摘要在工業生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。其中，溫度測量越來越重要。在工業生產的很多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反響爐和鍋爐中的溫度進行檢測。采用單片機對溫度進行檢測不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高溫度檢測的性能指標，從而能夠提高產品的質量和數量。單片機是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統等局部于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實現對數字信息的處理和檢測。因此，單片機廣泛用于現代工業檢測中。本設計側重介紹單片機溫度檢測系統的硬件及軟件設計的內容。采用電流型溫度傳感器AD590來構架溫度采集系統，主控芯片采用AT89S51單片機。系統把采集到的溫度值的模擬量通過ADC0809的一個通道輸入ADC0809進行A/D轉換，然后通過軟件程序控制單片機將轉換的結果進行數值變換后送入數碼管進行顯示。系統設計還包含溫度報警系統。如果系統測得溫度超過設定的溫度值范圍，報警系統開始工作。報警系統由一個自激震蕩蜂鳴器、三極管(NPN)和發光二極管組成。關鍵詞：MCS-51；AT89S51；A/D轉換；溫度檢測ABSTRACTInindustrialproduction,current,voltage,temperature,pressure,flow,flowrateandswitchesareoftenusedascontrolledparameters.Thetemperaturemeasurementsareincreasinglyimportant.Inmanyareasoftheindustrialproduction,peopleneedtodetectthetemperatureofthevarioustypesoffurnace,heattreatmentfurnaceandboiler.Itisnotonlyconvenient,simpleandflexibleusingtheSingleChipMicrocomputer(SCM)todetectthetemperature,butalsoitcanimprovetheperformanceindexoftemperaturedetection,thusitcanimproveproductqualityandquantity.TheSCMisakindofintegrateddevicewhichismadeupofCPU,RAM,ROM,I/Ointerfaceandinterruptsystem.Itcanachievedigitalinformationprocessingandtestingonlywiththepowerandthecrystal.Therefore,theSCMiswidelyusedinmodernindustrialdetection.Inthepaper,itfocusesonthecontentofthehardwareandsoftwareofTheSCMtemperaturedetectionsystem.WeusetheAD590toformtemperatureacquisitionsystem,anduseAT89S51ascontrollerchip.TheanalogtemperatureiscarriedintotheADC0809forA/DconverterthroughonechanneloftheADC0809inthesystem.FinallytheconversionresultsaredisplayedthroughLED.Whenitisoutofthemaximumortheminimumofthetemperaturewehavesetinadvance,thealarmsystemworks.Thealarmsystemismadeupofself-concussionbuzzer,thetransistor(NPN)andLEDcomponents.Keywords：MCS-51;AT89S51;A/Dtransformation;Temperatureexamination目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要IAbstractII第1章緒論11.1課題的意義和背景11.2溫度測量的開展現狀11.3設計任務及要求21.4設計思路2第2章系統硬件原理及組成32.1主控芯片AT89S5132.1.1主要特性32.1.2管腳說明42.1.3振蕩器特性62.1.4芯片擦除62.2高精度運算放大器OP0762.3集成溫度傳感器82.3.1AD590簡介8AD590的工作原理92.4A/D轉換器概述122.4.1A/D轉換原理122.4.2ADC0809簡介132.4.3ADC0809引腳與單片機連接152.5系統電路圖152.5.1溫度采集系統電路152.5.2A/D轉換系統電路172.5.3顯示系統電路172.5.4報警系統電路18第3章系統軟件設計213.1溫度測量系統程序流程213.2溫度采集程序系統223.3A/D轉換程序系統233.4報警系統24第4章實驗數據分析26結論31參考文獻32附錄1(系統程序清單)33附錄2(畢業設計實物圖)38致謝39第1章緒論1.1課題的意義和背景單片機在日用電子產品中的應用越來越廣泛，溫度那么是人們日常生活中常常需要測量的一個量[1]。