基于单片机的多功能参数检测系统设计与实现.docx

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基于单片机的多功能参数检测系统设计与实现

摘要

本文论述了一种基于单片机的多功能参数检测系统的设计与实现过程。

系统采用了单片机STC89C52为主控芯片，设计了电流电压转换电路，能够将现场的温度、压力、流量、液位等物理量所对应的4-20mA电流信号转换成1-5V的直流电压信号，并提供给A/D转换电路。

根据系统测量的模拟量较多的特点，使用ADC0809作为A/D转换芯片。

使用LCD1602作为显示器件，能够实时显示采集的温度、压力、流量、液位等物理量。

同时，系统还设计了参数设置与报警提示等功能电路。

论文共分三部分介绍了基于单片机的多功能参数检测系统设计过程。

第一部分，主要介绍了系统的方案设计，明确了系统的功能要求，给出了系统方案框图，并对部分元器件的选择、软硬件开发环境进行了介绍；第二部分，主要介绍了硬件电路的设计过程，包括主要器件的介绍、与单片机接口电路设计思路叙述；第三部分，对软件部分的设计思路做了介绍，并分别数据采集、显示、按键处理等各功能部分设计过程进行了叙述。

关键词：

单片机；电流电压转换；A/D转换；LCD1602；声光报警

Abstract

Thispaperdiscussesakindofmulti-functionalparameterdetectionsystembasedonsinglechipmicrocomputer.ThisdesignusethesinglechipmicrocomputerasthecontrollerSTC89C52chip,usingcurrentvoltageconversioncircuitcanchangethesceneofthephysicalquantities,suchastemperature,pressure,flow,levelof4-20mAcurrentsignalinto1-5Vvoltagesignal,andprovideforA/Dconversioncircuit.Accordingtothecharacteristicsofthemeasurementsystemthattherearemuchmoreanalogquantities,ADC0809isusedasA/Dconversionchip,usingLCD1602asadisplaydevice,cancollectreal-timedisplayoftemperature,pressure,flowandliquidlevel.Atthesametime,thesystemalsodesignedthecircuitforparametersettingandsoundandlightalarmingfunction.

Thispaperisdividedintothreepartintroducesmulti-functionalparameterdetectionsystembasedonsinglechipmicrocomputer.Thefirstpart,mainlyintroducedthesystemdesign,thefunctionalrequirementsofsystem,thesystemblockdiagramisgiven,andtheselectionofsomecomponents,hardwareandsoftwaredevelopmentenvironmentsareintroduced;Thesecondpart,mainlyintroducesthedesignprocessofhardwarecircuit,includingthemaindevice,singlechipmicrocomputerinterfacecircuitdesignideasofnarrative;Thethirdpart,thedesignideaofthesoftwarepartispresented,andvariousfunctionssuchasdataacquisition,displayandbuttonsprocessingarediscusses.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer;Currentvoltageconversion;A/Dconversion;LCD1602;Soundandlightalarm

绪论

随着计算机技术的发展，数据采集系统的应用也日益广泛[1]。

数据采集是工业控制系统中至关重要的一个环节，在生产过程中，往往需要随时检测各个环节的温度、液位、流量及压力等参数。

同时，还要对某个检测点的任意参数进行随机查询，将所得到的检测结果提取出来以便进行比较做出决策，调整控制方案。

此外，在科研过程中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据的重要手段之一。

数据采集系统直接影响控制系统的决策。

数据采集系统，从某种意义上来说，是用计算机控制的多路数据自动检测或循环检测的、能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取有用的信息，并能够供显示、记录、打印功能的系统[2]。

在过去的几十年里，随着信息领域技术的发展，数据采集方面的技术也取得了很大的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。

许多领域都用到了数据采集，在地质勘探、科学实验、工业生产过程、日常生活等领域已得到应用。

单片机系统在开发过程中，程序设计语言的选择尤为重要。

C51提供高效的代码，结构化的编程和丰富的操作符，多被采用。

它是一种编译型程序设计语言，兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。

C51有功能丰富的函数库、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对硬件的控制。

C51是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的自顶向下结构化程序设计技术。

此外，C51程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。

因此，使用C51进行程序设计已成为软件开发的一个主流[3]。

用C51来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。

尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。

相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具有高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。

这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。

1方案设计

该部分主要是针对课题的要求及最终要实现的功能进行总体的方案设计，设计出最佳框架和各个模块，以便于硬件选型、电路设计和软件编程。

1.1总体框架的设计

该系统以单片机作为主控芯片，现场要测量的温度、压力、流量、液位等物理量均为模拟的非电量信号，因此，需要选用对应的传感变送装置，将上述非电量信号变换为标准电流信号，电流信号抗干扰能力强。

