10300196 王昆 10300107田兵.docx
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10300196王昆10300107田兵
电子系统课程设计
（二）
系（院）物理与电子工程学院专业电子信息工程
设计题目基于单片机的温度采集系统及串口通信
学生姓名王昆田兵
指导教师童强常峰
班级2010级电信2班
学号10300196
完成日期：
2013年5月
[摘要]本次电子系统设计的电路是基于单片机（STC89C52）的简易温度采集与控制系统加入串口通信和无线模块。
实现了温度数据的采集、无线传输与串口通信、上位机实时显示。
此次设计主要由微控制器、温度采集、串口通信、无线模块、LCD显示和上位机显示等几部分组成，上位机采用Labview实现温度的实时显示，实现了人机交互的友好界面，下位机采用了AD590作为温度传感器采集的温度值，经ADC0809处理后传输给MCU，加入无线模块实现了远距离无线传输数据并且通过串口通信上传给上位机，供上位机显示。
[关键词]STC89C52RCAD590ADC0809LCD1602温度采集串口通信无线模块（nrf905）
[abstract]Wedesignedthecircuitisbasedonasimpletemperatureacquisitionandcontrolsystemtojointhelastserialcommunicationandwirelessmodule.HasrealizedthecollectionofdatathroughtheserialportcommunicationtoPC,PCdisplay.Thisdesignismainlycomposedofmicrocontroller,temperatureacquisition,serialcommunication,wirelessmodule,LCDdisplayandtheuppermachineofafewparts,suchasPCusingLabviewtorealizethereal-timedisplayoftemperature,achievethefriendlyhuman-computerinteractioninterface,themachineadoptedAD590astemperaturesensortocollecttemperature,byADC0809losttoMCU,andthenaddremotewirelessmodulerealizesthewirelesstransmissiondataandthroughaserialportcommunicationtoPC,PCdisplay.
[keywords]STC89C52RCAD590ADC08091602temperaturemeasurementandcontrolofwirelessserialcommunicationmodule（nrf905）
目录
1任务提出与方案论证1
1.1任务提出1
1.2方案选择1
1.3设计任务1
1.4设计要求1
1.5系统电路转换框架2
2总体设计3
2.1系统总框架3
2.2电路原理分析3
2.3系统硬件电路3
2.3.1温度传感器AD5904
2.3.2模数转换器ADC08094
2.3.3单片机STC89C52核心控制部分5
3具体详细设计7
3.1电源部分7
3.2变送器7
3.3模数转换电路9
4作品制作及功能调试情况11
4.1作品的焊接11
4.2作品功能调试步骤11
5总结与心得12
[参考文献]13
[附录]13
1任务提出与方案论证
1.1任务提出
近年来，单片微型计算机以其强大的生命力飞速发展，在工业控制、智能仪器仪表、智能化设备和家用电器等领域得到了广泛的应用，因而引起了各行各业的极大关注，有着广阔的发展前景。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。
而在单片机的一个重要的领域，就有一种基于单片机的温度控制系统。
随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，测量的范围也越来越广，对温度的控制技术的要求也进一步加强。
因此，温度的采集与控制技术研究也是一个重要的研究课题。
本次设计的目的就是以温度传感器AD590作为前端,采集温度经过单片机处理后,通过LCD1602液晶显示器将温度显示出来,且采用串口通信,把温度显示在LabVIEW边界的PC机界面上,实现与PC机的通信。
新型数字化、网络化传感器在工程中的应用具有极其重要的意义,这类传感器是各种参量送入计算机系统,进行智能监测、控制的最前端。
随着科技的发展数字化、网络化传感器应用日益广泛以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流
1.2设计方案
该系统主要由数据采集数据传输两部分电路组成实现的方法有很多种下面将列出两种在日常生活中和工农业生产中常用到的实现方案。
1.2.1方案一
采用热电偶温差电路测量温度温度检测部分可以使用低温热偶热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。
通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压便可推断出检测结点的温度。
数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机在将随被测温度变化的电压或电流采集过来进行A/D转换后就可以用单片机进行数据的处理在显示电路上就可以将被测温度显示出来。
热电偶的优点是工作温度范围非常宽且体积小但是它们也存在着输出电压小容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点并且这种设计需要用到A/D转换电路感温电路比较麻烦。