從身旁的衣食住行的任何一方面來看，可知溫度與我們的生活中有著密切的關系。溫度是廣泛支配物理現象和化學反響和生命活動等現象的根本參數。為了了解和控制溫度，它的測量從宇宙科學到日常生活現象以及科學研究，如各種產業、氣象、醫療、環境、器械、汽車等極其廣泛的范圍內都得到廣泛的應用。特別是在產業中，溫度的測量和控制那么是更加的頻繁。不必說生產管理和質量管理，僅是從平安、節能等目的來說，它也占有極為重要的位置[2]。伴隨著技術的高度化和多樣化，對溫度測量的需求也要求高度化和多樣化。因此，對于溫度測量提出了在各種領域中各種溫度范圍、測量環境、響應速度、精確度等多樣化及高度化的測量要求[3]。1.2溫度測量的開展現狀溫度傳感器種類繁多，目前國內熱電阻與熱電偶占1/3，絕大局部采用接觸式溫度測量[4]。近年來測量又有了新開展，比方采用輻射及光纖測量。而在新型測量元件與傳感器方面有：半導體集成電路溫度計、石英溫度計、超聲波溫度計、激光溫度計、微波溫度計[5]。我國采用SiC、Al2O3管插入熱電偶測量的相應位置。再用光電和輻射形成輻射溫度測量。如WFT-202(高溫輻射非接觸式輻射測溫儀表)，它是根據物體的熱輻射效應原理來測量物體外表的溫度[6]。它應用于冶金、機械、硅酸鹽及化學工業部門等連續測量各種熔爐、高溫窯、鹽浴池等場合的溫度，以及其他不適合用熱電偶測量溫度的場合。WFT-202芯片的主要技術指標：(1)感溫器的正常工作環境溫度：10～80℃(2)名義距離系數：L/D=20〔在L=1000mm時〕，式中L為被測物體感溫器物鏡間的工作距離，D為被測物體的有效直徑；(3)感溫器的示值穩定時間：<4秒；(4)感溫器的工作距離：500～2000mm。在國外，如美國采用熒光余輝的時間技術制作了光纖溫度計，使用溫度范圍為-70～350℃；加拿大采用紫外光激光鼓勵的熒光余輝的技術制作溫度計，可以在線測量大型發電機組轉子的外表溫度[7]。1.3設計任務及要求〔1〕任務：檢測并顯示所處環境的溫度，系統中還需帶有上下限溫度報警；〔2〕要求：設計要求測溫范圍在0℃~100℃，誤差在±0.5℃以內，用三位七段1.4設計思路在此設計中采用電流型溫度傳感器AD590來構架溫度采集系統，主控芯片采用AT89S51單片機。系統把采集到的溫度值的模擬量由ADC0809的一個通道送入ADC0809進行A/D轉換，然后將轉換的結果進行數值變換后送入數碼管進行顯示。在設計中還設置溫度上下限報警值，因此系統還包含溫度報警系統。如果系統測得的溫度超過設定的溫度值范圍，報警系統開始工作，提醒人們溫度值超過系統設置的范圍。圖1-1所示為系統框圖：圖1-1系統結構圖第2章系統硬件原理及組成系統主要硬件電路包括：1、主控單元電路：采用AT89S51單片機為主控單元；2、信號采集處理電路：包括A/D轉換芯片ADC0809、AD590溫度傳感器、集成運算放大器OP07；3、顯示局部電路：七段并行數碼顯示管；4、附屬電路：包括晶振電路、重啟電路、參考電壓電路、報警電路以及差分放大電路。2.1主控芯片AT89S51采用51系列單片機芯片AT89S51為主控單元。AT89S系列單片機是ATMEL公司開始研制生產的，優越的性能價格比使其成為頗受歡送的單片機[8]。AT89S系列與MCS-51系列單片機相比有兩大優勢：1、片內程序存儲器采用閃存存儲器，使程序的寫入更加方便；2、提供了更小尺寸的芯片,使整個硬件電路的體積更小。AT89S系列單片機有4種型號：AT89S51、AT89S52、AT89S53、AT89S8252、AT89S8253、90S8515，其中AT89S8253是ATMEL公司AT89S系列的新成員。它以較小的體積，良好的性能價格比受青睞，在家電產品、工業控制、計算機產品、醫療器械、汽車工業等應用方面成為用戶降低本錢的首選器件[8]。AT89S51芯片的封裝形式如圖2-1所示：

AT89S51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器〔EPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器。AT89S單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。2.1.1主要特性圖2-1AT89S51封裝圖與MCS-51產品指令系統完全兼容4k字節在系統編程〔ISP〕Flash閃速存儲器1000次擦寫周期4.0-5.5V的工作電壓范圍全靜態工作模式：0Hz-33MHz三級程序加密鎖128*8位內部RAM32個可編程I/O口線兩個16位定時/計數器5個中斷源全雙工串行UART通道低功耗的閑置和掉電模式中斷可從空閑模式喚醒系統看門狗〔WDT〕及雙數據指針掉電標識和快速編程特性片內振蕩器和時鐘電路2.1.2管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。