创新设计与实践论文.doc

摘要：本论文主要介绍多路温度的自动检测等，包括单片机AT89C51、A/D转换ADC0831、温度传感器、放大器AD620以及硬、软件的设计。本课题以高性能微处理器AT89C51单片机为核心，通过温度传感器Cu传感器，将检测到的数据输入AD620放大器放大100倍，再将放大后的信号输入到MAX187，经过A/D转换之后，其值由AT89C51处理，最后将其显示在1602上。本系统能够根据主控机的指令对温度进行实时采集数据，并对数据进行存储和显示。而在软件上，本系统采用C语言编程。关键词：温度检测 AT89C51 AD620 温度传感器目 录摘要II目 录01 引言11.1 主要研究的内容11.2 基本要求12路温度检测系统硬件结构和模块化设计22.1温度检测系统的总体结构22.2 AT89C5122.3 温度信号的采集与放大52.4 模数转换器MAX18762.5 LCD显示器72.6 通讯模块RS48592.7 键盘102.8 电源电路103多路温度检测系统软件设计113.1编程语言的选择113.2系统软件总体设计113.3系统软件主流程114 总结12参考文献13附录A 温度检测系统总硬件原理图14附录B 源程序151 引言温度在现实生活中是一个很重要的物理参数，也是在实际应用中使用最多的参数，而随着社会的进步和工业技术的发展，人们也越来越重视温度因素。因为它涉及到人们的日常生活、科学研究、工业生产、农业生产等领域，如家禽家畜等养殖业在温室环境下,可以保证家禽家畜的合适生长环境,使其健康生长和预防瘟疫的发生；当今大型仓库、大型粮库的监测与控制现状等。可以说几乎80%的部门都不得不考虑着温度的因素。围绕温度检测、控制等，市面上从而出现了温度检测仪表等，因为温度在现实生活中的重要性，使得这些测量工具得到了广泛应用。随着科学技术的发展，这类仪表的发展也日新月异。特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，其实时性高、精度高，能够综合处理多点温度等，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革，也使得其有了更广泛的应用前景。目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时还有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。1.1 主要研究的内容以AT89C51单片机为核心，完成2路温度的检测，温度传感器采用Cu传感器，测量范围为-50150，放大器采用AD620，温度信号输入采用差动放大形式，A/D转换器采用串行MAX187，用LCD显示器显示温度。1.2 基本要求（1）检测的温度范围：-50150（2）检测分辨率0.1（3）各检测器与主控器之间距离100米（4）各检测器单元可显示检测的温度值（5）设计并制作各检测器以及主控器所用的直流稳压电源。由单相220V交流电压供电。2 路温度检测系统硬件结构和模块化设计2.1 温度检测系统的总体结构温度检测系统硬件结构主要包括：传感器、放大器、A/D转换、单片机、显示及按键等。其系统硬件结构图如下：图2.1 系统硬件设计框图2.2 AT89C51目前国内市场上可供选择的单片机的类型有很多种，以MCS-51 、MCS-96为主流系列。其中MCS-51 系列性能高价格便宜，开发用的仿真机研究较早并日趋完善，生产厂家较多，支持芯片种类繁多，适合不同应用场合的新机种不断涌现，使得MCS- 51 系列单片机在国内成为开发中小型嵌入式系统的首选。AT89C51是带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供。 （1）主要特性：与MCS-51 兼容；4K字节可编程闪烁存储器；32可编程I/O线1288位内部RAM；全静态工作：0Hz-24MHz；5个中断源；数据保留时间：10年；寿命：1000写/擦循环；两个16位定时器/计数器；三级程序存储器锁定，可编程串行UART通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。（2）管脚说明P0：P0为一个8位漏极开路型双向I/O端口，P0口可作通用I/O口使用，但在端口进行输入操作前，应先向端口的输出锁存器写“1”。在CPU访问片外存储器时，P0口自动作为地址/数据复用总线使用，分时向外部存储器提供低8位地址和传送8位双向数据信号。在对EPROM编程时，由P0口输入指令字节，而在验证程序时，P0输出指令字节（验证时应外接上拉电阻）。P0口能以吸收电流的方式驱动8个LS型TTL负载。P1：P1是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/0端口，当P1输出高电平时，能向外部提供拉电流负载，因此，不需要外接上拉电阻。当端口用作输入时，也应该先向端口的输出锁存器写入“1”，然后再读取端口数据。在对EPROM编程和验证程序时，它用来输入低8为地址，P1口能驱动4个LS型TTL负载。P2：P2为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。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：P3管脚是一个内部带上拉电阻的8位多功能双向I/O端口，可接收输出4个TTL门负载。无论P3口作通用输入口还是作第二输入功能口使用，相应位的输出锁存器和第二输出功能端都应置“1”。P3也可作为AT89C51的第二功能口，如表2-1所示。表2-1 P3口第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入端）P3.1TXD（串行输出端）P3.2/INT0（外部中断0输入端）P3.3/INT1（外部中断1输入端）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器“写”控制输出信号）P3.7/RD（外部数据存储器“读”控制输出信号）P3口的第二功能是作为控制端口使用的。