单片机只能接收数字信号，又因为要测量的模拟量较多，所以必须有A/D转换器，测量结果需要显示。

设置按键对参数的检测方式及报警值进行设置；同时，设置声光报警功能，当采集参数的值超过预设上限值或低于预设下限值时蜂鸣器和报警指示灯发生相应的变化，用于提示。

基于单片机的多功能参数检测系统，其主要实现的功能如下：

⑴温度检测：

对水温进行检测并转化为标准电流信号，通过电流电压转换电路、A/D转换电路、单片机最终将温度值显示；

⑵压力检测：

对管道压力进行检测并转化为标准电流信号，通过电流电压转换电路、A/D转换电路、经过单片机处理并显示在显示器上；

⑶流量检测：

对管道流量进行检测并转化为电流信号，通过电流电压转换电路、A/D转换电路、单片机将管道流量值显示出来；

⑷液位检测：

可以对水槽内液位进行检测并转化为电流信号，通过电流电压转换电路、A/D转换电路、单片机最终将水槽内液位值显示；

⑸按键功能：

可以通过按键选择对温度、压力、流量、液位四个参数进行单独检测还是循环检测，可以对报警上下限进行设置；

⑹显示功能：

单独或轮流显示与刷新温度、压力、流量、液位四个参数的测量值；

⑺报警功能：

当实际测量值高于预设上限值或低于预设下限值时，声光报警。

根据课题要求及其所需要实现的功能最终设计出总体框架，系统框图如图1.1所示。

液位检测

图1.1系统框图

1.2单片机开发环境的选择

1.2.1电路图绘制软件

本设计中电路图的设计使用常用的电路图绘制软件Protel99SE，该软件功能强大，开发系统具有中文版本，便于使用，其特点介绍如下：

Protel99SE共分5个模块，分别是对于电路原理图的设计、对于PCB开发板的设计（针对信号完整性能分析包含在内）、对于原理图混合信号部分的仿真、自动布线器以及PLD设计。

以下针对Protel99SE的一些最新功能进行介绍[4]

⑴可以生成多余30种电气连接网络表；

⑵拥有较为强大的编辑全局功能；

⑶某一级器件从原理图中被选择，该器件在PCB图中也将被选择；

⑷可以一起运行PCB和原理图，并允许在打开的PCB图和原理图之间相互搜索元器件、网络、引脚；

⑸原理图至PCB图和PCB图到原理图都可对元器件标号进行注释，以实现PCB图和电气原理图设计上的一致性；

⑹符合国际标准标题栏输出和GB4728国际标准库即国际化设计要求；简单方便使用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）；

⑺对于原理图设计PLD和CUPL语言都支持使用，标准JED下载文件可以被生成；PCB可设计16个电源-地层、32个信号层和16个机加工层；

⑻拥有超强的“规则驱动”设计环境，支持批处理的和在线的设计规则检查；

⑼拥有智能覆铜功能，根据具体情况覆铜可实现自动重铺；

⑽提供多种工业中常用的标准电路板作为模版；

⑾拥有放置汉字的功能；

⑿可输入和输出DXF格式文件和DWG格式文件，可以和AUTECAD等软件进行数据之间的交换；

⒀智能封装导航对PGA和BGA封装十分方便；

⒁打印预览功能简便实用，打印结果的控制无需修改PCB文件；

⒂十分独特的3D显示，安装事物后的效果可在压板前看到；

⒃可以轻松实现输出测试点报告、贴片机文件、钻孔文件、材料清单、光绘文件等的CAM处理；

⒄便利的测量工具与反射和串扰仿真的波形显示结果相互结合；

⒅拥有解决信号完整性问题的专家导航[5]。

1.2.2Keil_C软件

单片机的设计不仅需要硬件，同样也需要软件，有两种方法可使汇编语言源程序变成CPU可执行的机器码：

一种方法是机器汇编，另一种方法是手工汇编，手工汇编的方法现今已经很少使用。

采用汇编软件将源程序变成机器码的方法为机器汇编方法，A51汇编软件为早期使用于MCS-51的编程软件，随着不断发展的单片机开发技术，编程软件已由汇编软件发展为高级语言，目前普遍应用在开发MCS-51系列单片机的汇编软件为Keil编程软件。

Keil软件近年来已纷纷得到了各仿真机厂商的全面支持。

Keil编程软件不仅拥有连接器、库管理、C语言编译器、宏汇编的开发环境还拥有强大功能的仿真调试器开发环境，集成的开发环境uVision将以上部分组合一起[6]。

Keil编程软件的运行需要Pentium或以上的CPU、16MB或更多RAM、20MB以上硬盘空间的WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

熟练掌握Keil软件的操作对于52系列单片机的使用者来说是十分必要的，如果使用C语言编程，那么Keil软件是我们最应该熟悉的，即使使用汇编语言编程而不使用C语言，其强大的软件仿真调试工具和方便易用的集成环境也将起到事半功倍的效果。