每位能驅動8個TTL邏輯門電路。當對管腳寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址的低8位和數據總線復用。在FIASH編程時，P0口接收指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，此時P0外部須接上拉電阻P1口：P1口是一個帶內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動4個TTL邏輯門電路。P1口管腳寫入1后，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可用作輸入口，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉電阻的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口接收低八位地址。P2口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖級可驅動4個TTL邏輯門電路，當P2口被寫入“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，此時可作為輸入口。作為輸入口時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉電阻的緣故。當P2口訪問外部程序存儲器或外部數據存儲器時，P2口輸出地址的高八位。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，P2口線上的內容，在整個訪問期間不改變。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅動4個TTL邏輯門電路。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉電阻拉為高電平，并可作為輸入端口。作輸入端時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉電阻P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能可作為AT89S51的一些特殊功能口：P3.0(RXD)〔串行輸入口〕P3.1(TXD)〔串行輸出口〕P3.2()〔外部中斷0〕P3.3()〔外部中斷1〕P3.4(T0)〔定時器0〕P3.5(T1)〔定時器1〕P3.6()〔外部數據存儲器寫選通〕P3.7()〔外部數據存儲器讀選通〕P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。ALE()：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許管腳的輸出電平用于鎖存地址的低8位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出正脈沖信號，因此它可用作對外部輸出脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址單元上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳會被略微拉高，單片機在執行外部程序時，應設置ALE無效。：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。(VPP)：當保持低電平時，那么在此期間訪問外部程序存儲器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，將內部鎖定為RESET；當端保持高電平時，此期間訪問內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電壓VPP。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：反向振蕩放大器的輸出端。2.1.3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石英振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。由于輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。2.1.4芯片擦除整個EPROM陣列和三個被鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦寫操作中，代碼陣列全被寫“1〞且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。此外，AT89S51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時器、計數器、串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。2.2高精度運算放大器OP071．圖2-2為高精度運算放大器OP07引腳圖：圖2-2放大器OP07引腳圖2．