智能温度测量仪.doc

2.4.1 选择温度传感器器件1本次设计用到电流型两线制集成温度传感器AD590（0时为0.2732mA）。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。2.4.2 选择单片机器件单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。在大多情况下，理应选择性价比高的单片机及其它器件，但在某些特殊场合，当性能成为决定因素时，应以性能优先原则选择所需的单片机或其它器件。单片机一般分为51系列和52系列，本次设计用到的是52系列即8051单片机。2.4.4 放大器的设计温度传感器的输出电压经过ISO100隔离放大(单增益)后，将输出电压送给测量放大器进行放大，以便放大后的输出电压和A/D转换器的量程相匹配。本设计中选用了AD521，它是美国AD公司生产的第二代单片集成精密仪表放大器。2.4.5 A/D和D/A转换器设计21若A/D转换器中带锁存器，可与单片机直连；若A/D片中不带锁存器，则在单片机与A/D之间要家锁存器，如74LS373等。图2 A/D转换与51单片机的接口3.1 系统总体原理框图将集成温度传感器AD590（0时为0.2732mA）因温度变化，导致电流变化（0.001mA/），经OPA转换为电压变化输入ADC0804，输入电压Vin（05V之间）经过A/D转换之后，其值由8751处理，最后将其显示在D4，D3，D2，D1共四个七段显示器。其中包含了时钟显示电路。该温度测量仪可以实现温度的测量，数据的显示、储存以及日历时间的显示。图6 ADC0804引脚图 在使用时应注意以下几点：(1) 转换时序(2) 零点和满刻度调节。(3) 参考电压的调节(4) 接地3.4 单片机及其扩展I/O的设计采用TTL电路扩展I/O口是一种最常见的微机I/O扩展手段。图7 单片机与I/O接口原理图3.4.1 地址锁存器由于8051单片机的PO口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。74LS373是带三态缓冲输出的八D锁存器，将它的锁存控制端G直接与8031的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。3.4.2 程序存储器程序存储器的扩展包括三组总线的连接及地址译码等。MCS-51系列单片机程序存储器可扩展64KB。由于大规模的集成电路的扩展，单片存储器的存储容量越来越大，因此，在程序存储器芯片使用的数量上一般采用一片就够了。程序存储器的作用是存放单片机的执行程序，虽然现今的单片机具有片内的程序存储器，但是，当程序量超过单片机的片内程序存储器时，将采用片外扩展程序存储器，通常采用EPROM、E2PROM、Flash存储器等芯片。3.4.3 数据存储器扩展扩展的数据存储器空间地址同外扩程序存储器一样，由P2口提供高8位地址，PO口为分时提供低8位地址和8为双向数据总线。由8031的RD (P3 .7 )和WR (P3.6)信号控制，而片外程序存储器EPROM的输出允许端( OE)由读选通信号PSEN控制即使与片外数据存储器RAM的读和写EPROM共处一地址空间，但由于控制信号即使用的数据传输指令不同，故不会发生总线冲突3.5 键盘和显示的设计键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。由于本设计中键的数量不是很多，所以在此我们选用独立式键盘控制。在此电路中为8279扩展I/0控制的8位共阴极LED动态显示接口电路。由于所有8位段选线皆由一个I/0口控制，因此，在每一瞬间，8位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，记载每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/0口输出相应字符段选码(字型码)，而位选则控制I/0口在该显示为送入选通电平(因为LED为共阴，故应送低电平)，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。