Keil集成开发环境是基于MCS-51系列单片机，能够完成从工程建立、编译、链接、目标代码生成、软件模拟和硬件仿真等完整的开发过程，Keil软件的C语言编译工具产生代码的准确性高、效率高且灵活方便，目前很多仿真器的仿真环境都与Keil兼容。

Keil集成开发环境的主要功能有以下几点：

⑴Keil集成开发环境：

它将工程管理、源程序编辑和程序调试和仿真集成在一起，完成项目开发；

⑵C51交叉编译器：

从C51源代码生成可重定位目标代码；

⑶A51编译器：

从51系列的汇编源代码生成可重定位的目标代码；

⑷BL51连接定位器：

组合由A51和C51生成的可重定位的目标代码，形成绝对目标模块；

⑸LIB51库管理器：

从目标模块生成链接器可以使用的库文件；

⑹OH51目标文件到HEX格式的转换器：

从绝对目标模块生成HEX文件；

⑺RTX-51实时操作系统：

简化了实时应用软件的开发与调试过程；

设计的软件部分，使用Keil作为编程开发软件，对52单片机进行C语言的编辑与软件仿真；

2硬件电路设计

硬件部分采用传感器件完成对温度、压力、流量、液位四个参数的采集，采用单片机STC89C52作为主控芯片，将采集的数据显示在LCD1602上，其中硬件的设计部分包括：

传感器选型、单片机最小系统电路设计、电流电压转换电路设计、模拟量采集电路设计、显示电路设计、按键接口电路设计、报警电路及串行口功能设计，下面将对各个设计部分做详细的介绍。

2.1传感器的选型

需测量的温度为水的温度，选择温度传感器的测量范围应为0~100℃，且选择传感器要求精度高、转换速度快、简单实用，所以选择Pt100作为温度传感器；需测量的压力测量范围为0~1.4MPa，所选压力传感器BP—801、电源为24VDC、输出为4~20mA电流信号；需测量的流量测量范围为0~0.6立方米/小时，所选流量传感器采用涡轮式传感器LWGY-15A、精度为0.5%、输出为4~20mA电流信号；需测量的液位测量范围为1~1000毫米，所选液位传感器型号为BPY—800、精度为0.5%、供电电源为24VDC、输出为4~20mA电流信号。

2.2单片机最小系统设计

单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，本设计最小系统包括：

单片机、时钟电路、复位电路。

2.2.1单片机的选型

选用的单片机型号是STC89C52。

STC89C52引脚如图2.1所示，是一种带8K字节闪烁可擦除可编程的只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低压电、高性能的微处理器，俗称单片机。

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，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

1、主要特性

⑴工作电压：

5.5V~3.3V（5V单片机）/3.8V~2.0V（3V单片机）；

⑵片上集成512字节RAM；

⑶通用I/O口（32个），复位后为：

P0/P1/P2/P3是开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；

⑷ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），不需要专用编程器，不需要专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0，TXD/3.1）直接下载用户程序，几秒钟即可完成一片，准双向口/弱上拉，P0口是漏极；

⑸具有EEPROM功能；

⑹具有看门狗功能；

⑺共3个16位定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2；

⑻工作频率范围：

0~40MHZ，实际工作频率可达48MHZ；

⑼外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

此外，STC89C52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置节电模式。

此模式下，CPU暂时停工作，此时外部中断系统、RAM定时计数器，串行端口可以继续工作，掉电模式使振荡器冻结从而将RAM的数据保存，停止芯片的其它功能直至硬件复位或外中断激活。

与此同时STC89C52芯片还具有PLCC、TQFP及PDIP等三种封装模式，可以满足不同产品的需求。

2、单片机管脚说明

其中包括4个8位并行I/O接口线、6条控制信号线和2条电源线

并行口P0（P0.0~P0.7）：

P0口为一个8位漏极开路双向I/O接口，8TTL门电流可被每个引脚吸收。

P0口的管脚第一次写入高电平时，被称为高阻态输入。

它可以被定义为地址/数据的低八位，应用外部程序数据存储器进行存取时可使用P0口。

应用FIASH编程时，P0口可作为原码输入口，在FIASH进行校验时，P0口可作为输出口输出原码，此时P0口外部必须被拉高。

连接外部存储器或扩充外设时，作为低8位地址线和高8位数据线。

并行口P1（P1.0~P1.7）：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O接口，4TTL门电流可被P1口缓冲器接收、输出。

P1口管脚写入高电平后，被内部上拉为高，可作为输入，当P1口被外部下拉为低电平时，P1口将输出电流，这是由于内部为上拉状态的原因。

当FLASH校验和编程时，P1口可用作低八位地址接收，P1口还具有第二功能，可以通过对单片机进行设置，将P1口作为A/D转换口使用。

在编程和校验试接收低8位地址，每一位可以独立的输入/输出。

并行口P2（P2.0~P2.7）：

P2口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O接口，4TTL门电流可被P2口缓冲器接收、输出。