OP07是高精度運算放大器，其特點為：1〕低的輸入噪聲電壓幅度：0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)；2〕極低的輸入失調電壓：10μV；3〕極低的輸入失調電壓溫漂：0.2μV/℃；4〕具有長期的穩定性：0.2μV/MO；5〕低的輸入偏置電流：±1uA；6〕高的共模抑制比：126dB；7〕寬的共模輸入電壓范圍：±14V；8〕寬的電源電壓范圍：±3V～±22V；9〕可替代725、108A、741、AD510等電路。3．各引腳功能如下：1〕5腳NC為空，無需接線；2〕1、8腳可懸空也可以是用于調零的,即抵消偏移電壓〔或叫失調電壓〕.由于OP07的偏移電壓本身已經很低〔典型60uV最大150uV〕,所以可以不接，如果要接，要求必須是高精度電位器〔22圈的精密電位器〕。如果接了，接不好反而容易引起毫伏級的誤差；3〕2、3腳為信號輸入引腳；4〕6腳為運放的輸出引腳；5〕4、7腳分別為正、負電源引腳。4．圖2-3為OP07使用圖：圖2-3引腳使用圖2.3集成溫度傳感器2.3.1AD590簡介集成溫度傳感器實質上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的b-e結壓降的不飽和值V與熱力學溫度T以及通過發射極電流I的下述關系實現對溫度的檢測：〔2-1〕式中K—波爾茲常數q—電子電荷絕對值集成溫度傳感器因具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優點，從而得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0℃時輸出為2.73V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/KAD590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〔uA〕等于器件所處環境的熱力學溫度〔開爾文〕度數，即：，〔uA/K〕〔2-2〕式中—流過器件〔AD590〕的電流，單位為uAT—熱力學溫度，單位為K2．AD590的測溫范圍為-55℃～+1503．AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電流變化1uA，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[9]；4．輸出電阻為710MΩ。圖2-4為AD590的管腳圖及元件符號：其中，1〕1引腳接電源端；2〕2引腳經連接可調電阻后接地；3〕3引腳可以接地，也可以直接懸空。圖2-4AD590管腳圖及元件符號AD590輸出電流是以絕對溫度零度〔-273℃〕為基準,每增加1℃,它會增加1μA輸出電流，因此在室溫25℃時,圖2-5AD590根本應用電路：圖2-5根本應用電路使用時Uo的值為Io乘上10K,以室溫25℃而言,輸出值為10K×298μA=2.98V；測量Uo時,不可分出任何電流,2.3.2AD590的工作原理在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mV/K的電壓信號。其根本電路如圖2-6所示。圖2-6感溫局部的核心電路圖2-6是利用ΔUBE特性的集成PN結傳感器的感溫局部核心電路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個管的材質和工藝完全相同，但T3實質上是由n個晶體管并聯而成，因而其結面積是T4的n倍。T3和T4的發射結電壓UBE3和UBE4經反極性串聯后加在電阻R上，所以R上端電壓為ΔUBE。因此，電流I1為：I1＝ΔUBE／R。對于AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度T成正比，將此電流引至負載電阻R2上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖2-6中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1μA／K的I值。圖2-7所示是AD590的內部電路，圖中的T1～T4相當于圖2-6中的T1、T2，而T9，T11相當于圖2-6中的T3、T4。R5、R6是薄膜工藝制成的低溫度系數電阻，供出廠前調整之用。T7、T8，T10為對稱的Wilson電路，用來提高阻抗。T5、T12和T10為啟動電路，其中T5為恒定偏置二極管。圖2-7AD590內部電路T6可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1，R2為發射極反響電阻，可用于進一步提高阻抗。T1～T4是為熱效應而設計的連接方式。而C1和R4那么可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得T9、T10、T11三者的發射極電流相等，并同為整個電路總電流I的1/3。T9和T11的發射結面積比為8：1，T10和T11的發射結面積相等。T9和T11的發射結電壓互相反極性串聯后加在電阻R5和R6上，因此可以寫出：〔2-3〕R6上只有T9的發射極電流，而R5上除了來自T10的發射極電流外，還有來自T11的發射極電流，所以R5上的壓降是整個壓降的2／3。