出一个脉冲向单片机提出中断请求 单片机响应中断请求 由 外部中断1 的中断服务程序读A D 结果 并启动0809的下一次转换 外部中 断1 采用边沿触发方式 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 10 页页 共共 29 页页 2 3 32 3 3 ULN2003 ULN200A 电路具有以下特点 1 电流增益高 大于 1000 2 带负载能力强 输出电流大于 500mA 3 温度范围宽 40 85 4 工作电压高 大于 50V 2 3 42 3 4 四联数码管 共阴 四联数码管 共阴 四联数码管引脚图 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 11 页页 共共 29 页页 2 42 4 各单元模块的联接各单元模块的联接 2 4 1 模块连接模块连接 键盘输入单片机 四联数码管 高于设定 低于设定 红灯亮 绿灯亮 集成运放OP07 A D0809 共 6 个模块 模块 1 信号调理电路 电桥 减法器 模块 2 A D 转换器 ADC0809 模块 3 单片机 89C51 或 P89L51RD2FN P0 AD 数据采集 P1 数码管段选信号 a b c d e f g P2 7 A D 的 OE P3 4 P3 5 指示灯 1 指示灯 2 P2 0 P2 3 数码管位选信号 1 2 3 4 INT0 键 INT1 键 模块 4 键盘输入 连接单片机的两个外部中断 模块 5 共阴四联数码管 位选 P2 0 P2 3 段选 P1 模块 6 控制输出 接两个指示灯 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 12 页页 共共 29 页页 3 3 软件设计软件设计 3 13 1 开发工具及设计平台开发工具及设计平台 3 1 13 1 1 Proteus 特点特点 1 Proteus 软件提供数千种元器件和多达 30 多个元件库 2 在 Proteus 软件中 理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用 3 除了现实存在的仪器外 Proteus 还可以以图形的方式实时地显示线路上 变化的信号 4 虚拟仪器仪表具有理想的参数指标 可减少仪器对测量结果的影响 5 Proteus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试 这些测试信号包括 模拟信号和数字信号 3 1 23 1 2 Keil 特点特点 1 全功能的源代码编辑器 2 器件库用来配置开发工具设置 3 项目管理器用来创建和维护用户的项目 4 集成的 MAKE 工具可以汇编 编译和连接用户嵌入式应用 5 所有开发工具的设置都是对话框形式的 6 真正的源代码级的对 CPU 和外围器件的调试器 7 高级 GDI AGDI 接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和 Monitor 51 进行通信 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 13 页页 共共 29 页页 3 1 33 1 3 部分按键部分按键 设定温度与实际温度间的切换 数据的显示 Keyscan h文件 开始 S2 0 可能有按键操 作 延时消抖 S2 0 有按键操作 Flag 1 结束 是 否 是 否 开始 P2口送位选码 延时 P1口送段选码 4位数显示完 结束 Display h文件流程图 是 否 Keyscan h文件 开始 S2 0 可能有按键操 作 延时消抖 S2 0 有按键操作 Flag 1 结束 是 否 是 否 开始 P2口送位选码 延时 P1口送段选码 4位数显示完 结束 Display h文件流程图 是 否 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 14 页页 共共 29 页页 3 1 43 1 4 C 代码编写代码编写 include include absacc h bit flag 采样标志 unsigned char countor 定时器定时的循环标志 unsigned char g s b i unsigned char Q 3 p 0 设置预设温度 unsigned char m n sbit P34 P3 4 sbit P35 P3 5 sbit P30 P3 0 为蜂鸣器提供一定频率的方波 void DisplaySecond unsigned char s b 数码管显示函数的声明 void delay void 延时函数的声明 float a result 0 result1 0 T 数码管动态显示 unsigned char Tab 0 x3F 0 0 x06 1 0 x5B 2 0 x4F 3 0 x66 4 0 x6D 5 0 x7D 6 0 x07 7 0 x7F 8 0 x6F 9 0 x39 C 定时器 T0 定时 void t0 ser interrupt 1 using 1 TL0 0 xF0 TH0 0 xD8 P30 P30 蜂鸣器产生的方波 countor if countor 10 循环 10 次达到定时 0 1 秒 countor 0 flag 1 