基于TLC549的温度采集系统的设计_报告

基于TLC549的温度采集系统的设计

课程设计说明书

系（部）：信息工程系

班级：自动化082

学生姓名：张青蒙学号080819623

指导教师：韩耀振

时间：2010 年12 月13 日到2010 年12月24日

课程设计任务书

题目基于TLC549的温度采集系统的设计

系(部) 信息工程系

专业自动化

班级自动化082

学生姓名张青蒙

学号080819623

12 月13 日至12 月24 日共 2 周

指导教师(签字)

系主任(签字)

年月日

目录

摘要 (5)

Abstract (6)

第一章系统功能原理及硬件介绍 (6)

1.1 AT89C51单片机介绍 (7)

1.2 TLC549介绍 (8)

l.2.1 TLC549的主要特点 (8)

1.2.2 TLC549芯片的工作原理 (9)

1.3 AD590的介绍 (10)

第二章理论分析 (11)

2.1 各模块接线及原理说明 (12)

2.1.1 AD590采集温度信号模块 (12)

2.1.2 TLC549 A/D(模数)转换模块 (12)

2.1.3静态数码管显示模块 (12)

2.1.4 蜂鸣器超量程报警模块 (12)

2.2最小分度、量程及报警温度的算法 (12)

2.2.1最小分度、量程的算法 (12)

2.2.2报警温度的算法 (12)

第三章各模块电路设计 (13)

3.1温度测量采集及加热电路模块 (13)

3.2 串行A/D(模数)转换模块 (14)

3.3 静态数码管显示模块 (15)

3.4 蜂鸣器超量程报警模块 (15)

第四章电路和程序设计 (15)

4.1 程序流程图 (15)

4.2 程序清单 (16)

4.3 PROTEUS制作的电路图 (21)

总结 (21)

参考文献 (22)

摘要

温度是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一。过去温度检测系统设计中,大多采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力

差等问题;而其中任何一环节处理不当,就会造成整个系统性能的下降。随着半导体技术的高速发展,特别是大规模集成电路设计技术的发展, 数字化、微型化、集成化成为了传感器发展的主要方向。

以单片机为核心的控制系统．利用汇编语言程序设计实现整个系统的控制过程。在软件方面，结合TLC549串行8位A／D转换器的工作时序，给出A，AT89C5l单片机和TLC549串行A／D转换器件的接口电路图，提出基于器件工作时序进行汇编程序设计的基本技巧。本系统包括温度传感器，数据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路，其中温度传感器为数字温度传感器AD590，包括了单总线数据输出电路部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。

关键词：单片机、汇编语言、TLC549、温度传感器AD590、

Abstrac

Temperature is the most common one of process parameters in automatic control and industrial production. In the traditional temperature measurement system design, often using simulation technology to design, and this will inevitably encounter error compensation, such as lead,complex outside circuit,poor anti-jamming and other issues, and part of a deal with them Improperly, could cause the entire system of the decline. With modern science and technology of semiconductor development, especially large-scale integrated circuit design technologies, digital, miniaturization, integration sensors are becoming an important direction of development.

In the control systems with the core of SCM，assembly language programming is used to achieve the control of the whole system．Combining with the operation sequence of TLC549，the interface circuit diagrams of AT89C51 SCM and TLC549 serial A／D conveger ale given．The basic skills of assembly language programming based on the operation se—quenee of the chip ale put forward．This system include temperature sensor and data transmission, the moduledisplays module and thermoregulation driven circuit from the sensors intofigures of the temperature sensors AD590, including a list of the data outputcircuit. The text of every part of the functions and procedure at present.