1.2.2方案二
采用温度芯片AD590测量温度，输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。
AD590的优点有具有体积小、反应快、稳定性好、测量精度高等。
采用了单总线的数据传输，由温度传感器AD590和微控制器AT89S52构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号可直接与计算机连接。
这样测控温系统的结构就比较简单，体积也不大。
采用52单片机控制软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，且体积小，硬件实现简单，安装方便。
1.3方案比较论证
从以上两种方案很容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小但是线性误差较大，外围电路复杂。
而方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采用方案二。
本系统利用AT89S52芯片控制温度传感器AD590进行实时温度检测并显示,能够实现快速测量环境温度,获得的温度可以通过MAX232芯片与PC机的RS-232接口进行串口通信,方便采集和整理温度数据。
1.4单片机选择
在整个电路中，温度的测量和控制中，AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读储存器的单片机。
单片机的可擦除只读储存器可以反复擦除1000次。
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。
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。
包含4k字节Flash闪速存储器，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。
此外，价格非常低廉，则选用51单片机。
1.5设计任务
a．利用STC89C52和ADC0809等元件完成稳压电源，转换电路，模数转换及数液晶显示电路，且通过串口通信上传给上位机的设计，最后实现供上位机显示。
b．用软件画出电路原理图。
c．按电路原理图合理设计电路板并焊接做出实物。
1.6设计要求
在网上，书本上查找资料，自行设计电路，设计出电路原理图，明白设计原理，用软件画出电路原理图，在电路板上安装，完成焊接并调试电路及检查电路中是否存在虚焊，最终应达到设计任务要求。
撰写课程设计报告，按课程设计报告的格式要求完成总结报告。
1.7系统电路转换框架
其中温度的检测经AD590的转换，变成热信号，再经放大传入ADC0809的模数转换，变成数字信号，从而在液晶显示屏上显示。
其流程图框架如图1.5。
图1.5流程框架图
2总体设计
2.1系统总框架
系统主要由电源、微控制器、温度采集、无线模块、串口通信、LCD显示和上位机显示等组成。
本系统进行了如下结构设计：
系统组成框图3.1所示。
图3.1系统组成框图
数据采集流程为：
单片机AT89S52获取温度传感器AD590采集的温度值，经处理后传输给LCD1602现实，并且通过串口通信上传给上位机，供上位机显示。
2.2电路原理分析
温度测控系统设计以STC89C52单片机作为其主控制芯片，可以完成A/D转换，数据处理，液晶显示等功能。
对构成系统的各相关模块的技术和功能进行论述，全面地分析了系统的工作原理以及注意事项。
系统中增加了温度采集测量电路，提高了测量的精度和保持了温度的线性。
设计中的温度控制策略采用PID控制，大大地提高了系统的控制精度，很好地达到了设计要求。
2.3系统硬件电路
硬件电路设计是设计整个温度测控系统，本章主要进行硬件系统的设计和实现，主要包括温度数据采集电路，单片机部分以及其它电路的设计，其中其它电路包括电源、变送器、单片机系统、模/数、数/模电路、人机交互电路、串口通信的设计。
2.3.1温度传感器AD590
温度传感器的非线性是影响测温精度的主要因素之一，模拟式测温仪表如增大量使用的XCZ动圈仪表，就因非线性难以得到校正而影响了精度。
采用单片机进行测温时，必须首先了解温度传感器的工作原理及特性，才能发挥单片机的优势，用软件的方法对非线性进行补充。
根据设计要求和上网查资料，我采用了AD590作为本设计的温度传感器。
下面是对AD590性能的简单介绍：
1）、线性电流输出：
1uA/K,正比于热力学温度。
2）、测宽温度范围：
-55····+150℃。
3）3）、精度高：
激光校准精度到℃5.0±。
4）4）、线性好：
满量程范围℃3.0±。
5）5）、电源范围宽:
+4····+30℃。
6）6）、温度每增加1℃，它会增加1uA输出电流。
其输出电流时以绝对零度（-273℃）为基准，每增加1uA输出电流，，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=273+25=298uA。
基本电路图为图2.3。
图2.3传感器原理图
2.3.2模数转换器ADC0809
A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。
AD转换器主要技术指标：
a．分辨率
A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，换精度越高。
例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模≈1.22mV。
b．相对精度
在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。
相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。