逐位轮流点亮各个LED，每一位停留lms，在10-20ms之内再一次点亮，重复不止，这样，利用人的视觉暂留好像六位LED同时点亮了。在此仪器的设计中，LED显示器的显示方式采用的是动态显示方式。3.6 模拟信号输出部分设计3.6.1 信号输出部分总体设计系统经过数据采集、数据处理之后，获得被测对象的温度值，但在有些时候需要控制被控对象的温度，因此，要由单片机系统发出控制信号，进行系统控制。但是由8031输出的控制信号是数字信号，需将其经过数/模转变为模拟信号，再经功率放大，才能控制加热炉、热处理炉等。这一功能由一片DAC0832来完成，由于DAC0832是一种电流输出型D/A芯片，因此其后端接一片运算放大器构成反相输出电路以实现电压信号输出，然后再接入1片多路模拟开关CD4051，将输出扩展为8路。由上述可知，该部分具有8路模拟信号输出能力。(1) D/A转换器选用DAC0832该芯片是8位分辨率的D/A集成芯片，与微处理机完全兼容，具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，主要有如下特点A)可单缓冲或双缓冲数字输入;B)只需在满量程下调整其线性度;C)低功耗，200mW;D)内部无参考电压源，须外接参考电压源;E)为电流输出型数模转换器，要获得模拟电压输出时，需外加转换电路；F)有5根控制线;图8 DAC0832的管脚功能第4章 时钟电路的设计4.3.2 LED的段驱动芯片的选择LED的段驱动电路有很多种，在本设计中可以选择BCD-7段锁存/译码/驱动器作为段驱动器。这类芯片的型号有74LS47、74LS48、74LS247、74LS248等。该类芯片具有锁存、译码、驱动的功能。即在输入端输入要显示字形的BCD码，在输出端就可以得到具有一定驱动能力的7段显示字形码。4.3.3 LED的位驱动芯片的选择14 LED位驱动较常用的芯片有ULN2003A和ULN2803。前者是具有7个达林顿电路的集成芯片，后者是具有8个达林顿电路的集成芯片。此种芯片集电极可以收集最大达500mA的电流，耐压为30V，能驱动常规的LED显示器。2803芯片的电路原理和2003完全相同，只是在结构上2803比2003多一路驱动器。 在本次设计中选用ULN2003作为位驱动电路，将该芯片的输入端管脚IN0，IN1，IN2，IN3与单片机的P1口或者P3口连接，该芯片的输出端管脚OUT0，OUT1，OUT2，OUT3与LED显示器的4个位码管脚D1D4相连接。ULN2003的作用是接受来自单片机的位码输入信号，经过反相放大后输出，送到LED显示器的位码管脚，完成对位码信号的反相和驱动的功能。4.3.4 LED驱动电路与单片机的连接 采用单片机的P1口作为与LED的输出接口，用P1口的低四位作为LED的段码输出信号，P1口的高四位作为LED位码的输出控制信号。硬件电路连接如图1所示。RP是上拉电阻，作用是保证LED可靠导通与截止，可以选择阻值为8100W的排电阻。该电路的工作原理是：当P1口的低四位输出短码信号的BCD码后，通过74LS48芯片的锁存、译码和驱动作用，输出具有一定驱动能力的7段字形码，由于4-LED的段码输入管脚是并联在一起的，所以每一位LED的段码输入管脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位LED被点亮，必须靠位码信号在每一时刻只有一位是“1”，其他位全为“0”，然后按时间顺序改变输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位LED被点亮，达到动态显示的目的。4.4 按键电路设计与器件选择电子时钟应用系统工作时应具备两项基本功能，一是随时输入定时（闹钟）时间，二是随时对当前时间进行调整。要实现这一功能，可以接入键盘输入电路。4.4.1键盘结构的选择 在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用得最多的是非编码键盘。键盘结构又可以分为独立式键盘和行列式键盘（矩阵式）两类。本例只需要4个按键，因此选择独立式键盘。电路由按键和4个电阻组成，按键可以采用轻触开关，按键分别命名为SET、ALM、+1和RET键，电阻可以采用5脚排电阻，阻值为41kW。