1、自動檢測技術（課程設計報告） 基于單片機的溫度自動檢測儀表設計1、設計要求自動完成溫度測量，溫度測量范圍通過鍵盤設定（如1060），檢測精度為+0.5。C。要求將AD590采集的模擬信號轉化為數字信號，傳輸到單片機，用三位共陰極LED顯示結果，小數點后保留一位。超上下線限要報警。2、系統的硬件設計（1）系統總體方案設計及系統組成框圖 總體的設計思路是分為測量電路部分和數字顯示部分兩部分分別進行設計。測量電路是對信號的采集與放大，即溫度的采集放大部分。測量電路的設計要求是電路能具有良好的穩定性和測量精度，以及實現攝氏溫度測量。數字顯示部分又可分為A/D轉換與譯碼顯示。故采用AD590+放大器+A

2、/D轉換器（ADC0809）+AT89C51+LED顯示器組合出溫度計。系統框圖如下圖： （2）單片機單片機選型MCS-51系列單片機主要包括基本型產品8031/8051/8751(對應的低功耗型80C31/80C51/87C51和增強型產品8032/8052/8752。雖然他們是8位的單片機，但是具有品種全、兼容性強性能價格比高等特點且軟硬件應用設計資料豐富齊全，已為我國廣大工程技術人員所熟悉和掌握。在20世紀80年代和90年代，MCS-51系列單片機是在我國應用最為廣泛的單片機機型之一。中央微處理器 AT89C51： AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k By

3、tes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89C51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。AT89C51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全

4、雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89C51設計和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式。AT89S51單片機綜合了微型處理器的基本功能。按照實際需要，同時也考慮到設計成本與整個系統的精巧性，所以在本系統中就選用價格較低、工作穩定的AT89C51單片機作為整個系統的控制器。單片機片內組成結構如圖：單片機最小系統的設計目前的單片機開發系統只能夠仿真單

5、片機，卻沒有給用戶提供一個通用的最小系統。由設計的要求，只要做很小集成度的最小系統應用在一些小的控制單元。其應用特點是:（1）全部I/O口線均可供用戶使用。 （2）內部存儲器容量有限（只有4KB地址空間）。 （3）應用系統開發具有特殊性單片機最小系統如上圖所示，其中有4個雙向的8位并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3，都可以用于數據的輸出和輸入，P3口具有第二功能為系統提供一些控制信號。時鐘電路用于產生MCS-51單片機工作所必須的時鐘控制信號，內部電路在時鐘信號的控制下，嚴格地按時序指令工作。MCS-51內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片的

6、引腳XTAL1，輸出端為XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成了一個穩定的自激振蕩器。電路中的微調電容通常選擇為30pF左右，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率為12MHz。把EA腳接高電平，單片機訪問片內程序存儲器，但在PC值超過0FFFH（4Kbyte地址范圍）時，將自動轉向執行外部程序存儲器內的程序。MCS-51的復位是由外部的復位電路來實現。采用最簡單的外部按鍵復位電路。按鍵自動復位是通過外部復位電路的來實現的.我們選用時鐘頻率為12MHz,C1取47f。3、系統各功能模塊設計1）溫度采集模塊將T-DETECT接到AD

7、C0809的模擬信號輸入端IN-0端口，然后用T-CON控制電路加熱與否，接高電平時開始加熱。不需要進行其他的控制。 AD590的介紹 AD590是AD公司利用PN結構正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器.（熱敏器件） AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下： 1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環境的熱力學溫度（開爾文）度數，即：mA/K式中： 流過器件（AD590）的電流，單位為mA； T熱力學溫度，單位為K。 2、AD590的測溫范圍為-55+150。 3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1

8、mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。 4、輸出電阻為710MW。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內，非線性誤差為±0.3。 AD590溫度感測器是一種已經IC化的溫度感測器,它會將溫度轉換為電流,在8051的各種課本中常看到它,相當常用到。 其規格如下： 溫度每增加1,它會增加1A輸出電流。 可量測范圍-55至150。 供應電壓范圍+4V至30V。 AD590的輸出電流值說明如下： 其輸出電流是以絕對溫度零度(-273)為基準,每增加1,它會增加1A輸出電流,因

9、此在室溫25時,其輸出電流Io=(273+25)=298A。 Vo的值為Io乘上10K,以室溫25而言,輸出值為2.98V(10K×298A)。 量測Vo時,不可分出任何電流,否則量測值會不準。 AD590的輸出電流I=(273+T)A(T為攝氏溫度),因此量測的電壓V為(273+T)A ×10K= (2.73+T/100)V。為了將電壓量測出來又需使輸出電流I不分流出來,我們使用電壓追隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。 由于一般電源供應較多零件之后,電源是帶雜訊的,因此我們使用齊納二極體作為穩壓零件,再利用可變電阻分壓,其輸出電壓V1需調整至2.73V。 接下來我們使用差

10、動放大器其輸出Vo為 (100K/10K)×(V2-V1)=T/10V。如果現在為攝氏28度,輸出電壓為2.8V。 AD590的封裝及其基本應用電路： AD590內部電路原理圖：2） 信號放大電路這部分電路主要起到I/V轉換、穩壓、與放大作用，電路如下：在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高

11、品質的電容提供了前提保證。AD590是恒流輸出，其輸出電流剛好是1uA/K。在電路中用10K的電阻跟AD59串連，因此電阻兩電壓剛好就是0.01V/K。在零攝氏度時電阻兩端的電壓為2.73V然而模數轉換ADC0809的輸入電壓為0-5V，分辨率為0.19。精度比較低，如果電壓跟隨直接與模數轉換模塊直接相連就會有很大誤差。所以還要經過差分放大電路把電壓放大10倍。具體是把電壓跟隨器輸出電壓與一個標準的2.73V的相減然后再放大10倍。這樣做之后溫度每改變一攝氏度電壓就改變0.1V。這樣就可以送入模數轉換模塊進行轉換了。該電路的輸入端是兩個信號的輸入，這兩個信號的差值，為電路有效輸入信號，電路的輸