定时时间到 置采样标志为 1 进行采样 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 15 页页 共共 29 页页 采样函数 void samp unsigned int c XBYTE 0 x7FF8 0 进行一个写操作 启动 A D 转换 delay a XBYTE 0 x7FF8 将 A D 转换的结果保存为变量 a result a 5 256 将 A D 转换结果换算成十进制数 if result 0 524P34 0 else P35 0 P34 1 当实际温度大于预设温度时 红灯亮 反之绿灯 亮 外部中断 0 预设温度加一 void int0 ser interrupt 0 using 0 delay if INT0 0 p if p 10 Q p 0 for i 0 i 50 i DisplaySecond Q p 外部中断 1 预设温度减一 void int1 ser interrupt 2 using 2 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 16 页页 共共 29 页页 delay if INT1 0 p if p 0 Q p 9 for i 0 i 50 i DisplaySecond Q p void main TMOD 0 x01 定时器工作方式 TL0 0 xF0 TH0 0 xD8 定时器初值 ET0 1 定时器中断开放 EA 1 总允许 TR0 1 启动定时器 T0 EX1 1 外部中断 1 开放 EX0 1 外部中断 0 开放 PX0 1 外部中断 0 优先级置高 PX1 1 外部中断 1 优先级置高 IT0 1 外部中断 0 为边沿触发方式 IT1 1 外部中断 1 为边沿触发方式 while 1 if flag flag 0 samp 采样标准为 1 时 调用采样函数进行采样 DisplaySecond s b 延时函数 void delay void unsigned int j for j 0 j 100 j 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 17 页页 共共 29 页页 数码管动态显示函数 void DisplaySecond unsigned char s b P2 0 xf1 数码管 1 亮 P1 Tab1 g 显示温度的百位 delay P2 0 xf0 P2 0 xf2 数码管 2 亮 P1 Tab1 s 显示温度的十位 delay P2 0 xf0 P2 0 xf4 数码管 3 亮 P1 Tab1 b 显示温度的十位 delay P2 0 xf0 P2 0 xf8 数码管 4 亮 P1 0 x39 显示 C delay P2 0 xf0 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 18 页页 共共 29 页页 4 系统测试系统测试 4 14 1 温度与电阻的关系温度与电阻的关系 y 0 0666x 4 5761 R2 0 893 1 0 1 2 3 4 5 6 020406080 温度 电阻 电阻 平均值 线性 Ui1 4 2 温度与电压的关系温度与电压的关系 图表标题 y 0 0594x 0 053 0 1 2 3 4 5 6 050100 电压计算值 线性 电压计算值 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 19 页页 共共 29 页页 4 3 温度分段与电压的拟合曲线 温度分段与电压的拟合曲线 11 11 到到 24 24 11度到24度温度与电压关系 y 0 1035x 1 0151 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 0102030 电压计算值 线性 电压计算 值 4 4 温度分段与电压的拟合曲线 温度分段与电压的拟合曲线 25 25 到到 35 35 25度到35度温度与电压关系 y 0 0844x 0 5634 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 010203040 电压计算值 线性 电压计算 值 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 20 页页 共共 29 页页 4 5 温度分段与电压的拟合曲线 温度分段与电压的拟合曲线 36 36 到到 48 48 36度到48度温度与电压关系 y 0 0617x 0 2562 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 0204060 电压计算值 线性 电压计算 值 4 6 温度分段与电压的拟合曲线 温度分段与电压的拟合曲线 49 49 到到 64 64 49度到64度温度与电压关系 y 0 0431x 1 1494 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 020406080 电压计算值 线性 电压计算 值 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 21 页页 共共 29 页页 4 7 