4.4.2 键盘与单片机的接口电路设计 将键盘直接与单片机的P3口连接，有P3.2、P3.3口线通过两个按键SET、ALM接入两个外部中断的请求信号INT0、INT1；P3.0、P3.1管脚作为I/O口使用。四个按键功能的设计思路如下：(1) SET键功能设置当前时间。(2) ALM键功能设置定时（闹钟）时间。 (3) +1调整键的功能分别对时间值的小时十位、分的十位、分的个位进行+1调整，即该键每按下一次，对应的时间调整位+1。 (4) RET确认键的功能确认。键盘的硬件电路设计只是完成4个按键信号可靠输入，要想实现键盘的输入功能，还要靠软件编程来具体实现。4.5 蜂鸣器电路的设计 设计要求定时（闹钟）时间到时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器（H）作为三级管VT的集电级负载，当VT导通时，蜂鸣器发出鸣叫声音；VT截止时，蜂鸣器不发声。R是限流电阻。该电路的工作原理是：当VT2的基极为低电平时，VT2导通，dp段被点亮，即“：”段与LED数码管的第二位一起被点亮；当VT2的基极为高点平时，VT2截止，dp段熄灭。器件选择：R4=20W、R5=100W，VT2选择PNP型三级管9012。至此，我们已经完成了电子时钟的功能，还需要有相应的软件配合，才能达到设计要求。4.6 电子时钟应用程序设计进行应用软件设计时可采用模块化结构设计，其优点是：每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改；程序可读性好，便于功能扩充和版本升级；对于使用频繁的子程序可以建立子程序库，便于多个模块调用；便于分工合作，多个程序员同时进行程序的编写和调试工作，加快软件研制进度。4.6.1电子时钟系统软件设计方案确定根据设计要求，首先要确定软件设计方案，即确定该软件应该完成哪些功能；其次是规划这些功能需要分成多少个功能模块，划分模块时应遵循下述原则：(1) 每个模块应具有独立的功能，能产生一个明确的结果。(2) 模块之间的控制参数应尽量简单，数据参数应尽量少。(3) 模块长度适中，模块语句的长度通常在20100条的范围较合适。根据模块的划分原则，我们将该程序划分成七个模块，如图9所。主程序模块数码管动态扫描模块当前时间计时模块输入闹钟时间模块当前时间调整模块蜂鸣器报警模块数制转换模块图9电子时钟软件设计的模块4.6.2 内存空间的分配一般在程序设计前应对内存进行合理的分配，这样既可以使得编程时心中有数，也可充分利用单片机内部RAM有限的存储空间。电子时钟应用程序设计内存分配见表14.6.3 电子时钟应用程序设计(1) 主程序的设计 主程序的内容一般包括：主程序的起始地址、中断服务程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。主程序设计框图如图10所示。本设计中，采用硬件定时和软件定时并用的方式，即用T0溢出中断功能实现10ms定时，通过软件延时程序实现1ms的定时。程序清单见附录A第5章 系统软件设计5.1 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汇编语言编写，以提高系统的快速性和实时性。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、编制和调试，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、数据采集、数据标度变换处理及键盘显示等程序。结束语1.本设计所研制的多功能智能化温度测量仪是单片机控制的智能化仪表，它的主要特点如下:(1) 该仪表适用于-55+150温度范围的测量可以进行温度的实时显示。(2) 该仪表选用了集成温度传感器AD590作为测温元件，该元件体积小，精度高重要的是它的价格低廉。这样该仪表的成本就低，可以大规模生产。(3) 该仪器可以进行温度的实时显示还有时间显示及报警功能并且使用方便。(4) 元器件经仔细挑选，抗干扰能力强。2.本设计存在的不足之处如下:本仪表只能进行一路测量，在需要进行多路测量时受到限制，因此应进一步完善以能进行多路测量。该仪表没有打印测量温度值可以在原有硬件电路上进行扩展，实现更多的功能。