1、畢 業(yè) 設(shè) 計 設(shè)計題目 溫度監(jiān)測顯示系統(tǒng)設(shè)計 系 部 信息工程系 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 電子0601 學(xué) 號 063001020001 姓 名 宋 天 詩 指導(dǎo)老師 王珊珊 溫度檢測顯示系統(tǒng)一、設(shè)計要求1.以傳感器，單片機(jī)，數(shù)碼管等元器件，設(shè)計一個溫度檢測系統(tǒng)，并通過顯示器件，顯示出溫度數(shù)據(jù)。2.熟練應(yīng)用protel99，運(yùn)用protel99設(shè)計溫度檢測顯示系統(tǒng)。3.理解溫度檢測系統(tǒng)的原理。2、 總體概要設(shè)計本系統(tǒng)是以溫度傳感器、數(shù)碼管和單片機(jī)為核心元器件建立起來的溫度檢測顯示系統(tǒng)。通過對單片機(jī)和傳感器的研究，通過A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，使本系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度信號到模擬信號再到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

2、。設(shè)計中還使用了譯碼器74LS47、數(shù)碼管、穩(wěn)壓管等元器件。圖1 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計主要包含溫度檢測和顯示電路兩個部分。 1.溫度檢測部分 主要由溫度傳感器、運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器三部分組成。 溫度傳感器LM134產(chǎn)生的輸入信號由運(yùn)算放大器ICL7650后，A/D轉(zhuǎn)換器MC14433將運(yùn)算放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入80C51單片機(jī)，由于MC14433 的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的BCD碼，Q0Q3和 DS1DS4 都不是總線式的。因此，MCS-51 單片機(jī)只能通過并行I/O 接口或擴(kuò)展I/O 接口與其相連。溫度信號檢測通道的總增益是由溫度傳感器、運(yùn)放和A/D轉(zhuǎn)換器三個環(huán)節(jié)的

3、增益做決定。在本設(shè)計中，前兩個環(huán)節(jié)的增益是固定的，只用電位器作為整個輸入通道的增益環(huán)節(jié)。這樣有利于整個設(shè)計的調(diào)試。 2.顯示電路 本設(shè)計采用動態(tài)掃描輸入法，由單片機(jī)8051輸出數(shù)碼管段選信號，經(jīng)譯碼器驅(qū)動器芯片74LS47驅(qū)動后數(shù)碼管發(fā)光顯示。三、各單元模塊設(shè)計與分析1 溫度傳感器 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 LM134是一種新型的硅集成溫度傳感器,它不同于一般諸如熱敏電阻、溫差電偶以及半導(dǎo)體PN結(jié)等傳統(tǒng)的溫度傳

4、感器。它是根據(jù)下述原理設(shè)計而成的,即工作在不同電流密度下的兩只相同晶體管,其基、射結(jié)的結(jié)電壓之差V_(be)與絕對溫度T嚴(yán)格成正比。因而該器件的突出優(yōu)點(diǎn)是在整個工作溫區(qū)范圍內(nèi)(-55+125)輸出電流幾乎與被測溫度成線性關(guān)系,這樣,就可省去非線性校正網(wǎng)絡(luò),使用簡便。此外,它還具有下列特點(diǎn):(1) 起始電壓低(低于1.5V),而器件耐壓較高,因而電源電壓適用范圍寬(在340V之間)。(2) 靈敏度高(1A/K),輸出信號幅度大。一般情況下,不必加中間放大就可直接驅(qū)動檢測系統(tǒng),例如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器5G14433或ICL7106等。從而消除了中間環(huán)節(jié)所引入的誤差,提高測溫精度。(3)輸出阻抗高,

5、一般大于10M。所以它相當(dāng)于一個受溫度控制的恒流源,有較強(qiáng)的抗干擾能力,特別適用于長距離測溫和控溫場合。由于它的恒流特性,能消除電源電壓波動和交流紋波對器件工乍的影響,從而降低了對電源精度的要求。其輸入電流由下式計算： 式中，為流進(jìn)LM134腳的電流值；T為熱力學(xué)溫度；為傳感器外接電阻值。圖2 溫度檢測部分溫度信號的增益即-T曲線的斜率取決于/的比值。增益可在上進(jìn)行也可在上進(jìn)行。用以起點(diǎn)補(bǔ)償電壓的調(diào)整，其輸出電壓等于起點(diǎn)溫度的信號電壓。補(bǔ)償電壓要求很穩(wěn)，否則會增大顯示誤差，故采用有溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓管2DW233供電。2. 運(yùn)算放大器ICL7650圖3 ICL7650 運(yùn)算放大器采用載波穩(wěn)零運(yùn)算放