由于单片机没有专设的控制信号引脚，单片机在进行外部存储器和I/O端口扩展时所需要的控制信号必须由P3口提供，P3口第二功能相当于PC机中CPU的控制线引脚。RST：复位功能，单片机上电后，在该引脚上出现两个机器周期宽度以上的高电平，就会使单片机复位。备用功能，在主电源掉电期间，该引脚Vpd可接+5v电源，当Vcc下降到低于规定的电平，而Vpd在其规定的电压范围内时，Vpd就向片内RAM提供备用电源，以保持片内RAM中信息不丢失，以便电压恢复正常后单片机能正常运行。ALE/PROG：为低8位地址锁存使能输出编程脉冲输入端，当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的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地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号，即读选信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。图2.2 单片机的最小系统XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。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。石晶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。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。VCC：供电电压。GND：接地。2.3 温度信号的采集与放大题目要求检测温度范围-50150，可选用的常用温度传感器有集成温度传感器、热电偶、热电阻等。集成温度传感器（如AD590、DS1820等）使用方便，信号易于调理，但它们的测温范围普遍窄，不能满足题目要求。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是测量精度高、测量范围广，常用的热电偶从-50至+1600均可连续测量。但需采用电路或软件设计等修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响，使用不便。热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围大，考虑到铜电阻完全达到题目要求，所以我们最终选择铜电阻Cu100作为传感器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。所以通常将其放在电桥桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器AD620的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。电路原理图如图2.3所示。对信号放大，我们使用了低价格、高精度的仪器放大器AD620，它运用方便，可以通过外接电阻方便的进行各种增益（1-1000）的调整。其增益计算公式为：图2.3 测温电路原理温度值计算过程：由于A/D检测到的模拟电压值,计算可到的RT值，然后利用如下公式求出温度值：2.4 模数转换器MAX187A/D转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度，题目要求分辨率达到0.1，由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用12位串行ADMAX187。MAX187是美国MAXIM公司设计的12位串行A/D转换器，其内部集成了大带宽跟踪/保持电路和串行接口，转换速率高且功耗低，特别适合对体积、功耗和精度有较高要求的便携式智能化仪器仪表产品。MAX187具有12位的分辨力，其基准电压为4.096V，故最小分辨电压为，能分辨的最小温度变化为0.0488，能达到题目的基本要求。图2.4 MAX187MAX187工作方式控制SHDN = 0 ,MAX187 工作在关断方式,仅需提供10A 电流;SHDN = 1 ,MAX187 工作在普通方式,使用内部参考电源;SHDN 悬空,MAX187 内部参考电压无效,允许在REF 管脚输入外部参考电源。MAX187工作过程简述保持SCLK= 0 ,CS 的下降沿使采样/ 保持器开始工作,转换器进行转换; 在转换期间应始终保持SCLK= 0 ;数据输出前应保持CS = 0。经过一个内部8. 5s 转换周期后,DOUT 被拉为高点平,转换结束,数据在SCLK的时序控制下从DOUT 端输出。在转换结束后,可在任何时刻通过SCLK时钟将数据移出移位寄存器。DOUT 在SCLK的下降沿开始输出,下一个时钟的下降沿在DOUT 端产生一个MSB ,由于有12 位和一个开始位,所以至少有13 个时钟周期来移出这些数据。连续13 个SCLK周期后,使CS = 1 ,DOUT 变为高阻态,结束一个完整的转变周期。如果13 个SCLK周期后,CS 仍为0 ,这时SCLK仍不断发生,DOUT 端在LSB 后将输出“0”,成为无效位。在两个操作周期间应保持一个最小时间间隔Tcs = 0. 5s ,以使A/ D 转换器完成初始化,这样整个一个转换输出的周期大约为12. 25s。2.5 LCD显示器1602LCD主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm图2.5 1602接口电路引脚功能说明。1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-2所示。