3.可以从两方面考虑进行改进:1) 改变传感器。只需修改软件设计，硬件电路无需大的改动。2 采用黑体空腔理论进行测量。参考文献1王迎旭 . 单片机原理与应用J.北京.机械工业出版社.20042.7 2徐科军 . 自动检测和仪表中的共性技术J.清华大学出版.2002 3张友德 . 单片微型机原理、应用与实验M.复旦大学出版社.2001 4孙涵芳,徐爱卿.单片机原理及应用M.北京航空航天大学出版社.19985李艳萍 . 单片机及嵌入式系统应用M.高等教育出版社.2002 Education(Asia) 王晓明 .电动机6的单片机控制M.北京：北京航空航天大学出版社.2004参考程序清单(1) 时钟电路主程序清单如下： ORG 0000H LJMP MAIN ；转主程序 ORG 0003H ；外部中断0中断服务程序入口地址 LJMP T0SEV ；转外部中断0中断服务程序 ORG 000BH ；T0定时中断服务程序入口地址 LJMP INTB ；转T0定时中断服务程序 ORG 0013H ；外部中断1中断服务程序入口地址 LJMP INTB ； 转外部中断1中断服务程序 ORG 001BH ；T1定时中断服务程序入口地址 LJMP T1SEV ；转T1定时中断服务程序 ORG 0030H ；设置主程序起始地址=0030HMAIN：MOV SP，#60H ；设置堆栈指针 MOV A，#00H MOV 3OH，A MOV 31H，A MOV 32H，A MOV 33H，#0CH MOV 34H，A MOC 35H，A MOV 44H，#80H ；LED位选择码 MOV 45H，#40H MOV 46H，#20H MOV 47H，#10H CLR RS0 CLR RS1 ；选择0组工作寄存器 MOV R2，#0 MOV R3，#0 ；设置时间初值=12：00 MOV R4，#0 MOV R5，#12 MOV TMOD，#11H ；设置T1、T0的工作方式：定时器。工作方式1 MOV TH1，#3CH MOV TL1，#0B0H ；T1计数初值=3CB0H MOV TH0，#0ECH ；T0计数初值=EC78H MOV TL0，#78H MOV IP，#08H ；设置中断优先级 MOV TCON，#50H ；启动定时器T0、T1 MOV IE，#8FH ；开中断LOP： MOV B，#10 ；将二进制数转换为十进制数（BCD码） MOV A，33H ；并送到显示缓冲区40H43H DIV AB MOV 40H，A MOV 41H，B MOV B，#10 MOV A，32H DIV AB MOV 42H，AAA： MOV 43H，B SETB RS2 CLR RS0A1： MOV R2，35H ；判断是否有定时时间 CJNE R2，#0，NT MOV R2，34H CJNE R2，#0，NT SJMP BBNT： MOV A，35H CJNE A，33H，BB ；判断定时时间到否 MOV A，34H CJNE A，32H，BB CLR P3.7 ；时间到，发出报警 SJMP LOPBB: SETB P3.7 SJMP LOP(2) T0定时器中断服务程序清单如下：TOSEV： PUSH A ；LED定时扫描程序 PUSH PSW ；保护现场 SETB RS1 ；RS1、RS0=11H SETB RS0 ；选择3组工作寄存器 CLR TR0 ；停止T0定时器 MOV R2，#04H ；设置显示器位数 MOV R0，#40H ；设置段码首地址 MOV R1，#44H ；设置位码首地址 GOON： MOV A，R2 ；送显示位数到A CJNE A，31H，NOFLASH ；判断是闪烁位否，不是则转NO、FLASH DJNZ 30H，FLASH ；是闪烁位则转移到FLASH。