温度采集系统课程设计.doc

1、中北大学计算机控制课程设计说明书1 引言1.1单片机概述单片机是一种集成在电路芯片， 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 / 计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit ），常用英文字母的缩写 MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU的专用处理器发展而来。 最早的设计理念是通

2、过将大量外围设备和 CPU集成在一个芯片中， 使计算机系统更小， 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统， 因此它得到了最多的应用。 它又称单片微控制器 , 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。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。1.2温度采集设计背景随着科技的不断发展， 现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了

3、几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集 ( 即传感器技术 ) 、信息传输 ( 通信技术 ) 和信息处理( 计算机技构中， 传感器属于信息技术的前沿尖端产品， 尤其是温度传感器技术，在我国各领域己经引用的非常广泛， 可以说是渗透到社会的每一个领域， 人民的生活与环境的温度息息相关， 在工业生产过程中需要实时测量温度， 在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段 : 传统的分立式温度传感器模拟集成温度传感器第1页共15页中北大学计算机控制课程

4、设计说明书智能温度传感器目前的智能温度传感器 ( 亦称数字温度传感器 ) 是在 20 世纪 90 年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高， 现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展，本文将介绍 AD590的结构特征及控制方法， 它是美国 ANALOG DEVICES公司的单片集成两

5、端感温电流源，并对以此传感器，AT89C51单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所， 或科研实验室使用。该设计控制器使用ATMBL公司的 AT89C51单片机，测温传感器使用AD590，最终用 LED来实现温度显示。2 设计目的任务和要求2.1设计目的本设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知

6、识解决实际问题的实践技能；2.2设计任务以 8086 CPU（或单片机）为核心设计一个温度采集系统，系统可以实现一路温度的采集，在 3 位 LED显示器上显示当前温度。2.3设计内容本设计所用器件主要有传感器，A/D 转换器， 8086CPU（或单片机），可编程并行接口 8255（或不用）， LED显示器等。首先传感器把所测的温度转换为电压，输入 A/D 转换器中进行转换，然后再把得到的二进制数经过CPU在 LED上显示出来。3 系统总体方案设计第2页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书3.1方案设计该系统主要有温度测量和数据采集两部分电路组成， 在温度测量中用电测法测量温度时，首先要通过

7、温度传感器将温度转换成电量，温度传感器有好多种方式，这里选择 AD590，它是一种半导体感受式的，由测温电阻、二极管和集成电路器件组成。利用温度传感器测出温度后，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，利用 A/D 转换器即 ADC0809转换后，就可以用单片机进行数据的处理， 在显示电路上，将被测温度显示出来。3.2总体设计框图4 系统器件的选择和性能介绍4.1温度传感器AD590是一种单片集成的两端式温度敏感电流源，它有金属壳，小型的扁平封装芯片和不锈钢等几种封装形式， 实验平台利用 IC 温度传感器 AD590作为测温器，AD590是一种精度和线性度较好的双端集成温度传感器，其输出电流与

8、绝对温度有关，对于电源电压从5-10V 变化只引起 1A 最大电流的变化或1 摄氏度等效误差。第3页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书图（ 2）传感器工作原理图上图给出了用于获得正比于绝对温度的输出电流的基本温度敏感电路，当温度有 10的变化时输出电压变化为20mV，即该电路 M点电压随温度变化为2mV/。将温度传感器输出的小信号跟随放大19.2 倍左右后，送至8 位 A/D 转换器转换成数字量。4.2 A/D转换器模数转换采用 ADC0809，它是芯片输出端具有可控的三态门，这种芯片的输出端可以直接和系统总线相连，由读信号控制三态门，转换结束后，CPU执行一条输入指令，从而产生读信号，

9、将数据从A/D 转换器取出。 ADC0809是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 转换器， CMOS工艺，可实现 8 路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存译码电路，其转换时间为100s左右。ADC0809 内部结构如图所示，图中多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换，地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。 8 位 A/D 转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R 电阻阶梯网络等组成。输出器用于存放和输出转换得到的数字量。第4页