6、大器ICL7650。ICL7650又稱調(diào)制式放大器，其輸入失調(diào)電壓為1uV,溫漂為0.01uV/°C，開環(huán)增益不小于120dB，共模抑制比不小于120dB。ICL7650所需外接元件少，使用方便。 ICL7650對輸入信號電壓和作差動放大。本設(shè)計中，為補(bǔ)償電壓，為傳感器的溫度信號電壓。 為了抑制共模信號，使/=/,此時運(yùn)放的輸出電壓=這時運(yùn)放輸出電壓與共模信號無關(guān)，只與補(bǔ)償電壓和溫度信號電壓之差成正比。 為了使后面的A/D轉(zhuǎn)換器得到合適的輸入模擬電壓，本設(shè)計選取,，故運(yùn)算放大器ICL7650的差模增益=。3、 A/D轉(zhuǎn)換器MC14433 圖4 MC14433(1) 本系統(tǒng)選用了雙積分

7、A/D 轉(zhuǎn)換器MC14433，它精度高，分辨率達(dá)1/1999。MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以A/D 轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。 (2)MC14433A/D轉(zhuǎn)換器件簡介 MC14433 是三位半雙積分型的A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約110 次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。 MC14433采用掃描的方法，輸出從0000-1999共2000個數(shù)碼。若系統(tǒng)工作范圍為0°C- +100°C，則A/D轉(zhuǎn)換速

8、率約為0.05°C/bit。(3)引腳（圖4）功能說明:圖4 MC14433引腳圖各引腳的功能如下：電源及共地端VDD：主工作電源+5V。VEE: 模擬部分的負(fù)電源端，接-5V。VAG：模擬地端。VSS：數(shù)字地端。VR：基準(zhǔn)電壓。外界電阻及電容端RI：積分電阻輸入端，VX=2V時，R1=470；VX=200Mv時，R1=27K。 C1：積分電容輸入端。C1 一般為0.1F。C01、C02：外界補(bǔ)償電容端，電容取值約0.1F。R1/C1：R1 與C1的公共端。CLKI、CLKO ：外界振蕩器時鐘調(diào)節(jié)電阻Rc，Rc一般取470 K左右。轉(zhuǎn)換啟動/結(jié)束信號端EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正脈

9、沖有效。DU：啟動新的轉(zhuǎn)換，若DU與EOC相連，每當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動啟動新的轉(zhuǎn)換。位選通控制線DS4-DS1：選擇個、十、百、千位，正脈沖有效。DS1 對應(yīng)千位，DS4 對應(yīng)個位。每個選通脈沖寬度為18 個時鐘周期，兩個相應(yīng)脈沖之間間隔為2個時鐘周期。BCD碼輸出線Q0-Q3：BCD 碼輸出線。其中Q0 為最低位，Q3 為最高位。當(dāng)DS2、DS3 和DS4 選通期間，輸出三位完整的BCD 碼數(shù)，但在DS1 選通期間，輸出端Q0-Q3 除了表示個位的0 或1 外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過量程。下圖為DS1選通時Q3Q0表示的結(jié)果 表1 如果輸入模擬信號電壓的極性是單方向的，則

10、應(yīng)使MC14433工作在負(fù)極性輸入下，以增大積分電壓的變化頻率，提高比較器的分辨率和精度。為此，本設(shè)計的運(yùn)放ICL7650輸出的模擬信號電壓，在正常情況下始終是負(fù)極性的。在模擬信號為某一定值時，調(diào)節(jié)可改變下降沿的斜率，從而改變MC14433輸出的數(shù)字量，所以是A/D轉(zhuǎn)換器的增益調(diào)節(jié)。4.MC1403 MC1403是低壓基準(zhǔn)芯片。一般用作812bit的A/D基準(zhǔn)電壓等一些需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場合。 輸出電壓: 2.5 V /- 25 mV 輸入電壓范圍: 4.5 V to 40 V 輸出電流: 10 MA因為輸出是固定的，所以電路很簡單。就是Vin接電源輸入，GND接底，Vout加一個0.1