NOFLASH： MOV A，R1 ；送位码地址到A累加器 ADD A，R0 ；将段码和位码组成8位二进制数 MOV P1，A ；输出段码、位码数据到P1口 LCALL DELAY1 ；调延时子程序，延时1ms FLASH： INC R0 ；段码地址+1 INC R1 ；位码地址+1 DJNZ R2，GOON ；判断4位都显示完否；没完继续显示下一位 MOV TH0，#0ECH MOV TL0，#78H ；重置T0计数初值 POP A ；恢复现场 SETB ET0 ；允许T0中断 SETB TR0 ；启动T0开始定时SETB EA ；开中断 RETI ；中断返回DELAY1： MOV R3，#02H ；延时1ms子程序 AGAIN： MOV R4，#0F8H DELAY： DJNZ R3，AGAIN RET 注意：在T0中断服务程序中，有调用了延时1ms子程序，因此，T0中断服务程序有是延时1ms子程序的主程序。(3) 中断服务程序如下：T1_SEV：MOV TH1，#3CH ；重置T1计数初值 MOV TL1，#0B0H CLR EA ；关中断 PUSH A ；保护现场 PUSH B PUSH PSW CLR RS1 CLR RS0 ；选择0区工作寄存器 INC R2 ；中断次数加1 CJNE R2，#0AH，EN ；判断中断10次否，否则转EN MOV R2，#0 ；T1中断10次的累计时间为1s，计数寄存器R2清零 INC R3 ；秒计时单元R3+1 CJNE R3，#3CH，EN ；判断R3=60s否，否则转EN MOV R3，#0 ；60s时间到。R3=0 INC R4 ；分计时单元R4+1 MOV 32H，R4 ；分值送32H单元 CJNE R4，#3CH，EN ；判断R4=60min否，否则转EN MOV R4，#0 ；60min时间到，R4=0 MOV 32H，R4 ；分值送32H单元 INC R5 ；小时单元R5+1 MOV 33H，R5 ；小时值送33H CJNE R5，#18H，EN ；判断R5=24h否，否则转EN标号地址 MOV R5，#0 ；24h时间到。R5=0 MOV 33H，R5 ；小时值送33H单元 EN： POP PSW ；恢复现场 POP B POP A SETB EA ；开中断 RET1 ；中断返回（4）键盘接收子程序1）设置当前时间程序如下：INTA： SETB P3.0 ；输入键值前，先将P3.0、P3.1置1 SETB P3.0 CLR TR1 ；T1停止定时 CLR ET1 ；T1禁止中断 CLR EX0 ；INT0禁止中断 CLR EX1 ；INT1禁止中断 SETB EA ；开中断 SETB ET0 ；允许T0中断 SETB PT0 PUSH A ；保护现场 PUSH B PUSH PSW MOV 31H，#04H ；（31H）=04H（LED的位数） MOV 29H，#00H ；（29H）=00H LP0： JB P3.0，NEXT0 ；判断P3.0键（+1键）按下否，否则转NEXT0 LCALL DELAY1 ；有键按下，延迟1ms JB P3.0，LP0 ；判断是否松开，否则转LP0 LP1： JNB P3.0，LP1 ；等待键松开 INC 29H ；键松开后，（29H）+1 MOV 30H，#1H SJMP LO1 ；转LO1标号地址 NEXT0： JB P3.1，L1 ；判断P3.1是否按下，否则转L1 LCALL DELAY1 ；有键按下，延迟1ms JB P3.1，NEXT0 ；是否松开，否则转NEXT0 LD1： JNB P3.1，LD1 ；是否松开，否则转LD1 MOV 29H，#0 MOV 30H，#1 DJNZ 31H，LO1 SJMP LL LO1： MOV A，31H CJNE A，#04H，LO2 ；是时针的十位吗否则转LO2 MOV A，29H CJNE A，#03H，LA1 ；十位大于3吗？否则转LA1 MOV 29H，#00H ；是的，清0 LA1： MOV 40H，29H ；（29H）（40H） SJMP L1 ；转L1 LO2： MOV A，31H CJNE A，#03H，LO3 ；是时针的个位吗？否则转LO3 MOV A，40H CJNE A，#4，LA2 MOV 29H，#0 SJMP LA2 A1： MOV A，29H CJNE A，#0AH，LA2 ；判断是否大于9，否则转LA2 MOV 29H，#00H ；（29H）清零 LA2： MOV 41H，29H ；（29H）（41H） SJMP L1 ；转到L1 LO3： MOV A，31H CJNE A，#02H，LO4 ；是分针的十位吗？否则转LA3 MOV A，29H CJNE A，#06H，LA3 ；大于6吗？