当P2口被写入高电平时，其内部上拉电阻将其管脚拉高，并作为输入。

作为输入时，P2口的管脚被外部拉为低电平时，P2口将输出电流，这是由于内部为上拉状态的原因。

当应用16位地址外部数据存储器或外部程序存储器时，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编程和校验时接收控制信号和高八位地址信号[7]。

并行口P3（P3.0~P3.7）：

P3口为一个8位准双向I/O接口，另外还兼有中断（P3.2（外部中断0）、P3.3（外部中断1））、定时/计数器（P3.4（定时/计数器0）、P3.5（定时/计数器1））、串行通信（P3.0（串行口输入）、P3.1（串行口输出））、读/写（P3.6（外部数据存储器写信号）、P3.7（外部数据存储器读信号））等控制功能。

VCC供电电压；GND接地。

图2.1STC89C52单片机引脚图

2.2.2时钟电路与复位电路

1、时钟电路

单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2引脚分别为振荡器的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。

内部时钟电路是在XTAL1和XTAL2引脚上接一定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡，定时元件通常是由石英晶体（晶振）和电容组成谐振电路。

晶体振荡频率可在1.2MHz~12MHz之间选择，电容C1、C2的取值在5pF~30pF之间。

外部时钟电路为XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器，振荡器频率为不低于12MHz的方波信号。

设计采取的是内部时钟电路如图2.2所示。

图2.2晶振电路原理图

2、复位电路

单片机有两种复位方式，上电复位和开关复位，上电复位在上电瞬间RC电路充电，RST引脚上出现正脉冲，只要正脉冲保持100ms以上，就能使单片机有效复位。

由于某种干扰，单片机不能正常复位，就需要加开关复位，当开关按下时，单片机复位。

3、复位电路的用途

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

单片机复位电路如图2.3所示。

图2.3复位电路原理图

4、复位电路的工作原理

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位，所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

在电路图中，电阻大小为10k，电容大小为0.1uF。

所以根据公式，可计算出电容充电电压为单片机电源电压（5V）的0.7倍，充电到电源电压的0.7倍就是3.5V，所需时间为10K*0.1UF=1S。

也就是说在电脑启动的1S内，电容两端的电压值在0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端电压值从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。

所以在1S内，单片机的RST引脚接收的电压值在5V~1.5V之间。

在5V工作正常的51单片机中低电平信号为小于1.5V的电压信号，高电平信号则为大于1.5V的电压信号。

所以在开机1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为1S左右）。

在单片机启动1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。

当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。

随着时间的推移，电容的电压在1S内，从5V释放到变为了1.5V甚至更小。

根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。

对于片内有ROM/EPROM/E2PROM的单片机，用一片这种芯片构成的最小系统简单、可靠。

构成最小系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路，将EA非接高电平即可。

最小系统时，P0、P1、P2、P3都可用作I/O线，但由于集成度限制，片内存储器容量有限，因此，最小系统主要用于一些简单的控制系统中。

2.2.3单片机使用注意事项

⑴对于31脚（EA/VPP），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行，当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行，这一点是初学者容易忽略的；

⑵晶振电路容易在焊接时漏掉电容需要接地，并且使用电容的大小一定要选准，晶振电路部分一定要焊接完全，否则容易使晶振电路出现虚接，影响设计；

⑶复位电路部分接口的电阻与电容选择要正确，要保证在电容充满电时，单片机有足够的时间进行复位；

⑷单片机的电源部分引脚接对，使用单片机时看单片机的缺口处来找单片机的引脚顺序；

⑸单片机在使用中P0口要加上拉电阻，一般为10K，因为P0口的驱动能力较低。

2.3电流电压转换电路设计

由于前端设备温度、压力、流量、液位传感器所输出的为标准电流信号，而电流电压转换电路作用是将传感器输出的4~20mA标准电流信号转换为1~5V标准电压信号作为A/D转换器的输入。

电流电压的转换是通过高精度250欧电阻来实现的，在转换完的电压信号后加一电压跟随器。

电压跟随器是用一个三极管构成的共集电路，电压跟随器，顾名思义，就是输入电压与输出电压是相同的[8]，也就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近于1，电压跟随器的显著特点是输出阻抗低，而输入阻抗高，这使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使后一级的放大电路更好地工作。

换一种说法，当输入阻抗很高时，就对前级电路相当于开路，当输出阻抗很低时，就相当于对后级电路的一个恒流源，也就是说输出电压不受后级电路阻抗的影响。

一个相当于对前级电路开路，后级阻抗不影响输出电压常常被用作中间级，起到“隔离”前后