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单片机温度采集系统说明书

综合实践（能力训练）说明书

题目：

单片机温度采集系统

2012年12月12日

毕业综合实践（能力训练）任务书

1.毕业综合实践（能力训练）题目：

单片机温度采集系统

2.毕业综合实践（能力训练）题目来源：

虚拟（√）顶岗实习（）

3.毕业综合实践（能力训练）课题任务的内容和要求（技术要求、工作要求等）：

1、收集资料，单片机的常用型号及选择；

2、温度采集控制系统硬件设计；

3、温度传感器的选择，信号调理电路，CPU的选择；

4、温度采集控制系统软件设计；

5、主程序设计及调试；

4．成绩评定标准（指导教师30%，评审小组30%，答辩委员会40%）:

毕业综合实践（能力训练）任务书

5.本毕业综合实践（能力训练）课题工作进度计划：

起迄日期

工作内容完成情况

2012年10月1日-11日

收集资料，单片机的常用型号及选择

2012年10月12日-22日

温度采集控制系统硬件设计探讨

2012年10月23日-31日

温度采集控制系统硬件设计探讨

2012年11月1日-6日

温度采集控制系统软件设计；

2012年11月7日-14日

主程序设计及调试；

教研室审查意见：

主任：

年月日

院系意见：

领导：

年月日

摘要

随着计算机技术的发展，工业计算机控制系统的应用已非常普及。

而智能仪表和现场总线等技术的引入则代表着一个网络时代的到来，成为工业控制的主流。

在以单片机为基础的数据采集和实时控制系统中，通过计算机中的RS-232接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传送，就可以利用计算机对生产现场进行监测和控制。

但是由于计算机上的RS-232所传送的距离不超过30m，所以，在远距离的数据传送和控制时，可以用MAX485的接口转换芯片将RS-232转换成RS-485协议进行远距离传送。

摘要：

单片机；RS-232；温度采集；AT89C51

目录

1绪论1

1.1课题背景1

1.2主要研究内容1

2温度采集控制系统硬件设计2

2.1温度传感器选择2

2.1.1热电阻2

2.1.2铂电阻Pt1003

2.2信号调理电路3

2.2.1隔离电路3

2.2.2放大电路4

2.3数据采集接口5

2.3.1数据的采样与保持5

2.3.2A/D转换6

2.4CPU控制单元8

2.4.1AT89C51芯片8

2.4.2单片机的时钟电路12

2.4.3复位电路和复位状态13

2.4.4总线结构15

2.5LED数码管显示接口15

2.5.1LED数码管介绍15

2.5.2LED数码管编码方式16

2.5.3LED数码管显示方式和电路设计17

2.6输出驱动电路19

2.6.1光电耦合器19

2.6.2继电器输出21

2.7串行通信接口23

2.7.1RS485电气特性23

2.7.2电平转换MAX485芯片24

3温度采集控制系统软件设计26

3.1主程序26

3.1.1程序说明26

3.1.2流程图27

3.2模数转换程序27

3.3LED显示程序28

3.4输出驱动程序29

3.5串口通信程序30

3.5.1串行通信协议30

3.5.2串行通信格式30

3.5.3流程图32

3.6系统源程序33

结论……………………………………………………………………36

参考文献………………………………………………………………37

1绪论

1.1课题背景

随着计算机技术的发展，工业计算机控制系统的应用已非常普及。

而智能仪表和现场总线等技术的引入则代表着一个网络时代的到来，成为工业控制的主流。

在以单片机为基础的数据采集和实时控制系统中，通过计算机中的RS-232接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传送，就可以利用计算机对生产现场进行监测和控制。

但是由于计算机上的RS-232所传送的距离不超过30m，所以，在远距离的数据传送和控制时，可以用MAX485的接口转换芯片将RS-232转换成RS-485协议进行远距离传送。