根據上式不難看出，要想改變ΔUBE，可以在調整R5后再調整R6，而增大R5的效果和減小R6是一樣的，其結果都會使ΔUBE減小，不過，改變R5對ΔUBE的影響更為顯著，因為它前面的系數較大。實際上就是利用激光修正R5以進行粗調，修正R6以實現細調，最終使其在25℃之下使總電流I到達1μA／K2.4A/D轉換器概述2.4.1A/D轉換原理在計算機實時測控和智能儀表等應用中，須將傳感器檢測到的連續變化的模擬量轉換成離散的數字量，以便計算機處理，實現對這些量的實時測量和控制。實現模擬量到數字量轉換的設備稱為模數轉換器，簡稱A/D轉換器。A/D轉換是把模擬量信號轉化成為與其大小成正比的數字量信號。A/D轉換電路的種類很多，根據轉換原理，目前常用的A/D轉換電路主要分成逐次逼近式A/D轉換器、雙積分式A/D轉換器、計數式A/D轉換器和并行式A/D轉換器。目前最常用的是逐次逼近式和雙積分式，因此以逐次逼近式作為本設計的轉換原理[10]。逐次逼近式A/D轉換器是目前種類繁多，應用最廣的A/D轉換器。圖2-8是逐次逼近式A/D轉換器的電路原理圖，它由存放器、D/A轉換器、比擬器和控制邏輯等局部組成。逐次逼近式轉換的根本原理是用一個計量單位使連續量整量化〔簡稱量化〕，即用計量單位與連續量比擬。把連續量變為計量單位的整數倍，略去小于計量單位的連續量局部。這樣所得到的整數量即數字量。顯然，計量單位越小，量化的誤差也越小。圖2-8逐次逼近式A/D轉換器原理圖當模擬量Uin送入比擬器后，啟動信號〔START〕通過控制邏輯電路啟動A/D開始轉換，首先，置移位存放器最高位〔D7〕為“1”，其余位清0，移位存放器的內容經D/A轉換后得到整個量程一半的模擬電壓U1，與輸入電壓Uin比擬。在Uin大于等于U1時，那么保存D7=1;在Uin小于U1時，那么D7位清0。然后，控制邏輯電路使移位存放器下一位D6置“1”，與上次的結果一起經D/A轉換后與Uin比擬，重復上述過程，直至判別出D0位取1還是取0為止，此時，控制邏輯電路發出轉換結束信號EOC。這樣經過8次比擬后，8位移位存放器的內容就是轉換后的數字量數據，經輸出鎖存器讀出。整個轉換過程就是這樣一個逐次逼近的過程。常用的逐次逼近式A/D轉換器有ADC0809、逐次逼近式A/D轉換器的特點：這種轉換器轉換時間固定，他取決于位數和時鐘周期，適用于變化過程較快的控制系統。轉換精度主要取決于D/A轉換器和比擬器的精度，可達0.01%。轉換結果也可以串行輸出。這種轉換器的性能適應大局部的應用場合，是應用廣泛的一種A/D轉換器[10]。2.4.2ADC0809簡介ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及與微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口[11]。〔1〕ADC0809的內部邏輯結構由圖2-9可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。〔2〕引腳說明〔封裝圖如圖2-10〕圖2-9ADC0809的內部邏輯結構圖2-10ADC0809引腳圖IN0－IN7：8條模擬量輸入通，ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，假設信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如假設模擬量變化太快，那么需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A、B和C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A、B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道地址表如下表2-11所示。表2-11通道地址表CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數字量輸出及控制線：ST為轉換啟動信號。當ST出現上跳沿時，所有內部存放器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，說明轉換結束；否那么，說明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE＝1，輸出轉換得到的數據；OE＝0，輸出數據線呈高阻狀態。D7－D0為數字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。VREF〔＋〕、VREF〔－〕為參考電壓輸入。2.4.3ADC0809引腳與單片機連接〔1〕ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。〔2〕初始化時，使ST和OE信號全為低電平。〔3〕送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。〔4〕在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。〔5〕是否轉換完畢，我們根據EOC信號來判斷。