c．转换速度
转换速度是指完成一次转换所需的时间。
转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。
2.3.3单片机STC89C52核心控制部分
单片机是我们整个控制的主要核心，用于对信号的处理、控制。
当温度信号通过模数转换器转换成数字信号送入单片机之后，由程序进行对信号的处理、显示和控制。
当温度超过要求的温度范围时我们利用控制器进行降温或者升温已达到我们需要的温限和精度。
现在我们使用的单片机一般都是由cpu、存储器、I/O接口和一些实时性控制器件构成的内嵌系统。
实时控制器件包含的内容十分广泛，可以包括定时器/计数器、中断控制、看门狗、DMA、串行口、传感器等。
下面是单片机的两个主要的部分：
a、晶振电路单片机的定时控制功能是有片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种：
内部时钟方式和外部时钟方式。
我采用的是内部时钟方式，如下图。
片内高增益反向放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体与电容组成并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。
振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在1.2~12MHz之间任选；电容C1、C2的值则有微调作用，通常选取30pF左右。
其电路图为图2.4。
图2.4晶振电路
b、51单片机的复位方式主要有：
电复位和按钮复位。
所谓上电复位是指计算机加电瞬间，要在RST引脚上出现大于10ms的正脉冲，是单片机进入复位状态。
按钮复位是指用户按下“复位”按钮，是单片机进入复位状态。
如上图采用的是上电复位，即+5V电源立即对单片机芯片供电，同时经R对最右边的电容c充电。
C3上电压建立的过程就产生一定宽度负脉冲，经反相后，RST上出现正脉冲，使单片机实现了上电复位。
其单片机最小系统为图2.5。
图2.5单片机最小系统
2.3.4RS_232串口通信标准
串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。
这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。
RS_232C是美国电子工业协会（EIA）制定的异步串行通信中应用最广的标准总线。
该标准适用于数据传输速率在0~20Kbps范围内的通信，已成为数据终端设备DTE与计算机和数据通信设备DCE的接口标准，是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
其工作电平规定如下：
对于数据（逻辑“1”的电平低于-3V；逻辑“0”的电平高于+3V）。
对于控制信号（“信号有效”的电平高于+3V，“信号无效”的电平低于-3V）。
在实际工作中应保证电平在±（3～15）V。
其串行口的9根针脚功能有其固定的定义。
该设计中，只要用RXD和TXD两条数据线即可。
其串口通信程序框图如图2.6:
图2.6串口通信程序框图
2.3.5LCD1602显示模块
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。
目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示期间，LCD1602液晶显示模块可以显示两行，每行16个字符，其字符发生器ROM中自带数字和英文字母及一些特殊符号的字符库，没有汉字。
利用LCD1602可以建立8个6×8点阵自定义字库的特点。
它用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。
LCD1602的驱动方式有并口驱动和串口驱动两种，并口驱动须占用单片机大量宝贵的I/O接口；而串口驱动须在单片机的UART接口空闲的基础上。
其主要功能如下：
40通道点阵LCD驱动、可选择当作行驱动或列驱动、输入/输出信号：
输出能产生20×2个LCD驱动波形；输入接受控制器送出的串行数据和控制信号，偏压（V1∽V6）、通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。
2.3.6无线模块
无线模块（RFwirelessmodule）是利用无线技术进行无线传输的一种模块。
它被广泛地应用于电脑无线网络，无线通讯，无线控制等领域。
无线模块主要由发射器，接收器和控制器组成。
其功能特点有传输距离远、多信道，多速率、低功耗、高可靠性，体积小、重量轻等。
无线数据传输方式相比于有线通讯的缺点：
可靠性有待改进、受环境影响较大。
在本次设计中无线模块运用在利用单片机控制发射器，把显示出来的数据发送出去，另一端又利用单片机控制无线接收器接收数据，再在液晶显示屏上显示出来。
3具体详细设计
3.1电源部分
电源部分采用直流稳压电路，其特点是功耗小，效率高，发热量小。
其电路图为图3.1。
图3.1电源模块
3.2变送器
因为感温元件品种繁多，其信号输出类型也多。
为了便于自动化检测，所以对各种温度传感器的信号输出做了统一的规定，也就是为统一的4～20mA信号。
为了使各种温度传感器的输出能统一为4~20MA的信号，所以用了温度变送器。
利用温度变送器来使输入的各种电阻和电势信号，变成了统一的4~20MA的电流信号，这就是温度变送器的由来。
温度变送器完成测量信号的采集后转化成统一的4~20MA电流信号输出。
同时还起隔离作用。
1、基本要求测量温度0—100度，电压0—5伏，测量误差1%。
2、传感器采用AD590其规格介绍如下：
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。
功能介绍：
a．恒压补偿原理变送器电路为图3.2.