目前国际上已经出现多种现场总线通讯规范及相应的通讯接口软件，但其系统造价对国内大量中小企业来说仍显过高。

而RS-485总线技术以其构造简单、维护容易、造价低廉和硬件资源丰富等特点，仍在低成本的中小型计算机控制系统中占据重要一席。

故本设计选用基于RS-485的通讯接口规范，实现对远距离工业现场的温度信号的采集控制。

1.2主要研究内容

本设计是针对MCS—51型AT89C51系列单片机在采样、比较和控制方面的应用。

本课题研究的主要内容是：

（1）温度检测过程

该环节使用铂电阻Pt100为测温元件，Pt100具有性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高等优点，可以实现较为准确的测温。

（2）数据的采集和转换过程

数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理，采用ADC0804实现由模拟量到数字量的转换。

（3）温度控制过程

采用中断的方式，当A/D转换结束，发出中断请求，单片机响应请求，驱动继电器动作，进行加热或冷却的处理。

（4）显示过程

采用两位的LED数码管实现对现场温度的显示。

（5）串行通信过程

基于RS-485串口通信协议，实现远距离通信。

2温度采集控制系统硬件设计

温度采集及串口通讯是一个综合性系统。

在本设计中以AT89C51单片机为CPU控制单元的核心，同时还包括了数据采集、数据存储、数据通信、LED显示等多个功能单元。

2.1温度传感器选择

传感器是测控系统前向通道的关键部件，它也称换能器和变换器，一般是指非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电量（如压力、温度等）转换成与之对应的电量或电参量（如电流、电压、电阻等）输出的一种装置。

2.1.1热电阻

热电阻是利用导体的电阻率随温度变化这一物理现象来测量温度的。

几乎所有的物质都具有这一特性，但作为测温用的热电阻应该具有以下特性：

　　（１）电阻值与温度变化有良好的线性关系；

（２）电阻温度系数大，便于精确测量；

（３）电阻率高，热容量小，反应速度快；

（４）在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质；

（５）材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。

根据以上特性，常用的材料是铂和铜。

铂易于提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，因此用铂电阻作为实现温标的基准器。

2.1.2铂电阻Pt100

电阻式温度传感器（RTD,ResistanceTemperatureDetector）是一种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。

大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,其中以白金（Pt）做成的电阻式温度传感器,最为稳定，耐酸碱、不会变质、相当线性...,被工业界采用。

Pt100温度传感器是一种以白金（Pt）做成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数,在0～630.750℃温度范围内，Pt100的温度-电阻特性：

Rt=R0（1+at+bt

）

式中：

a=3.96847X10-3/℃；b=-5.847X10-7/℃；

Rt为在温度T下的电阻值；R0为在0℃时的电阻值。

基于以上的分析，故该设计采用性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高的Pt100铂电阻，来实现对工业现场测点较为准确的测温。

2.2信号调理电路

所谓信号调理就是将传感器（或变速器）所输出的电信号进行放大、隔离、滤波等，以便数据采集模块实现对数据的采集。

其中传感器是将被测量（通常为非电量）转换成电信号的信号转换元件，然而由于传感器的电气特性，其产生的电信号一般不可能直接接入至PC，必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠的采集。

一般而言，信号调理是基于PC机的通用数据采集系统不可或缺的组成部分。

2.2.1隔离电路

隔离是指使用光电耦合器或变压器等方法，在测试系统和被测试系统之间传递信号，以避免直接的电或物理连接。

因为被测量常有瞬变或冲击现象，甚至足以损坏计算机和数据采集板，将传感器信号同计算机隔离起来，使系统安全得到了保证。

另外，通过隔离可以确保ADC卡的读数不致受到“地”电位或共态电压差异的影响。

ADC卡每次采集输入信号时，都是以“地”为基准的，如果两“地”之间存在电位差，就可能导致“地”环路的产生，从而造成所采集的信号再现不准确。

如果这一电位差太大，则可能危机到数据采集系统的安全，利用隔离技术就可以消除“地”环路并保证准确的采集信号。

2.2.2放大电路

最常用的信号调理形式是放大，即将输入微弱的电信号放大至与多功能ADC卡的量程相当的程度，以获得尽可能高的分辨率。

信号调理电路首先应将输入的微弱电流信号通过一个精密电阻，使之转换为电压信号，在对该电压信号进行调理和数字化。

另外，信号调理模块应尽可能靠近信号源、传感器或变送器，这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大，使信噪比得到改善。