表2-2 1602各管脚编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表2-2：引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。DB0至DB7是传数据的 分别接128单片机P00至P07八个IO端口上； E为使能端， 接单片机P27口上; R/W为读写操作端，接单片机P26口上， RS为数据、命令选择端；接单片机P25口上，VL接一个10K电位器用来调节液晶背光源的明暗2.6 通讯模块RS485 MAX485的封装有DIP、SO和uMAX三种。MAX485接口电路如图2.6所示。 管脚的功能如下： RO：接收器输出端。若A比B大200mV，RO为高；反之为低电平。RE：接收器输出使能端。RE为低时，RO有效；为高时，RO呈高阻状态。图2.6 MAX485接口电路DE：驱动器输出使能端。若DE1，驱动器输出A和B有效；若DE0，则它们呈高阻态。若驱动器输出有效，器件作为线驱动器用，反之作为线接收器用。DI：驱动器输入端。DI0，有A0，B1；当DI1，则A1，B0。GND：接地。A：同相接收器输入和同相驱动器输出。B：反相接收器输入和反相驱动器输出。VCC：电源端，一般接+5V。2.7 键盘图2.7 键盘接口电路采用独立式键盘方式输入设计键盘控制电路部分，其键盘结构如图2.7所示。2.8 电源电路(1) 交流220 V 经12 V 变压器变压后,在副边输出12 V 的交流电。经桥式整流滤波后,得到约为15 V 的直流电,再经过12 V 的三端集成稳压管CW7812 稳压之后可直接输出12 V 的稳定的直流电供给继电器使用。(2) 因为本系统要5 V 的直流电供电,如果把12 V 交流电经整流滤波之后直接加在三端集成稳压管CW7805上,由于稳压管两端过大的管压降会使CW7805 发热严重。为了减少CW7805 的发热情况,所以在三端集成稳压CW7812 输出端接1 个CW7809 三端集成稳压管进行降压,最后在CW7809 输出端接1 个CW7805 三端集成稳压管进行稳压,这样就可以减少CW7805 由于过大的管压降所带来的严重发热后果。直接把CW7812 输出端直接的接在CW7809 的输入端上, 这样并不会影响CW7812的工作。图2.8 电源电路图3 多路温度检测系统软件设计3.1 编程语言的选择软件开发的过程中，对编程语言的选择有着重要的意义。目前一般有汇编语言、C语言、C+等。C语言是国际上广泛流行的、很有发展前途的计算机高级语言。它既可以用来编写系统软件，也可以用来编写应用软件。C语言有高级语言的先进思想又能直接对存储器进行操作，能进行位运算，生成目标代码质量高，程序执行效率高。C语言用函数作为程序模块，以实现程序的模块化，语言简洁、紧凑，具有结构化特点。C语言不包含依赖硬件的输入输出机制，使C语言本身不依赖于硬件系统，可移植性好等。基于以上考虑，决定采用C语言作为此系统的编程语言。3.2 系统软件总体设计整个温度检测系统是在程序控制下工作的，该系统的软件全部采用C语言编写，以提高系统的可移植性和实用性。其设计方法与硬件设计相对应，同样采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，分别进行设计、编译和调试，最后通过主程序和中断处理程序将各程序模块连接起来。这样有利于程序修改和调试，增强了程序的可移植性。整个软件系统主要有以下几部分:主程序：主要完成系统初始化、中断优先级设定以及判断调用各模块程序，即主要实现各程序模块的连接。数据采集：主要完成对MAX187的初始化以及对温度的采集等。温度显示：主要完成将单片机处理后的数据通过LCD显示。3.3 系统软件主流程图3.1 软件主流程图4 总结本次设计的测温系统主要有AT89C51和A/D转换器及温度传感器来实现功能。因此需要通过查阅资料来了解这些器件的基本结构，主要功能和注意事项等等。通过了解器件，能够知道与所选器件相似的器件，比较彼此之间的优缺点，来确定设计选择的器件是否合适，如何更好的利用器件的特点成为了本次设计重要的一方面。在确定了器材之后，如何利用使之最大限度的体现设计的功能，完成设计目标，这又是需要花大量时间去思考的。经过一段时间的方案论证、系统的硬件和软件的设计、系统的调试。查阅了大量的关于传感器、单片机及其接口电路、以及控制方面的理论。经过了一番特殊的体验后，经历了失败的痛苦，也尝到了成功的喜悦。靠用所学的专业知识来解决问题，检查了自己的知识水平，使我对自己有一个全新的认识。通过这次毕业设计，不仅锻炼自己分析问题、处理问题的能力，还提高了自己的动手能力。参考文献1 余永权. 单片机原理及应用 M. 北京: 电子工业出版社,1997.2 丁镇生.传感器及传感技术应用.北京: 电子工业出版社,19993 公茂法等.单片机人机接口实例集.北京: 北京航空航天大学出版社,19984 贾伯年等.传感器技术.东南大学出版社,19935 新开常用集成电路速查手册 Z. 北京: 人民邮电出版社,2006.6 马建国. 电子系统设计M . 北京:高等教育出版社,2003.7 白小梅,石燕萍. 微型机单片机两级温度控制系统J . 现代电子技术,2006 ,29 (13) :1152117 ,121.