11、uf1uf的電容就可以了。 Vout一般用作812bit的D/A芯片的基準(zhǔn)電壓。MC1403是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度、低溫漂、采用激光修正的帶隙基準(zhǔn)電壓源，型號為5G1403和CH1403。UI4.5V15V，UO2.500V（典型值），T可達(dá)10×106/。為了配8P插座，還專門設(shè)置了5個空腳。其輸出電壓UOUg0(R3R4)/R41.205×2.082.5V。MC1403的輸入-輸出特性輸入電壓UIV 10 9 8 7 6 5 4.5輸出電壓UOV 2.5028 2.5028 2.5028 圖5 MC1403 2.5028 2.5028 2.5028 2.502

12、7當(dāng)UI從10V降至4.5V時，UO只變化0.0001V，變化率僅為0.0018。5. 單片機(jī)8051為了設(shè)計此系統(tǒng)，我們采用了80C51 單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功率放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，再送入計算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。(1)80C51的單片機(jī)結(jié)構(gòu)80C51 是有8 個部件組成，即CPU，時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口（P0P3）串行口，定時計數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計算機(jī)，80C51就是MCS-51系列單片機(jī)中的一種。C

13、PU中央處理器：中央處理器是80C51 的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號，把數(shù)據(jù)從存儲器或輸入口送到CPU 或CPU數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和算術(shù)的運(yùn)算。時鐘電路：80C51內(nèi)部有一個頻率最大為12MHZ的時鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調(diào)電容。內(nèi)存：內(nèi)部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，但在80C51中無片內(nèi)程序存儲器。定時/計數(shù)器：80C51 有兩個16 位的定時/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設(shè)置成定時的方式和計數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數(shù)結(jié)果對計算機(jī)進(jìn)行控制。并行I/O口：MCS-51有四個8位的并行I/O口，

14、P0，P1，P2，P3，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。串行口：它有一個全雙工的串行口，它可以實現(xiàn)計算機(jī)間或單片機(jī)同其它外設(shè)之間的通信，該并行口功能較強(qiáng)，可以做為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移位器用。中斷控制系統(tǒng)：80C51 有五個中斷源，既外部中斷兩個，定時計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個，全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。(2)80C51的引腳圖 圖7圖6 80C51引腳圖80C51的制作工藝為HMOS，采用40管腳雙列直插DIP封裝，引腳說明如下：VCC（40引腳）正常運(yùn)行時提供電源。VSS（20引腳）接地。XTAL1（19 引腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)的震

15、蕩器，可以提供單片機(jī)的時鐘信號，該引腳也是可以接外部的晶振的一個引腳，如采用外部振蕩器時，對于80C51而言此引腳應(yīng)該接地。XTAL2（18 引腳）在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當(dāng)采用外部振蕩器時，對MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內(nèi)部時鐘的輸入端。RST/VPD（9引腳） 在振蕩器運(yùn)行時，在此引腳加上兩個機(jī)器周期的電平將單片機(jī)復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平保持不高于0.5V的低電平以保證80C51正常工作。在掉電時，此引腳接備用電源VDD，以保持RAM 數(shù)據(jù)不丟失，當(dāng)BVCC 低于規(guī)定的值時，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時，VPD就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器提供備用電源。 A

16、LE/PROG（30引腳） 當(dāng)80C51訪問外部存儲器時，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，ALE9 地址鎖存允許0 輸入的脈沖的下沿用于鎖存16 位地址的低8 位，在不訪問外部存儲器的時候，ALE 仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE 斷可驅(qū)動8個LS TTL負(fù)載，對于有片內(nèi)EPROM的而言，在EPROM編程期間，此腳用于輸入編程脈沖PROG。PSEN非（29引腳） 此腳輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存儲器的讀選通信號，在讀取外部指令期間，PSEN 非有兩次在每個周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問外部存儲器時，兩個有效的PSEN

17、非將不再出現(xiàn)，同樣這個引腳可驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。EN非/VPP（31引腳） 當(dāng)EN非保持高電平時，單片機(jī)訪問內(nèi)部存儲器，當(dāng)PC值超過0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向片外存儲器。當(dāng)EN非保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，對80C51而言，此腳必須接地。P0，P1，P2，P3：80C51 有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸出數(shù)據(jù)，又可以從它們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的，每一個I/O口內(nèi)部都有一個8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個8 位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為SFR 中的一個，因此CPU數(shù)據(jù)從并行I/O口輸出時可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時可以得到緩沖，但他們在功能和用途上的差異很大，P0和P2口內(nèi)