图2-1信号调理电路

本设计的信号调理电路如图2-1所示，它采用Pt100铂电阻作为工业现场温度测试点的传感器，将温度的变化转换为自身电阻值的变化，但该信号很小，为毫伏级，这里采用了一个电压跟随器，它的作用就是对信号进行隔离，改变输入输出电阻值，使阻抗匹配。

它有效的提高了输入电阻值，降低了对输入的微小信号量的要求；同时它使输出电阻值减小，提高了电路的带负载能力。

输出的采样信号的电压值为毫伏级，而ADC0804的电压值为伏特级，为了在量化时能准确的将采样值量化，需要加放大电路，这里采用了两级运算放大电路，LM741为比例运放，靠调节滑动变阻器来改变运放的放大倍数，以确保输入信号经量化后得到准确的采样值，来进行后续的处理工作。

2.3数据采集接口

数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理。

它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数（A/D）转换，将连续的模拟信号量化。

无论A/D转换器的速度多快，A/D转换总需要时间。

由此产生两个问题，第一，在A/D转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。

为减小误差，需要保持信号不变。

第二，A/D转换器输出的数字量只能表明采样时刻的信号值，通过采样使输入的连续信号变成离散信号。

2.3.1数据的采样与保持

在A/D转换过程中应该保持输入信号不变。

采样/保持器（S/H）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定的时间内保持不变。

采样/保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。

在采样方式下，采样/保持器的输出必须跟踪模拟电压；在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销为止。

图2-2是采样/保持器的电路原理图。

图中A1为高输入阻抗的场效应管组成的放大器，A2为输出缓冲器，开关K是工作方式控制开关。

当开关K闭合时，输入信号Vin经放大器A1向电容充电，在此时为采样工作方式；当开关K断开时为保持方式，由于运算放大器的输入阻抗很高，因此在理想情况下，电容器保持充电的最终值。

图（a）

图（b）

图2-2采样/保持器电路

2.3.2A/D转换

所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（AnalogtoDigitalConverter简称ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。

信号的输入端可以是传感器（Sensor）或转换器（Transducer）的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛的应用。

该设计使用到ADC0804芯片，它是美国国家半导体器件公司生产的中速廉价8位CMOS逐次逼近型A/D转换器。

它具有包括三态输出缓冲器的完整接口电路,可以直接与8位微处理器连接,在众多8位并行输出ADC中输出特性具有相当的代表性。

工作状态：

当

和

同时变低时，则转换器启动，当

为0，表示转换结束。

当要读数据时，

和

都变低，三态输出锁存器使能提供8位数字输出。

连续转换：

当A/D以自激模式工作时，将

输入接地，

输入与

输出相连，

和

节点在电源接通以后，有一瞬间被置成低电平以保证正常工作。

ADC0804芯片的引脚结构如图2-3所示：

图2-3ADC0804引脚结构

ADC0804各管脚功能：

1）

：

芯片选择信号。

2）

：

外部读取转换结果的控制脚输出信号。

为HI时，DB0~DB7处于高阻抗；

为LO时，数字数据才会输出。

3）

：

用来启动转换的控制输入,相当于ADC的转换开始（CS=0）。

当

由HI变为LO时，转换器被清除；当

回到HI时，转换正式开始。

4）CLKIN,CLKR：

时钟输入或接振荡元件（R,C），频率约限制在100KHZ~1460KHZ,如果使用RC电路则其振荡频率为1/（1.1RC）。

5）

：

终断请求信号输出，低电平动作。

6）VIN（+）、VIN（-）：

差动模拟电压输入。

输入单端正电压时，VIN（-）接地；而差动输入时，直接加入VIN（+）、VIN（-）。

7）AGND,DGND：

模拟信号及数字信号的接地。

8）VREF：

辅助参考电压。

9）DB0~DB7：

8位的数字输出。

10）VCC：

电源供电以及作为电路的参考电压。

ADC0804采用+5V单电源供电，数字输入和输出满足MOS和TTL电平规范；转换时间100us，工作时钟可外接，也可由芯片本身产生。

A/D的时钟可以从CLKIN输入，典型值为64KHZ，或者外接RC网络构成自己的时钟（在CLKR和CLKIN之间接10K电阻，在CLKIN和地之间接150pF电容）。