12、出是對這兩個輸入信號之差的放大。設想這樣一種情景，如果存在干擾信號，會對兩個輸入信號產生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號的有效輸入為零，這就達到了抗共模干擾的目的。一種單晶體管電流鏡像與適當的負載相接合，其中結合了適當的開關集合，以實現比較器功能。具體地，差分電路包括單晶體管電流鏡像，所述單晶體管電流鏡像包括通過開關與晶體管相連的電容器以及通過各自獨立的開關與電流鏡像相連的兩個電流源，與電容器開關一起操作電流源之一的開關，以便充電電容器，并且操作另一個電流源的開關，以便所述電路作為具有電流源負載的源極跟隨放大器進行操作。因此，晶體管特性的空間分布不會影響比較器功能。為了將電壓測量出來又務須使

13、輸出電流I不分流出來，我們使用電壓跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。由于一般電源供應較多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調整至2.73V接下來我們使用差動放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現在為攝氏28，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉換器，那么AD轉換輸出的數字量就和攝氏溫度成線形比例關系。電壓與溫度關系列表如下：攝氏溫度/AD590電流/uA經10K電壓/V-10263.22.6320273.22.73210283.22.83220293.22.93230303.23.03

14、240313.23.13250323.23.23260333.23.332100373.23.7323）A/D轉換模塊ADC0809的三個I/O口分別為EOC、CLK和CS端口，其中CLK為時鐘、CS為片選、EOC為轉換結束狀態信號。其中，RD與WR分別與單片機的P3.6與P3.7口相連接，片選CS接地，CLK接500kHz的數字信號，因為本設計未采用中斷模式，也未采用檢測轉換結束狀態信號，所以EOC可不接。本模塊采用的方案是根據ADC0809的時序圖，用單片機的P3.6和P3.7口分別控制ADC0809的RD與WR，使其在特定的時間內不斷置位與復位。從而使ADC0809不斷重復的轉換數據，并

15、輸出給單片機。以單片機的P0口接收數據，并存儲到變量temp中。 ADC0809介紹 AD590引腳圖（1） ADC0809的主要特點 ADC0809模數轉換器，ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉換芯片，片內有模擬量通道選擇開關及相應的通道鎖存、譯碼電路，A/D轉換后的數據由三態鎖存器輸出，由于片內沒有時鐘需外接時鐘信號。芯片的引腳如圖21-1,各引腳功能如下：IN0IN7：八路模擬信號輸入端。ADD-A、ADD-B、ADD-C：三位地址碼輸入端。CLOCK：外部時鐘輸入端。CLOCK輸入頻率范圍在101280KHz，典型值為640KHz，此時A/D轉 圖9 adc0809換

16、時間為100us。51單片機ALE直接或分頻后可與CLOCK相連。D0D7：數字量輸出端。OE：A/D轉換結果輸出允許控制端。當OE為高電平時，允許A/D轉換結果從D0D7端輸出。 圖21-1 ADC0809引腳ALE：地址鎖存允許信號輸入端。八路模擬通道地址由A、B、C輸入，在ALE信號有效時將該八路地址鎖存。START：啟動A/D轉換信號輸入端。當START端輸入一個正脈沖時，將進行A/D轉換。EOC：A/D轉換結束信號輸出端。當 A/D轉換結束后，EOC輸出高電平。Vref(+)、Vref(-)：正負基準電壓輸入端。基準正電壓的典型值為+5V。（2）ADC0809芯片的工作原理 ADC0

17、809帶有片內系統時鐘，該時鐘與IOCLOCK是獨立工作的，無需特殊的速度或相位匹配。當CS為高時，數據輸D端處于高阻狀態，此時IO CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片ADC0809時，共用IOcLOCK，以減少多路(片)AD使用時的IO控制端口。4) 顯示模塊在系統中要顯示溫度，就必須有顯示無器件，目前市場上顯示元器件很多，有LCD、點陣顯顯、7段數碼管顯示等。LED顯示器與LCD顯示器相比，LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優勢。LED與LCD的功耗比大約為10:1，而且更高的刷新速率使得LED在視頻方面有更好的性能表現，能提供寬達160°的

18、視角，可以顯示各種文字、數字、彩色圖像及動畫信息，也可以播放電視、錄像、VCD、DVD等彩色視頻信號，多幅顯示屏還可以進行聯網播出。有機LED顯示屏的單個元素反應速度是LCD液晶屏的1000倍，在強光下也可以照看不誤，并且適應零下40度的低溫。利用LED技術，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的顯示器，擁有廣泛的應用前景。由此可知LCD缺點是比較耗電,而且成本也較高。從節約成本和節約能源的角度作為出發點，我們選擇3個7段共陰數碼管作為溫度顯示，以便節約成本和功耗。數碼管的驅動方式：數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，

19、可以分為靜態式和動態式兩類。在本設計任務書中采用的是動態顯示方式。原因及原理介紹如下：動態顯示驅動：數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃"a、b、c、d、e、f、g、dp"的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的C

20、OM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。5） 鍵盤輸入模塊 鍵盤電路的設計如圖所示，用AT89S51的并行口P1接4×4矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作輸入線，以P1.4P1.7作輸出線；液晶顯示器上顯示每個按鍵的“0F”序號。對應的按鍵的序號排列如下圖所示：下圖中微處理單元是AT89S51單片機，X1和X2接