图3.2恒压补偿原理变送器电路
基于温度传感器AD592设计一个恒流补偿原理变送器电路，通过传感器接受温度信号，输出273-373uA的电流，从而得到0-100uA的电流，再通过电阻R4和滑动变阻器胡调节，得到0-5V的电压，后面两个二极管起到保护电路的作用。
b．其AD592的恒流补偿电路
由图可知随温度的升高，电流i和电压Vi也随之升高。
c.运算放大器电流→电压转换电路
当R=50K时，电压V0与电流i0的关系式为：
V0=RXi0。
由此可知电压V0随电流i0增加而增加。
3.3模数转换电路
数转换（ADC）亦称模拟一数字转换，与数/模（D/A）转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。
例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。
通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。
在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。
例如：
图像的数字化等。
其电路图如图3.3.
图3.3模数转换电路
模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。
在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fS=2.5fmax。
通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。
要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。
量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。
假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。
编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。
这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。
3.4上位机设计
上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。
为方便进行远程控制可将采集到的温度数据通过RS_232口传输到控制中心的电脑上，以便实时监测。
采用LabVIEW作为开发平台，可高效快速地完成软件的开发设计。
4作品制作及功能调试情况
4.1作品的焊接
a.焊接前先清点各元器件清单，检查是否有缺损现象；
b.上网查找元件引脚资料并记录，为焊接做好准备；
c.按照电路原理图进行实物焊接；
d.焊接时每焊接一个元器件后用万用表检查是否导通，避免虚焊以及元件损坏的情况。
4.2作品功能调试步骤
电路板做好后即可进行调试步骤如下：
a．观察电路有无断点或可疑点;
b．用万用表测试所有线路是否导通，确保都是正常电路；
c．在确保电路全连接正确的情况下，按设计的方案验证实现的功能。
4.3作品功能显示
5总结与心得
本设计经过自己和同学的努力和老师的悉心教导，基本功能都能完成，通过控制AD590这端的温度，液晶上的数值也会随着变化，且PC端的数据也随之变化，本次我们还加入了无线模块的功能。
基于单片机的温度控制系统的设计具有功能强、成本低、元件少、可靠性好、抗干扰性强、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点。
另外对于数据量要求不大和工作环境比较恶劣的数据存储也具有良好参考价值和推广前景。
通过这次设计，我们懂得了怎么使用ADC0809以及温度采集模块、无线模块的设计。
[参考文献]
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M]高等教育出版2009.12
[2]阎石著.数字电子技术基础（第五版）[M]高等教育出版社2009.12
[3]邓兴成.单片机原理与实验指导[M]机械工业出版社2009.06
[4]谭浩强.C程序设计（第四版）［M].北京：
清华大学出版社
[5]王生春.电路原理［M].重庆：
重庆大学出版社
[附录]
各模块源程序
1.1温度采集模块源程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#include
bitFlag;
unsignedintReData,SenData;
unsignedintvol[8];
sbitlcden=P3^6;
sbitlcdrs=P3^4;
sbitlcdrw=P3^5;
sbitrs=P3^7;
sbiteoc=P3^2;
sbitale=P2^3;
sbitst=P2^4;
sbitoe=P2^5;
sbitd=P2^6;
sbita=P2^0;
sbitb=P2^1;
sbitc=P2^2;
unsignedchari;
longintdianya=0;
charv=0;
uintnum;
ucharcodetable[]="WangKun";
ucharcodetable1[]="temputerT:
";
voidwrite_com（ucharcom）;
voidwrite_data（uchardate）;
voiddelay（uintz）
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
uintread_data（）//AD转换
{
st=0;//开始AD转换
st=1;
st=0;
while（eoc==0）;//等待转换结果
oe=1;//允许数据输出
dianya=P1;
//数据读取
v=P1;
dianya=（1000*dianya）/255;//数据转换对应0到100摄氏度
if（dianya>=200&&dianya<300）
a=1;
elsea=0;
if（dianya>=300&&dianya<400）
b=1;
elseb=0;
if（dianya>=400）
d=0;
elsed=1;
oe=0;//关闭数据读取
returndianya;/
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