〔6〕當EOC變為高電平時，這時給OE為高電平，轉換的數據就輸出給單片機。2.5系統電路圖2.5.1溫度采集系統電路1．溫度實時采集系統電路如圖2-12所示：圖2-12溫度采集電路圖1〕AD590的輸出電流I=〔273+T〕μA〔T為攝氏溫度〕，因此測量的電壓Ui為〔273+T〕μA×10K=〔2.73+T/100〕V。為了將電壓測量出來又務須使輸出電流不分流出來，我們使用電壓跟隨器其輸出電壓U12等于輸入電壓Ui。2〕由于一般電源供給較多器件之后，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U11需調整至2.73V。3〕接下來我們使用差動放大器其輸出U0為〔20K/5K〕×〔V2-V1〕=T/5，如果現在為攝氏28℃，輸出電壓為1.40V，輸出電壓接A/D轉換器，那么A/D轉換輸出的數字量就和攝氏溫度成線性2．加減運算電路的選擇：如圖2-13所示為一級差分放大電路：電路只有兩個輸入，且參數對稱，那么經運算放大器后的電壓輸出值如式〔2-4〕：〔2-4〕圖2-13差分比例運算電路電路實現了對輸入差模信號的比例運算。但是在使用單個集成運放構成加減運算電路時存在兩個缺點:一是電阻的選取和調整不方便；二是對于每個信號源，輸入電阻均較小。因此，必要時可采用兩級電路圖2-14所示為二級差分電路實現差分比例運算[12]。第一級電路為同相比例運算電路，因而輸出電壓如式〔2-5〕所示：〔2-5〕利用疊加原理，第二級電路的輸出電壓如式〔2-6〕：〔2-6〕假設R1=Rf2,R3=Rf1，那么輸出電壓如式〔2-7〕：〔2-7〕圖2-14兩級差分放大器從電路的組成可以看出，無論對于U11，還是U12，均可以認為輸入電阻為無窮大。2.5.2A/D轉換系統電路該局部電路是這個設計的核心部件如圖2-15所示，包括A/D轉換芯片ADC0809，主控芯片AT89S51單片機，負責把前局部溫度采集電路采集到的溫度模擬量數值進行A/D轉換，根據具體情況AT89S51做出相應中斷、報警、顯示等指令操作。2.5.3顯示系統電路如圖2-16所示，該局部電路采用了三位七段LED數碼管〔共陰極〕顯示，P0端口采用上拉電阻增加電流值以驅動數碼管來負責顯示系統測得的溫度值。圖2-15主電路圖圖2-16顯示電路2.5.4報警系統電路系統設置了上下限溫度值報警系統，電路如圖2-17所示，如果測量的溫度超過系統設置的溫度值的范圍，那么報警系統開始發出提示，為了雙重保險，我們在電路中進行發光和蜂鳴報警，這樣可以通過視覺和聽覺兩種方式發現系統報警。圖2-17報警電路圖系統板上硬件連線〔1〕通過“單片機系統板〞區域中的雙向I/O口P0端口的P0.0－P0.6用排線連接到“動態數碼顯示〞區域中的a、b、c、d、e、f、g端口上把數字溫度信號值送入數碼管，作為數碼管的筆段驅動；〔2〕通過排線把“單片機系統板〞區域中的P2端口的三個選通信號引腳P2.1－P2.3連接到“動態數碼顯示〞區域中的S1、S2、S3端口上，將控制信號送給數碼管作為數碼管的位段選擇，以控制數碼管變亮或者熄滅；〔3〕把“單片機系統板〞區域中的P0端口的P1.0－P1.7用8芯排線連接到“模數轉換模塊〞區域中的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7端口上，用以傳送A/D轉換完畢的數據輸入到單片機上為完成系統的轉換以及顯示工作做好準備；〔4〕用導線把“模數轉換模塊〞區域中的VREF端子用導線連接到“電源模塊〞區域中的VCC端子上，給A/D轉換芯片提供參考電壓；〔5〕把“模數轉換模塊〞區域中的A2、A1、A0端子用導線連接到地，當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A、B、C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉換器進行轉換。A、B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入；〔6〕把“模數轉換模塊〞區域中的ST、ALE端子用導線連接到“單片機系統〞區域中的P2.5端子上，ST為轉換啟動信號。當ST為上跳沿時，所有內部存放器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平；〔7〕把“模數轉換模塊〞區域中的OE端子用導線連接到“單片機系統〞區域中的P2.7端子上，OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據；〔8〕把“模數轉換模塊〞區域中的EOC端子用導線連接到“單片機系統〞區域中的P2.6端子上，EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，說明轉換結束；否那么，說明正在進行A/D轉換；〔9〕把“模數轉換模塊〞區域中的CLK端子用導線連接到單片機的P2.4端子上，作為A/D轉換芯片的工作時鐘信號；第3章系統軟件設計3.1溫度測量系統程序流程當整個系統開始工作時，單片機對系統各存放器、標志位進行初始化。接著由電流型溫度傳感器AD590來采集當前環境的溫度，測量系統把采集到的溫度值的模擬量信號通過A/D轉換芯片ADC0809的一個通道送入ADC0809進行A/D轉換，單片機根據ADC0809的EOC引腳的上下電平信號〔0或者1〕來判斷A/D轉換是否已經結束，或者還是正在進行。