Key word s：single-chip；assembly language；serial A／D conversion；TLC549；Temperature sensor AD590

第一章系统功能原理及硬件介绍

该数字温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，经由模数转换器TCL549转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在D4、D3、D2、D1共４位七段码LED显示器上。系统以AT89C51单片机为控制核心，加上AD590测温电路、TCL549模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源等组成。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

1.1 AT89C51单片机介绍

AT89C51是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，可提供以下标准功能：4K 字节闪存，128字节内部RAM ，32个I/O 口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM ，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

图2 AT89C51引脚图

引脚功能说明

Vcc ：电源电压 GND ：地

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O 口，即地址/数据总线复位口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个逻辑门电路，对端口写“1”可 作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，此时P0激活内部的上拉电阻。

P1口：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口。P1的输出缓冲级可驱动（输入或输出）4个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口。因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（输入或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器获16位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX @DPTR 指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX @RI 指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（输入或输出）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，他们被内部上拉电阻拉高并可作为输入口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟信号或用于定时。要注意的是：当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。闪存编程期时，该引脚还用于输入编程脉冲。

PSEN：程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两个PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

EA/VPP:外部访问允许。要使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H---FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是; 如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如 EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

XTAL1:振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2 :振荡器反相放大器的输出端。

1.2 TLC549介绍

l.2.1 TLC549的主要特点

TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行A／D7芯片，可和通用微处理器、控制器通过I／O CLOCK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。TLC549具有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17μs，允许的最高转换速率为40000次/s。总失调误差最大为±0．5LSB，典型功耗值为6 mW。TLC549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)≥1 V，故可用于较小信号的采样，此外，该芯片还单电源3～6v的供电范围。总之，TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特TLC549的极限参数如下：

◇电源电压：6．5 V：

◇输入电压范围：0.3V～VCC：+o.3V：

◇输出电压范围：0.3V～VCC：+0．3 V；

◇峰值输入电流（任一输人端）：±10 mA；

◇峰值输人电流(所有输入端)：±30mA

◇工作温度：TLC549C：0℃～70~C

◇TLC549I：-40℃～85℃

◇TLC549M．-55"C～125℃

TLC549的引脚图如图3所示。

图3 TLC549的引脚图

1.2.2 TLC549芯片的工作原理

TLC549带有片内系统时钟，该时钟和I／OCLOCK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输DATA OUT端处于高阻状态，此时I／O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLc549时，共用I／OcLOCK，以减少多路(片)A／D 使用时的I／O控制端口。一组通常的控制时序操作如下：

(1)将Cs置低，内部电路在测得CS下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，再确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATAOUT端；(2)在前四个I／O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6，D5，D4，D3)，片上采样保持电路在第4个I／O CLOCK下降沿开始采样模拟辅人：

(3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿可移出第6、7、8(D2，D1，D0)各转换位；(4)最后，片上采样保持电路在第8个I／OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2，D1，D0）各转换位。然后使保持功能持续4个内部时钟周期，接着开始进行32个内部时钟周期的A ／D转换。在第8个I／O cLCOK后,CS必须为高或I／O LOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时，I／O CLOCK 上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器，控制器将和器件的I／O时序失去同步；而在cs 为高时若出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)～(4)，可重新启动一次新的A／D转换，和此同时，正在进行的转换将终止。但应注意，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，则应使第8个I／O CLOCK时钟的下降沿和该时刻对应。因为芯片虽在第4个I／O CLOCK时钟的下降沿开始采样，却在第8个I ／O CLOCK的下降沿才开始保存。 TLC549的工作时序图如图4所示。

图4 TLC549的工作时序

1.3 AD590的介绍

AD590是AD公司利用PN结构正向电流和温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器.（热敏器件）

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中：—流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T—热力学温度，单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MW。

5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,在8051的各种课本中常看到它,相当常用到。

其规格如下：

温度每增加1℃,它会增加1μA输出电流。

可量测范围-55℃至150℃。

供应电压范围+4V至30V。

AD590的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流Io=(273+25)=298μA。

Vo的值为Io乘上10K,以室温25℃而言,输出值为2.98V(10K×298μA)。

量测Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不准。

AD590的输出电流I=(273+T)μA(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)μA

×10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。

由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。

接下来我们使用差动放大器其输出Vo为(100K/10K)×(V2-V1)=T/10V。如果现在为摄氏28度,输出电压为2.8V。

图5 AD590的封装及其基本使用电路

图6 AD590内部电路原理图

第二章理论分析

TLC549温度采集系统采用了AD590采集温度信号，TLC549转换温度模拟信号，AT89C51（伟福仿真器仿真）控制TLC549转换，静态数码管显示，超量程报警。