功能说明：

1ADC0804将输入模拟值转换成数字值输出到P1，使相对应的LED亮。

如输入3V，ADC0804的输出应为96H=10010110B，此数字信号送入AT89C51的P0，再由P0存入AT89C51的累加器，然后累加器再送至P1，使相对应的LED亮。

2先将ADC0804的参考电压调整为2.56V。

3从ADC0804的VIN接一个可变电阻器，由0V调到5V，根据其关系观察P1的LED变化情形。

2.4CPU控制单元

在温度采集和控制过程中，单片机是该系统的核心部件。

它一方面要接收来自温度传感器的模拟信号，一方面要对这个信号进行处理、标度变换和显示，另一方面要响应串行通信中的呼叫请求。

在单片机所实现的这些功能中，特别是数据采样和保持部分，需要单片机有比较快的运算速度，同时考虑选择机型的低价实用性和低功耗、低电压等性能，本设计采用Atmel公司的AT89C51芯片。

2.4.1AT89C51芯片

AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。

片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。

1）主要性能：

●4KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除）。

●全静态工作：

0Hz～24MHz。

●3级程序存储器保密。

●128×8字节内部RAM。

●32条可编程I/O线。

●2个16位定时器/计数器。

●6个中断源。

●可编程串行通道。

●片内时钟振荡器。

2）引脚功能说明：

图2-4是AT89C51的引脚结构图，双列直插封装（DIP）方式封装。

下面分别叙述这些引脚的功能。

（1）主电源引脚

Vcc：

电源端。

GND：

接地端。

（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

①XTAL1：

接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

②XTAL2：

接外部晶体的另一个引脚。

在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。

（3）控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/

，

/Vpp

①RST：

复位输入端。

当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

②ALE/

：

当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（

）。

如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。

该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。

另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。

③

：

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（或常数）时，每个机器周期两次

有效（即输出2个脉冲）。

但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

④

/Vpp：

外部访问允许端。

要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则

端必须保持低电平（接到GND端）。

然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存

端的状态。

当

端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。

在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。

（4）输入/输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7和P3.0～P3.7。

①P0端口（P0.0～P0.7）：

P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。

在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。

在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

②P1端口（P1.0～P1.7）：

P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。

在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。

③P2端口（P2.0～P2.7）：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时，P2送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

在对Flash编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

④P3端口（P3.0～P3.7）：

P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。

在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。

复用功能如表2-1所列。

表2-1P3各端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

2.4.2单片机的时钟电路

MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。

单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。

MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。

（1）内部时钟方式

利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。

最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激振荡器，如图2-5所示。

晶振可在1.2~12MHz之间选择。

MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体振荡器，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。

对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。

C1和C2可在20～100pF之间取值，一般取30pF左右。

（2）外部时钟方式

在由单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的使用外部振荡脉冲作为各单片机的时钟。

外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接引入XTAL1或XTAL2。

由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。

HMOS型单片机由XTAL2进

入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图2-6所示。

由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上拉电阻。

CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图2-7所示。

图2-7CHMOS型单片机的外部时钟方式

图2-6HMOS型单片机的外部时钟方式

图2-5使用片内振荡电路的时钟电路

2.4.3复位电路和复位状态

MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。

MCS-51单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位。

（1）复位电路

MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位键两种方式。

最简单的复位电路如图2-8所示。

图2-8简单的复位电路

上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。

在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。

如果这些芯片复位端的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连。

（2）复位状态

复位电路的作用是使单片机执行复位操作。

复位操作主要是把PC初始化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。

程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。

留出的0000H～0002H3个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。

P0、P1、P2、P3共有4个8位并行I/O口，它们引线为：

P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7、P3.0～P3.7，共32条引线。

这32条引线可以全部用做I/O线，也可将其中部分用做单片机的片外总线