10、共15页中北大学计算机控制课程设计说明书图（ 3） A/D 转换器工作原理图因为所选的 AD0809所转换的电压范围不大 , 这样一来 , 当所采集的温度是 0 时 , 转换的电压量是 0V, 通过 A/D 转换后所对应的数字量是 00000000。当采集的温度是255时 , 所转换的电压量是 10V, 通过 A/D 转换后所对应的数字量是 11111111。这样看来 , 从 A/D 输出的数字量和显示的温度是一一对应的。假如数字量是00000011时, 通过 8255A编程就可在显示器上显示3。4.4 8255并行接口当温度通过 AD590后, 连续的物理量转换为连续的电压量 , 电压信号输

11、入到 A/D 模拟信号输入端。当工作时 ,CPU用输出指令将 PC0置零 , 使 B/C 端得到一个低电平从而启动转换。此后用输入指令不断读端口 PC4PC7测试并判断 PC4是否为零。如果 PC4为零则说明完成一次 A/D 转换。此时在 CPU的读周期作用下它向 8255A 发出个读信号。之后便从 A 端口读数据 ; 在写周期的作用下 CPU向 8255A 发出写信号 , 此后数据就会从 B 端口输出。 B 端口连接着 LED,它们在 PC3PC1的控制下显示当前温度。8255A 方式 0 的工作特点：方式 0 也叫基本输入输出方式。 在这种方式下， 端口 A 和端口 B 可以通过方式择字规

12、定为输入口或者输出口，端口 C 分为两个 4 位端口，高 4 位一个端口，低 4一个端口。这两个四位端口也可由方式选择字规定为输入口或输出口。方式 0 的使用场合有两种，一种是同步传送，另一种是查询式传送。这里采用查方式。查询式传输时，需要有应答信号。 但是，在方式 0 情况下，没有规定固定的答信号， 所以，第5页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书这时将端口 A 和端口 B 作为数据端口，把端口C的 4 个数位（高或低 4 均可）一些控制信号，而把端口C的另外 4 个数位规定为输入口，用来读入设的状态。这样，就利用端口 C配合了端口 A 和端口 B的输入输出操作。4.5 LED 介绍由于

13、输出的电压量范围是05V即转换为数字量后为0FF之间。所以，要使温度表范围为 085，需把 0FF除以 3。经过 CPU未经处理过的数值是以ASCII 码的方显示在电脑屏幕上的，还需将ASCII 码转换成十进制显示。为了便于读数。在LE 灯上的显示将设计为8421 码的方式显示。转换方法在程序中有所注明。5 系统整体硬件电路5.1主板电路系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单机板电路等，见附录。其中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同 LED数码管将没有被测温度值显示。5.2显示电路显示电路是使用 74HC373锁存器和 74LS

14、138译码器分别控制段选和位选， 利用动态显示。处是 LED数码管数量大时，电路简单。图（ 5） LED电路显示图5.3分频电路ADC0809需要提供时钟信号，单片机在工作时 ALE引脚输出 2MHZ时钟信号，需要分频后供 0809 做时钟信号使用。第6页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书图（ 6）ADC0809芯片的分频电路5.4时钟电路设计晶振的频率决定了微控制器的时钟频率，8051 晶振的频率范围， 0 Hz 33 MHz。电容器 C1、C2 起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为20 40 pf。微控制器内部有一个高增益运算放大器和一个反馈电阻器，当外接晶振后， 就构成了自

15、激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图（ 7）晶振电路原理图5.5温度报警电路本设计的发挥部分，是加入了报警，如果我们所设计的系统是监控某一设备，当设备的温度达到我们所设定的温度值时，系统会产生报警. 报警时由单片机产生一定频率的脉冲，由P2.7 引脚输出， P2.7 外接一只 PNP的三极管来驱动杨声器发出声音，以便操作员来维护，从而达到报警的目的。第7页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书图（ 8）温度报警电路6 系统流程图第8页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书图（ 9）系统流程图7 软件程序设计PORTA EQU 020H；定义端口地址PORTB EQU 021HPORTC EQU