2.1各模块接线及原理说明

2.1.1 AD590采集温度信号模块

将T-DETECT接到TLC549的AIN端口，然后用T-CON控制电路加热和否。不需要进行其他的控制。

2.1.2 TLC549 A/D(模数)转换模块

TLC549的三个I/O口分别为DATA、CLK和CS端口，其中CLK为时钟、CS为片选、DATA 为数据输出。

2.1.3静态数码管显示模块

静态数码管显示电路由四只74LS164、四只共阴极LED数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。四只74LS164首尾相连，每只74LS164的并行输出作为LED数码管的段码。因此，选取单片机的两个I/O口分别控制串行数据线DIN 和移位信号CLK，使四位数码管静态显示。

2.1.4 蜂鸣器超量程报警模块

由AT89C51的I/O口直接输出信号到蜂鸣器的控制信号输入端口C，当输入信号为高点平时，蜂鸣器报警。

2.2最小分度、量程及报警温度的算法

2.2.1最小分度、量程的算法

TLC549C工作温度为0℃～70℃，温度和电压成正比。当设定量程和70℃接近时测量所得温度和实际温度才能相符。

TLC549C的A/D输出为00H到FFH，可进行256等分，4能被256整除，以此算法设定最小分度为0.25℃，量程为0℃～63.75℃，比较符合要求。

2.2.2报警温度的算法

设定最小温度分度为0.25℃，量程为0℃～63.75℃，所以，0℃时A/D输出的数字量为00H，63.75℃时A/D输出的数字量为FFH。报警温度以0℃为基准：

报警时A/D输出的数字量=报警温度*4/16

将所得的数字量转化成二进制表示形式，输入程序相应位置即可完成设定。

第三章各模块电路设计

温度采集系统由温度采集模块、AD转换模块和温度值显示模块三大部分组成。其中温度采集模块主要用AD590采集温度，并输出一个模拟电压信号，TLC549接收到模拟信号后，进行ＡＤ转换把模拟信号转换位数字信号，并串行输出（一个时钟下降沿输出一次），单片机接到数据后存入累加器Ａ，经过一定的转化，经过74LS164输入到四段七位数码管中，并静态显示出来，当温度超过设定的报警温度，蜂鸣器报警装置自动报警。