18、部均有個受控制器控制的二選一選擇電路，故它們除可以用做通用I/O 口以外還具有特殊的功能，P0 口通常用做通用I/O 口為CPU 傳送數(shù)據(jù)，P2口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除P0口以外其余三個都是準(zhǔn)雙向口。80C51有一個全雙工串行口，這個串行口既可以在程序下把CPU 的8位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位的從發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受進(jìn)來變成并行數(shù)據(jù)給CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨(dú)進(jìn)行也可以同時進(jìn)行。8031的串行發(fā)送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行數(shù)據(jù)接收線，串行接口的電路結(jié)構(gòu)還包括了串行口控制寄存器SCON，電源及波特率選擇寄存PCON和串

19、行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設(shè)置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SBUF用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。(3) MC14433 與80C51單片機(jī)的接口設(shè)計由于MC14433 的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的BCD碼，Q0Q3HE DS1DS4 都不是總線式的。因此，MCS-51 單片機(jī)只能通過并行I/O 接口或擴(kuò)展I/O 接口與其相連。下面是MC14433與8031單片機(jī)P1口直接相連的硬件接口，接口電路如下圖所示圖8 單片機(jī)與MC14433接口6. 譯碼器74LS47中規(guī)模集成電路74LS47，是一種常用的七段顯示譯碼器，該電路的輸出為低電平有效，

20、即輸出為0時，對應(yīng)字段點(diǎn)亮；輸出為1時對應(yīng)字段熄滅。該譯碼器能夠驅(qū)動七段顯示器顯示015共16個數(shù)字的字形。輸入A3、A2、A1和A0接收4位二進(jìn)制碼，輸出Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分別驅(qū)動七段顯示器的a、b、c、d、e、f和g段。 主要引腳：LT: 燈泡控制輸入端。當(dāng)其輸入為0，則7447 處置于燈泡測試狀態(tài)，使abcdefg 全部輸入為0，若七段顯示器為良好則應(yīng)顯示"8"。當(dāng)LT=1 則7447 才可能正常解碼。 RBI: 紋波遮沒輸入控制。當(dāng)RBI 輸入0，則7447 進(jìn)入紋波遮沒狀態(tài)，即當(dāng)DCBA 輸入為0000 時，abcdefg=1111111，使

21、七段LED 顯示器完全空白(不亮)，當(dāng)DCBA0000 時，則譯碼器正常工作。故RBI 為0 遮沒此控制端。 BI/RBO:遮沒輸入/紋波遮沒輸出，此控制端同時兼具強(qiáng)迫遮沒輸入與漣波遮沒指示輸出之功能，當(dāng)其被當(dāng)成輸入端使用時，只要加入0 之信號，則7447 完全進(jìn)入遮沒狀態(tài)，不論其它輸入之狀況為何；當(dāng)其為1 或空腳則正常工作。再者 若BI/RBO腳不加入任何信號，則其可被用作漣波遮沒輸出，當(dāng)RBI=0 且輸入 端DCBA=0000 時，即當(dāng)0 遮沒成立時，則BI/RBO 輸出0，否則輸出為1；此 一輸出旨在提供具多位數(shù)解碼時，能使無效的前導(dǎo)0 被遮沒。7447 之輸出系為驅(qū)動器設(shè)計，其邏輯0

22、之吸入電流高達(dá)40mA，故在使用必須加 入330 左右電阻加以限流，以免過大電流流經(jīng)LED 而燒毀顯示器，(3) 數(shù)碼管abcdefg極由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動。如圖。當(dāng)80C51的串行口未作它用時，使用8031的串行口來外擴(kuò)顯示器。應(yīng)用80C51的串行口方式1的輸出方式，構(gòu)成顯示器接口。 LED數(shù)碼管每筆工作電流I在510 mA之間，若電流過大會損壞數(shù)碼管，因此必須加限流電阻，其阻值可按下式汁算： 其中Uo為加在LED兩端電壓，U為LED數(shù)碼管每筆壓降(約2 v)。圖9四、總電路圖 五、元器件清單 單片機(jī)8051 1片 傳感器LM134 1片運(yùn)算放大器ICL7650 1片A/D轉(zhuǎn)換器MC1433 1片MC1403 1片74LS47 1片普通電阻 17個滑動變阻器 2個電容 6個晶振 1個數(shù)碼管 4個反相器 11個6、 總結(jié)與體會 經(jīng)過為期兩周的課程設(shè)計制作，我已經(jīng)能夠熟練的使用protel99，并且成功的運(yùn)用protel99設(shè)計了溫度檢測顯示系統(tǒng)。 在本次設(shè)計開始的時候，拿到題目之后并沒有