16、022H第9页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书PORTD EQU 023HDATA SEGMENTTABLEDB 40HDB 4FHDB 24HDB 30HDB 19HDB 12HDB 02HDB 78HDB 00HDB 10HBUFDA1 DB ?BUFDA2 DB ?BUFDA3 DB ?DATA ENDSCODE SEGMENTASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATAMOV DS,AXMOV AL,98HOUT PORTD,AL； 8255 的初始化;*MOV AL,01OUT PORTC,ALMOV AL,00OUT PORTC,AL；

17、PC0 为 0，启动 A/D 转换FIND:IN AL,PORTCTEST AL,010H第10页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书JNZ FIND；读 PC4 的值，如为 1 则继续查询MOV AL,01OUT PORTC,AL；使 PC0 为 1，撤消启动信号IN AL,PORTA；读取转换数据;*MOV CL,100；计算百位，十位，个位DIV CLMOV BUFDA1,ALXOR AL,ALMOV CL,10MOV BL,AHMOV AL,BLMOV AH,0DIV CLMOV BUFDA2,ALMOV BUFDA3,AH;*DISPLAY:MOV BX,OFFSET TABLE

18、MOV AL,DI+0XLAT；换码MOV DX,PORTBOUT DX,ALMOV CX,30H；延迟程序DELAY:LOOP DELAYRET;*MOV CX,30HDISPLAY1:MOV AL,06HOUT PORTD,AL第11页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书MOV AL,05HOUT PORTD,ALMOV AL,03HOUT PORTD,ALMOV DI,OFFSET BUFDA1CALL DISPLAY；使 LED0 工作MOV AL,07HOUT PORTD,ALMOV AL,04HOUT PORTD,ALMOV AL,03HOUT PORTD,ALMOV DI,O

19、FFSET BUFDA2CALL DISPLAY；使 LED1 工作MOV AL,07HOUT PORTD,ALMOV AL,05HOUT PORTD,ALMOV AL,02HOUT PORTD,ALMOV DI,OFFSET BUFDA3CALL DISPLAY；使 LED2 工作LOOP DISPLAY1 ；延迟;*MOV AH,4CHINT 21HCODE ENDSEND START第12页共15页中北大学计算机控制课程设计说明书8 总结心得本课程设计是基于AT89C51单片机的温室检测系统。该课程是以单片机8051为核心，以热敏电阻为测温元件对温度进行有效的测量, 通过 ADC0809

20、芯片将电压信号转化为数字信号，经过单片机处理后通过8255 芯片扩展的 I/O 以动态方式显示，再加上相应的时钟电路、复位电路、分频电路，最后编写程序，温度采集系统的设计就完成了。在做课程设计的过程中，除了了解相关设计的硬件原理电路图外，还要了解具体的型号，熟悉相关软件的使用，如AutoCAD、 Protel 、Word等，虽然在实际操作过程中遇到了很多困难，但经过不懈努力还是完成了本课程的设计。在这一周的设计中，不仅使我增长了很多课堂上所学不到的知识，而且还让我对 A/D 转换和扩展 I/O 有了更深入的了解。 对一些单片机原理及应用有了更加深刻的认识。第13页共15页中北大学计算机控制课程

21、设计说明书附图电路接线仿真图25692569111101234567U3QQQQQQQQ74LS37301234567E EDDDDDDDDO L211111VREF(-)1612VREF(+)1nFU1X113GNDVCC1119391710XTAL1P0.0/AD02 -8LSBCLOCK381493CRYSTALP0.1/AD12 -7OUTPUT ENABLE37157C2P0.2/AD22 -6EOC183686U6XTAL2P0.3/AD32 -5START35182P0.4/AD42 -4LM351nF34195VOUTP0.5/AD52 -3IN733204C3P0.6/AD62 -2IN6932213RSTP0.7/AD72 -1MSBIN50.722IN421221P2.0/A8ALEIN31nF222328P2.1/A9ADD CIN22324271P2.2/A10ADD BIN129242526PS