附录A 温度检测系统总硬件原理图附录B 源程序#include#include#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcden=P25;/定义1602使能端sbit lcdrs=P27;/定义1602数据命令选择端sbit wr=P26;/定义1602读/写选择端sbit MAX187_DO=P20;sbit MAX187_CS=P21;sbit MAX187_SK=P22;xdata uint temp100;/*通信命令*/#define _ACTIVE_ 0x01 / 主机询问从机是否存在#define _GETDATA_ 0x02 /主机发送读设备请求#define _OK_ 0x03 /从机应答#define _STATUS_ 0x04 /从机发送设备状态信息#define _MAXSIZE 0x08 /缓冲区长度#define _ERRLEN 12 /任何通信帧长度超过12则表示出错uchar dbufMAXSIZE ;/该缓冲区用于保存设备状态信息uchar dev; /该字节用于保存本机设备号sbit M_DE = P17; /驱动器使能，1有效sbit M_RE = P17; /接收器使能，0 有效void get_status(); /调用该函数获得设备状态信息，函数全码未给出void send_data(uchar type,uchar len,uchar *buf); /发送数据帧bit recv_cmd(uchar *type); /接收主机命令，主机请求包含命令信息。void send_byte(uchar da); /该函数发送一帧数据中的一个字节，由send_data()函数调用void delay(uint z)/延时子函数（1毫秒左右）uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void write_com(uchar com)/1602写指令lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)/1602写数据lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init()/1602初始化lcden=0;wr=0;write_com(0x38);write_com(0x0e);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x0c);/*功能: MAX187串行12位模数转换*/unsigned int MAX187read(void) uchar H,L,i; uint count; /16位变量 MAX187_CS=0; /低电平有效,开始转换 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); MAX187_SK=1; MAX187_SK=0; H=0; /高位变量清零 for(i=0;i4;i+) /高4位 MAX187_SK=1; if(MAX187_DO) H+; /位标量,如为1则H加1,如为0则跳过 MAX187_SK=0; if(i!=3) H=1; L=0; for(i=0;i8;i+) /低8位 MAX187_SK=1; if(MAX187_DO) L+; /位标量,如为1则L加1,如为0则跳过 MAX187_SK=0; if(i!=7) L=1; delay(1); MAX187_CS=1; count=H; count=(count2); TMOD = 0x20; /定时器T1使用方式2 TH1 = 250; TL1 = 250; TR1 = 1; /开始计时 PCON = 0x80; /SMOD = 1; SCON = 0x50; /工作方式1，波特优选法9600bps,允许接收 ES = 0; / 关闭串品中断 IT0 = 0; /外部中断0使有电平触发模式 EX0 = 1; / 开启外部中断0 EA = 0; /开启总中断 while(1) if(recv_cmd(&type) =0) /发送帧错误或帧地址与本机地址不符，丢弃当前帧后返回 continue; switch(type) case _ACTIVE_: /主机询问从机是否存在 send_data(_OK_,0,dbuf); / 发送应答信息，这里的buf 的内容并未用到 break; case _GETDATA_: /主机发送读设备请求 len = strlen(dbuf); snd_data(_STATUS_,len,dbuf) ; / 发送设备信息 break; default: break; /命令类型错误，丢弃当前帧返回 void READSTATUS() interrput 0 using 1 /产生外部中断0时表示设备状态发生改变，该函数使用寄存器组1 get_status(); /获得设备状态信息，并将其存入dbuf指向的存储区，数据最后一个字节置0表示数据结束 /*该函数接收一帧数据度进行检测，无论该帧是否错误，函数均会返回。*函数参数type保存接收到的命令字*当接收的数扭帧错误或其地址位不为0时（非主机发送帧），快活数返回0，反之返回1*/bit recv_cmd(uchar *type) bit db = 0; /当接收到的上一个字节为0xdb时，该位置位 bit c0 = 0; /当接慢到的上一个字节为0xc0时，该位置位 uchar data_buf_ERRLEN; /保存接收到的帧 uchar tmp; uchar ecc = 0; uchar i; M_DE =0; /置发送禁止，接收允许 M_RE = 0; /*接收一帧数据*/ i =0; while(!c0) /循环直至帧接收完毕 RI = 0; while(RI); tmp = SBUF; RI = 0; if(db =1) /接收到的上一个字节为0xdb swithc(tmp) case 0xdd: data_bufi = 0xdb; /0xdbdd 表示0xdbecc = ecc0xdb;db = 0;break; case 0xdc: data_bufi = 0xc0; /0xdbdc 表示0xc0ecc = 0;db = 0;break; default: return 0 ; / 帧错误，返回 i+; switch(tmp) /正常 情况下 case 0xc0: /帧结束 c0 = 1;break; case 0xdb:/ 检测到转义字符 db = 1; break; default : / 普通数据 data_bufi = tmp ; /保存数据 ecc = ecctmp; / 计算校验字节 i +; if(i =_ERRLEN) /帧超长，