3.1温度测量采集及加热电路模块

T-DETECT接到TLC549模拟信号输入端AIN，T-CON接高电平时开始加热。

图7 温度测量采集及加热电路原理图

图8 参考电压电路3.2串行A/D(模数)转换模块

图9 串行模数转换电路

3.3静态数码管显示模块

图10 静态数码管显示模块电路原理图3.4 蜂鸣器超量程报警模块

图11 蜂鸣器超量程报警原理电路

第四章电路和程序设计4.1 程序流程图

4.2程序清单

CLK_549 BIT P3.4

DO BIT P3.5

CS BIT P3.2

DIN BIT P2.0

CLK BIT P2.1

BJO BIT P2.2

GEWEI EQU 41H

SHIWEI EQU 40H

ORG 0000H

JMP MAIN

ORG 0030H

MAIN: MOV SP,#60H

CLR BJO ;防止误报警

AD: SETB CLK_549

SETB CS

MOV R0,#00H

CLR CLK_549

CLR CS ;启动转换

LCALL READ ;调用读数

SETB CS ;停止转换

CLR C ;清零CY，以备下次转换

MOV R1,A ;将数据暂存在R1中，报警时用到

MOV B,#4

DIV AB

MOV R0,B

PP0: CJNE R0,#0,PP1 ;判断余数是否为0，不为0转PP1 LCALL L0

JMP AD

PP1: CJNE R0,#1,PP2 ;判断余数是否为1，不为1转PP2 LCALL L1

JMP AD

PP2: CJNE R0,#2,PP3 ;判断余数是否为2，不为2转PP3 LCALL L2

JMP AD

PP3: LCALL L3 ;余数为3时执行

JMP AD

;******读数函数******

READ: MOV C,DO ;读取最高位

RLC A ;左移一位

MOV R6,#07H

RE: SETB CLK_549 ;循环读取剩下七位数

NOP

NOP

CLR CLK_549

NOP

NOP

MOV C,DO

RLC A

DJNZ R6,RE

SETB CLK_549

NOP

NOP

CLR CLK_549

NOP

NOP

RET

;******余数为0时子函数******

L0: LCALL DIV1 ;余数为0时，显示XX.00 MOV A,#0

LCALL DISP

MOV A,#0

LCALL DISP

MOV A,GEWEI

LCALL XSD

MOV A,SHIWEI

LCALL DISP

LCALL D10MS

LCALL BJ

RET

;******余数为1时子函数******

L1: LCALL DIV1 ;余数为1时，显示xx.25 MOV A,#5

LCALL DISP

MOV A,#2

LCALL DISP

MOV A,GEWEI

LCALL XSD

MOV A,SHIWEI

LCALL DISP

LCALL D10MS

LCALL BJ

RET

;******余数为2时子函数******

L2: LCALL DIV1 ;余数为2时，显示xx.50 MOV A,#0

LCALL DISP

MOV A,#5

LCALL DISP

MOV A,GEWEI

LCALL XSD

MOV A,SHIWEI

LCALL DISP

LCALL D10MS

LCALL BJ

RET

;******余数为3时子函数******

L3: LCALL DIV1 ;余数为3时，显示xx.75 MOV A,#5

LCALL DISP

MOV A,#7

LCALL DISP

MOV A,GEWEI

LCALL XSD

MOV A,SHIWEI

LCALL DISP

LCALL D10MS

LCALL BJ

RET

;******进制转化子函数******

DIV1: MOV B,#10 ;二进制转化为十进制DIV AB

MOV SHIWEI,A ;保存十位数

MOV GEWEI,B ;保存个位数

RET

;******延时子函数******

DLY: MOV R6,#100 ;1s延时函数

D10MS: MOV R5,#40H ;10ms延时

DL: MOV R4,#123

NOP

DJNZ R4,$

DJNZ R5,DL

DJNZ R6,D10MS

RET

;******个位带小数点显示函数******

XSD: MOV R3,#10 ;个位小数点显示

L5: INC A

DJNZ R3,L5

LCALL DISP

RET

;******报警子函数******

BJ: MOV A,R1 ;当温度达到设定温度时报警

CJNE A,#01111100B,LOP1 ;目前设定温度为30℃

LOP1: JC LOP2

SETB BJO

LCALL DLY

LOP2: CLR BJO

RET

;******显示子函数******

DISP: MOV DPTR,#TAB ;显示函数

MOVC A,@A+DPTR ;查表

L6: JB ACC.7,L7 ;判每一位并发送数据

CLR DIN

JMP L8

L7: SETB DIN

L8: CLR CLK

SETB CLK

RL A

DJNZ R7,L6

MOV R7,#8

RET

TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH ;不带小数点0——9 DB 0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH ;带小数点0——9

END

4.3 PROTEUS制作的电路图

总结

终于完成了我的单片机课程设计，从心底里还是高兴的，毕竟这次设计放了很多心血进去，高兴之余不得不深思呀！

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，学习的理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。

从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写和读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。

很感谢学校和老师给我们安排了这次课程设计，让我真正感受到的是合作的重要，许多时候都是同学间的讨论，老师的指导中的一句半句启发了我，就出现的让人欣喜的结果；基础知识同样很重要，有些问题都是由于基础知识掌握不好才出现的。