温度采集系统设计

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计算机控制课程设计任务书

学年第学期

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课程设计题目：温度采集系统设计

起迄日期: 12月15日~ 12月28日课程设计地点:电气工程系综合实验室指导教师:

系主任：

下达任务书日期: ×××年×月×日

课程设计任务书

课程设计任务书

目录

1引言 (1)

2计设计目的任务和要求 (1)

2.1 设计目的 (1)

2.2 设计内容和要求 (1)

3 系统总体方案设计 (1)

3.1 方案设计 (1)

3.2 原理框图 (1)

4 硬件设计 (2)

4.1 硬件控制电路 (2)

4.2 传感器电路 (2)

4.3 显示电路的选择 (3)

4.4 CPU的选择 (3)

4.5 8位A/D转换器ADC0809芯片 (5)

4.6 AT89C51与ADC0809接口电路 (6)

4.7 单片机控制电路 (7)

5软件设计 (7)

5.1 绘制程序流程图 (7)

5.2 编制汇编源程序 (8)

6 调试及仿真 (10)

6.1 电路接线图 (10)

6.2 仿真及结果 (10)

7 结论及心得体会 (11)

附录 (13)

参考文献 (14)

1 引言

温度是工业控制中主要的被测参数，随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机的测量和控制技术在工业发展中起到了举足轻重的作用。单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点。应用在温度测量方面简单方便、测量范围广、精度高，从而提高了生产效率。一般来说一个测温系统由以下三部分组成：测量部分、控制部分、显示部分。因此本设计就是以单片机为核心设计温度采集系统，将采集的信号通过转换以数字方式显示。

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识解决实际问题的实践技能；

2．2 设计内容和要求

以8086CPU（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。

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CPU在LED上显示出来。

3 系统总体方案设计

3．1 方案设计

以8086CPU为核心设计一个温度巡回监测系统（A/D采用ADC0809）.系统可实现温度信号的采集，在3位LED显示器上显示当前的温度。经标度变换后送LED 显示器显示，只进行一路采集。该系统主要用于温度检测，并在LED上显示当前的温度值。当温度信号改变时，LED显示的值也随之改变。

3．2 原理框图

图3-1原理框图

4 硬件设计

4．1 硬件控制电路

首先应用温度传感器进行温度测量。当外界环境温度发生变化，传感器的输出电压也会发生对应的变化，电桥的输出信号与ADC0809的模拟量输入端IN0连接，经A/D 转换后，ADC0809的输出引脚与AT89C51的P0口连接。 4．2 传感器电路

在自动控制、机电整合的应用中，温度的测量为常见的需求，感测温度的产品有多种型态，依特性可概分为膨胀变化型、颜色变化型、电阻变化型、电流变化型、电压变化型、频率变化型…等，常见的电压变化型的温度传感器有LM35、LM335，其不同点为 LM35 之输出电压是与摄氏温标呈线性关係，而 LM335则是与凯氏温标呈线性关系。由於摄氏温标较常使用，因此本文将针对LM35做介绍。 LM35是由National Semiconductor 所生产的温度感测器，其输出电压与摄氏温标呈线性关係，转换公式如式(1)，0°C 时输出为0V ，每升高1°C ，输出电压增加10mV 。

℃℃T mV T V LM ?=10)(35_out 公式(1)

LM35有多种不同封装型式。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4C 的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；单电源模式在25°C 下静默电流约50μA ，非常省电。

下图是利用LM35温度传感器及晶体管IN914组成单电源供电的测温电路（一般需正负电源）。

图4-1 利用LM35温度传感器及晶体管IN914组成单电源供电的测温电路

4．3 显示电路的选择

在单片机应用中常用的显示器是LED，因为LED显示器具有功耗低、配置灵活、线路简单、安装方便、寿命长且价格低廉等优点。本设计用8155芯片控制七段显示器动态显示数据。

4．4 CPU的选择

本次设计以CPU选用AT89C5l作为控制芯片．AT89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的引脚结构图所图示, 其管脚说明如下：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：P2口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口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：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。在由外

部程序存储器取指期间，每个机器图4-2 AT89C51管脚图

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）。

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。

4．5 8位A/D转换器ADC0809芯片

目前应用较多的A/D转换器是ADC0809，ADC0809是一种八路模拟输入八路数字输出的转换器件，主要特性如下：

分辨率：8位

转换时间：次/64个时钟周期

电源：+5V

模拟输入电压范围：单极性0-5V，具有可控三态输出锁存器。

以上数据满足设计要求，所以选用ADC0809

ADC0809的引脚排列如图4-3所示，各功能如下：

IN0～IN7：8个模拟量输入端。

START：启动A/D转换。当START为高电平时，开始A/D转换。

EOC：转换结束后。当A/D转换完毕时，此信号可用作A/D转换是否完成的查询信号或向CPU请求中断的信号。

OE：输出允许信号，或称为A/D数据信号。当此信号为高电平时，可从A/D转换器中读取数据。

CLK：实时时钟，最高允许值为640kHz，可通过外接电路提供频率信号，也可由系统ALE分频获得。

ALE：地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许ADDC、ADDB、ADDA锁存到通道地址锁存器，并选择对应通道的模拟输入送A/D转换器。ADDA、ADDB、ADDC：通道地址输入，C为最高位，A为最低位。