温度分段与电压的拟合曲线 温度分段与电压的拟合曲线 65 65 到到 80 80 65度到80度温度与电压关系 y 0 024x 2 3756 3 9 3 95 4 4 05 4 1 4 15 4 2 4 25 4 3 4 35 020406080100 电压计算值 线性 电压计算 值 5 小结和体会小结和体会 这次的电子系统综合设计在理论上不仅用到了单片机的知识 还用到了模 电的知识 然而理论必须联系实际 在这次的元器件的选择上不仅考虑了其适 用功能 还要考虑元件的适用环境 就像 ULN2003APG 是用来驱动四位共连数 码管的位选与段选的 因为单片机出来的电流太小 就算能驱动数码管 但数 码管的亮度会比较低 实践总是能帮助理论知识的学习 通过这次系统设计 我理解了一些以前在理论课上没有注意到的问题 1 A D 转换中 XBYTE 0 x7ff8 0 这句程序是用来给单片机的 WR 口提 供信号 再通过或非门后将信号传给 ADC0809 的 START 端 用来 启动 A D 转换 2 在单片机与 A D 转换的连接方法上有了更多的了解 三种连接方式 中断方式 查询方式 延时等待 其中 中断方式为 EOC 接非门 查询方式为 EOC 接到单片机的任一接口 不断查询 if EOC 1 延时 等待为 EOC 悬空 估计 A D 转换的时间 3 对一些管脚的认识更加深刻 OE 1 时 读取信号 在平时 OE 为低电平 4 继电器的连接与功能问题 通过这次系统设计 知道了许多设计系统的方法 熟悉了系统设计的一般 步骤 在搭建电路后的原件选择上考虑的方面更加广了 设计程序时的思路也 比以前更加宽了 在这次的设计中可以是预置温度的显示更加人性化 在按键按一次后就显 示预置温度 接着再按则开始加减预置温度 在调节预置温度时不要显示当前 温度 等调节好后 再显示当前温度 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 22 页页 共共 29 页页 6 参考文献参考文献 1 1 胡宴如 耿苏燕胡宴如 耿苏燕 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 北京北京 高等教育出版社高等教育出版社 2004 2004 213 216 213 216 2 2 闫玉德 葛龙 俞虹闫玉德 葛龙 俞虹 单片机微型计算机原理与设计单片机微型计算机原理与设计 中国电力出版中国电力出版 社 社 2010 112 154 197 199 2010 112 154 197 199 3 3 朱蕴璞朱蕴璞 传感器原理与应用传感器原理与应用 国防工业出版社国防工业出版社 4 4 黄锦安黄锦安 电路电路 北京 机械工业出版社 北京 机械工业出版社 2007 2007 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 23 页页 共共 29 页页 附录附录 系统原理图 系统原理图 键盘输入单片机 四联数码管 高于设定 低于设定 红灯亮 绿灯亮 集成运放OP07 A D0809 软件仿真图 软件仿真图 信号调理电路信号调理电路 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 24 页页 共共 29 页页 控制电路图控制电路图 ADAD 采集电路与单片机电路采集电路与单片机电路 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 25 页页 共共 29 页页 数码管显示图数码管显示图 系统连接图系统连接图 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 26 页页 共共 29 页页 代码代码 include include absacc h bit flag 采样标志 unsigned char countor 定时器定时的循环标志 unsigned char g s b i unsigned char Q 3 p 0 设置预设温度 unsigned char m n sbit P34 P3 4 sbit P35 P3 5 sbit P30 P3 0 为蜂鸣器提供一定频率的方波 void DisplaySecond unsigned char s b 数码管显示函数的声明 void delay void 延时函数的声明 float a result 0 result1 0 T 数码管动态显示 unsigned char Tab1 0 x3F 0 0 x06 1 0 x5B 2 0 x4F 3 0 x66 4 0 x6D 5 0 x7D 6 0 x07 7 0 x7F 8 0 x6F 9 0 x77 A 0 x7C B 0 x39 C 0 x5E D 0 x79 E 0 x71 F 定时器 T0 定时 void t0 ser interrupt 1 using 1 TL0 0 xF0 TH0 0 xD8 P30 P30 蜂鸣器产生的方波 电子系统综合设计报告字体电子系统综合设计报告字体 第第 27 页页 共共 29 页页 countor if countor 10 循环 10 次达到定时 0 1 秒 countor 0 flag 1 定时时间到 置采样标志为 1 进行采样 采样函数 void samp unsigned int c XBYTE 0 x