當EOC=1即高電平時，說明A/D轉換已經結束，如果EOC=0即低電平時說明正在進行A/D轉換。最后單片機根據OE引腳信號值來判定是否開始接收A/D轉換后的數據。OE引腳信號為輸出允許信號，它用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的溫度值的數字信號。當OE=1時，允許輸出轉換得到的數據；如果OE=0時，輸出呈現高阻態，此時不允許向單片機輸出數據。最后系統還要將得到的溫度數值與系統設置的上下限溫度報警值進行比擬，通過比擬來判定所測的溫度值是否超出了系統設置溫度范圍。如果超出系統設置的溫度值的范圍，那么系統進入中斷報警程序。然后將已經完成的溫度測量值進行數值變換后送入數碼管進行顯示。系統主流程圖如圖3-1所示：圖3-1系統主流程圖3.2溫度采集程序系統首先系統進行初始化后，AD590開始采集溫度，AD590可以直接把采集到的溫度進行溫度/電流轉換，根據定時器來采集一定時間內的溫度值，并且在自身能夠做出對當前溫度的接收檢驗，存儲并為進行下一步A/D轉換做好準備工作，流程圖如3-2所示：圖3-2溫度采集程序框圖3.3A/D轉換程序系統首先系統開始初始化后，把片內的RAM指針以及A/D轉換采樣計數器置初始值，選擇ADC0809的IN0通道，讓前局部采集來的溫度值的模擬量值通過該通道進入芯片內進行A/D轉換，通過ST上下電平值來啟動A/D轉換，系統在系統設置的時間范圍內進行轉換，然后把數據值存入片內RAM存放器，并且判定轉換是否結束，如果已經結束，那么停止轉換工作，并通過EOC給單片機發出轉換結束信號，否那么繼續進行A/D轉換，如圖3-3所示：圖3-33.4報警系統本設計設置溫度上下限報警值，如果系統所測得的溫度值不在所設置的溫度范圍內，該報警系統開始工作，進行蜂鳴、發光報警。報警系統由一個三極管、發光二極管、蜂鳴器組成。流程圖如3-4所示：圖3-4報警電路流程圖第4章實驗數據分析1．在理論中AD590產生的電流與絕對溫度成正比，它可接收的工作電壓為4V～30V，檢測的溫度范圍為-55℃～+150℃，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1℃，其電流增加1uA[1AD590溫度與電流的關系如表4-1所示：表4-1AD590溫度與電流關系攝氏溫度AD590電流經10KΩ電壓0273.2uA2.732V10283.2uA2.832V20293.2uA2.932V30303.2uA3.302V40313.2uA3.132V50323.2uA3.232V60333.2uA3.332V100373.2uA3.732V2．設計中為了能符合ADC0809的對輸入電壓模擬量的要求：信號單極性，電壓范圍是0~5V，再根據電流型溫度傳感器AD590的溫度/電流〔電壓〕特定的對應關系如表4-1所示，因此將AD590采集到的溫度值模擬量經過差分放大器后放大5倍在送入ADC0809進行A/D轉換。利用仿真軟件proteus對設計進行仿真可以得到電壓與溫度關系如表4-2所示：表4-2仿真數據關系表電壓值〔V〕溫度值〔℃〕0.240.480.5100.6120.7140.8161.5301.8362.2442.999603.099623.199643.399683.599723.999804.199844.299864.399884.699944.749964.849984.9491003．根據表4-2的數據我們可以繪制如圖4-3所示的溫度/電壓線性圖：圖4-3溫度與電壓的線性圖如圖〔4-3〕所示經過最小二乘法擬合得到的公式：y=20.139x-0.2003，再將實驗各點數據代入公式可以得到一系列的溫度值，最后與仿真得到的溫度值進行比擬可以得出實驗數據的最大偏差值，如表4-4所示表4-4電壓/溫度偏差電壓值x〔V〕溫度值Y〔℃〕=Y-y0.243.82750.17250.487.85530.14470.5109.86920.13080.61211.88310.11690.71413.8970.1030.81615.91090.08911.53030.0082-0.00821.83636.0499-0.04992.24444.1055-0.10552.9996060.19656-0.196563.0996262.21046-0.210463.1996464.22436-0.224363.3996868.25216-0.252163.5997272.27996-0.279963.9998080.33556-0.335564.0998282.34946-0.349464.1998484.36336-0.363364.2998686.37726-0.377264.3998888.39116-0.391164.4999090.40506-0.405064.5499291.412010.5879894.6499493.425910.5740894.7499695.439810.5601894.8499897.453710.5462894.94910099.467610.532389根據表4-4可得最大偏差為||=0.587989，由此可得設計的最大誤差為：由上面數據以及圖表可以得到以下結論：本設計中在誤差允許的范圍內電壓與溫度輸出成線性關系。