D0～D7：数字量输出。

VREF（+）、VREF（-）：正、负参考电压，用来提供D/A转换器的基准参考电压。一般VREF（+）接+5V，VREF（-）接地。

VCC、GND：电源电压VCC接+5V，GND接地。

图4-3 ADC0809芯片管脚图

4．6 AT89C51与ADC0809接口电路

如图3-4所示，系统中的ADC0809转换器的片选信号接P2.7，其通道地址IN0～IN7分别为7FF8H～7FFFH。当AT89C51产生写信号时，由一个或非门产生转换器的启动信号START和地址锁存信号ALE（高电平有效），同时将通道地址ADDA、ADDB、ADDC送地址总线，模拟量通过被选中的通道送到A/D转换器，并在START 下降沿时开始逐位转换，当转换结束时，转换结束信号EOC变高电平，经反相器可向CPU发中断请求。也可采用查询方式，当AT89C51产生读信号时，则由一个或非门产生OE输出信号（高电平有效），使A/D转换结果读入AT89C51单片机。ADC0809转换器所需时钟信号可以由AT89C51的ALE信号分频获得。

图4-4 AT89C51与ADC0809接口电路图

4．7 单片机控制电路

（1）由于设计要求利用3位数码管显示温度，故在P1、P2、P3口进行数码管连接。由于只显示整数位，小数点不进行连接，因此数码管连接7只引脚即可。

（2）由于本系统使用片内程序存储器，故EA引脚接高电平即可。

综上所述，要实现单片机的温度采集及显示，控制电路如图3-5所示：

图4-5 单片机控制电路图

5 软件设计

5．1 绘制程序流程图

本控制程序结构流程图如5-1图。

初始化

是否转换结束N

8通道显示结束？

Y

N

0809初始化

Y

二进制转BCD

动态显示

初始化

图5-1 控制程序结构流程图

5．2 编制汇编源程序

1.ADC0809调试程序

ORG 0000H

MOV R1,#20H

MOV R2,#08H；设定8个通道

MOV TL0,#00H

MOV TH,#0B8H

MOV TMOD,#01H；给计数器设定初值并初始化

CLR ET0；

SETB TR0；启动计数器

MOV SCON,#40H

MOV DPTR,#78FFH；置DPTR，使模拟通道对应的入口地址为78FFH LOOP：MOV A,R2

SUBB A,R1

JNZ LOOP2；跳转至LOOP2

MOV R1,#00H

MOV DPTR ,#78FFH

LOOP1：JNB TF0,LOOP1

CLR TF0

MOV TL0,#00H

MOV TH0,#0B8H；重新给计数器设初值

LOOP2：MOVX @DPTR,A；重启A/D

LOOP3：JP P1.0,LOOP3

LOOP4：JNP P1.0,LOOP4；由P1.0查询ADC0809的EOC信号，确定转换是否完成

MOVX A,@DPTR；查询结果

MOV @R1,A；保存结果

INC DPH；查询下一模拟通道

INC R1;同时将下一通道的值保存

LJMP LOOP

END

2.程序执行过程：

ORG 0000H

LJMP MAIN13

ORG 0D00H

MAIN13: MOV SP，#50H

MOV P2，#0FFH

MOV A，#81H

MOV DPTR，#0FF23H

MOVX ＠DPTR，A

MOV 79H，#00H LOOP0: LCALL DISPLAY

MOV A，#00H

MOV DPTR，#0FF80H

MOVX ＠DPTR，A

MOV R7，#0FFH

LOOP1: DJNZ R7，LOOP1

MOVX A，＠DPTR

MOV 79H，A

SJMP LOOP0

DISPLAY: MOV A，79H

MOV B，#10

DIV AB

MOV DPTR，#TAB2

MOVC A，@A+DPTR

MOV P2，A

MOV A，B

MOVC A，@A+DPTR

MOV P1，A

MOV A，R3

RET

ORG 0E30H

TAB2：DB 0C0H，0F9H，0A4H

DB 0B0H，99H，92H

DB 82H，0F8H，80H

DB 90H

END

6 调试及仿真

6．1 电路接线图

图 6-1电路接线图6．2 仿真及结果

图6-2仿真结果图(一）

图6-3仿真结果图(二）

7 结论及心得体会

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芯片将电压信号转化为数字信号，经过单片机处理后通过8155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。

在设计之初因为对该课题不是很熟悉，所以只能每天找资料，在找了一些相关课题的资料后才着手此次课题的设计。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。

附录

参考文献

[1] 与海生.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社，2006

[2] 贾伯年.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2007

[3] 李顺增，吴国东，赵河明，乔志伟.微机原理及接口技术. 机械工业出版社，2004

[4] 顾德英. 计算机控制技术（第二版）.北京邮电大学出版社，2005

[5] 朱群峰.基于DS18B20 的多路温度采集系统[J]. 船电技术，2009 ，V ol.29 No.2.

[6] wertet.DS1820 单线数字温度计[Z].2009