否则转LA4 MOV 29H，#00H ；（29H）清零 LA3： MOV 42H，29H ；（29H）（42H） SJMP L1 ；转L1 LO4： MOV A，29H CJNE A，#0AH，LA4 ；分针个位大于9吗？否则转LA4 MOV 29H，#00H ；（29H） LA4： MOV 43H，29H ；（29H）（43H） L1： MOV A，31H CJNE A，#00H，LP0 ；31H=0则返回，否则转LP0 LL： MOV A，40H ；将输入的当前时间值BCD码转换为二进制数 MOV B，#10 MUL AB ADD A，41H MOV 33H，A MOV A，42H MOV B，#10 MUL AB ADD A，43H MOV 32H，A PUSH PSW CLR RS0 CLR RS1 MOV R4，32H ；将当前时间置入R4、R5寄存器 MOV R5，33H POP PSW ；恢复现场 POP PSW POP B POP A MOV TH1，#3CH ；重置T1计数初值 MOV TL1，#0B0H SETB TR1 ；启动T1定时器 SETB ET1 ；开中断 SETB PT1 SETB EX0 SETB EX1 CLR TR0 MOV TH0，#0FFH MOV TL0，#00H SETB TR0 SETB XT0 RETI ；中断返回2）设置定时（闹钟）时间程序清单如下： INTB： SETB P3.0 ；输入键值前，先将P3.0、P3.1置1 SETB P3.1 CLR EX0 ；关INT0、INT1中断 CLR EX1 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB PT0 PUSH A ；保护现场 PUSH B PUSH PSW MOV 31H，#04H ；（31H）=04H MOV 29H，#00H ；（29H）=00H LPOB： JB P3.0，NEXTB ；判断P3.0键，无键按下则转NEXTB LCALL DELAY1 ；有键按下，延迟1ms JB P3.0，LP0 ；判断是否松开，否则转LP0 LP1B： JNB P3.0，LP1B ；判断是否松开，否则再判断 INC 29H ；P3.0松开后，（29H）+1 MOV 30H，#1H SJMP LO1BNEXTB： JB P3.1，L1B ；判断P3.1是否按下，否则转NEXT0 LCALL DELAY1 ；有键按下，延迟1ms JB P3.1，NEXTB ；是否松开？否则转LP0 LD1B： JNB P3.1，LD1B MOV 29H，#0 ；是否松开？否则转LD1，再判断 MOV 30H，#1 DJNZ 31H，LO1B ；是，（31）1 SJMP LLB LO1B： MOV A，31H CJNE A，#04H，LO2B ；是时针的十位吗？否则转LO2 MOV A，29H CJNE A，#03H，LA1B ；十位大于3吗？否则转LA1 MOV 29H，#00H ；是的，清0 LA1B： MOV 40H，29H ；（29H）（40H） SJMP L1B ；转L1 LO2B： MOV A，31H CJNE A，#03H，LO3B ；是时针的个位吗？否则转LO3 MOV A，40H CJNE A，#2，A1B MOV A，29H CJNE A，#4，LA2B MOV 29H，#0 SJMP LA2B A1B： MOV A，29H CJNE A，#0AH，LA2B ；是否大于9？否则转LA2 MOV 29H，#00H ；（29H）清零 LA2B： MOV 41H，29H ；（29H）（41H） SJMP L1B ；转到L1 LO3B： MOV A，31H CJNE A，#02H，LO4B ；是分针的十位吗？否则转LO4 MOV A，29H CJNE A，#06H，LA3B ；大于6吗？否则转LA3 MOV 29H，#00H ；（29H）清零 LA3B： MOV 42H，29H ；（29H）（42H） SJMP L1B ；转L1 LO4B： MOV A，29H CJNE A，#0AH，LA4B ；分针个位大于9吗？否则转LA4 MOV 29H，#00H ；（29）清零 LA4B： MOV 4