4．利用設計的溫度傳感器通過檢測一天不同時刻的溫度變化與現有溫度計測量值進行比擬，進一步驗證設計的正確性。下表為所測得的實驗數據，如表4-5：表4-5溫度檢測比照表時刻溫度計測得的溫度(℃)本設計檢測的溫度值(℃)7：0016167：3015.6168：0016.8178：3017179：0017.6189：30181810：0018.11810：30191911：00202011：3020.82112：0021.22112：3021.82213：0022.72313：30242414：00252514：30262615：0024.82515：30242416：0023.12316：3022.12217：0021.22117：302020圖4-6所示為設計的溫度傳感器測量值與溫度計測量值的比照圖：1212曲線1--溫度傳感器檢測值，曲線2--溫度計測量值。圖4-6溫度曲線比照圖從圖中可以看出溫度傳感器檢測的溫度值的變化曲線與溫度計檢測值的變化曲線根本上保持一致。在誤差允許的范圍內，該溫度傳感器精度到達用來實時檢測環境溫度的要求。結論本設計利用AT89S51作為主控芯片，由電流型溫度傳感器AD590來采集當前環境的溫度，系統把采集到的溫度值的模擬量信號通過ADC0809的一個通道送入ADC0809進行A/D轉換，單片機根據ADC0809的EOC引腳的上下電平信號〔0或者1〕來判斷A/D轉換是否已經結束，或者還是正在進行。當EOC=1即高電平時，說明A/D轉換已經結束，如果EOC=0即低電平時說明正在進行A/D轉換。然后單片機根據OE引腳信號值來判定是否該開始接收A/D轉換后的數據。OE=1允許輸出數據，否那么不允許輸出。最后系統將得到的溫度值與系統設置的上下限溫度報警值進行比擬，通過比擬來判定所測的溫度值是否超出了系統設置溫度范圍。如果超出系統設置的溫度值的范圍，那么系統進入中斷報警程序，并將已經完成的溫度測量值進行數值變換后送入數碼管進行顯示。本設計為溫度采集測量系統實用性強，能夠很好地巡回采集測量信號，結構較為簡單，本錢低，外接元件少。在實際應用中工作性能穩定，測量溫度準確。系統在硬件設計上充分考慮到了可擴展性，經過一定的添加或改造，很容易增加功能，如在ADC0809的模擬通道中多接入幾路實現多點測量系統，并可防止溫度局部過高的問題。適用范圍廣泛，可以單獨使用作為監測儀，應用于農業溫室大棚監測植物生長的環境變化，工業廠房測量各局部的工作溫度等等。也可以作為智能檢測系統的一局部，與其它設備協同工作。系統移植性強，只需改變前端測量用的傳感器類型，可在此根底上修改為其他非電量參數的測量系統。或者在單片機上參加控制電路，就可以對溫度進行測量和控制，已到達人們設想的要求。參考文獻[1]張進明,王虹.一種單片機溫度測量儀器[J].工業儀表與自動化裝置,2004：42-64.[2]王子平.測量元件設計中應考慮的幾個問題[J].電子儀器儀表用戶,2003,1(01)：32-56.[3]王大海.新型溫濕度自動控制系統的設計與應用[J].電子工程師,2006,28(03)：33-36.[4]JFSchooley.Temperature’smeasurementandcontrolinscienceandindustry[J].NewYork：AmericanInstituteofPhysics,2005.[5]黃澤銑.溫度傳感器的近期開展[J].儀表材料,2007,18(5)：286-296.[6]歐漢烈.數字式溫度測量調節儀的研制[J].廣東工業大學,2003：58-67.[7]Zhao.Yangzhong.etc.ZWB-2,intelligentmultimeterIntelligentprocessingSystem.2001.ICIPS’97.2001.IEEEInternationalconference,2006：1470-1472.[8]張洪潤，張亞凡.單片機原理及應用[M].北京：北京清華大學出版社,2005：192-196.[9]張志利,蔡偉.基于AD590的溫度測控裝置研究[J].自動化與儀器儀表,2007,10(02)：37-39.[10]徐鳳霞,齊躍斗,楊欣宇,柳春鋒,龐云坤,等.單片機原理及應用教程[M].黑龍江：黑龍江科學技術出版社,2003,01(01)：116-120.[11]楊振主編.A/D、D/A轉換器接口與實用線路[M].西安：西安科技大學出版社,2006：35-40.[12]童詩白,華成英,等.模擬電子技術根底[M].北京：高等教育出版社,2003：320-321.[13]蔣敏蘭,胡生清,幸國全.AD590溫度傳感器的非線性補償及應用[J].傳感器技術,2003,2(10)：54-55.附錄1〔系統程序清單〕LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HADC EQU 35HTCNTA EQU 36HTCNTB EQU 37HH_TEMP EQU 38H ;溫度上限L_TEMP EQU 39H ;溫度下限FLAG BIT 00HH_ALM BIT P3.0L_ALM BIT P3.1SOUND BIT P3.7CLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BITP2.6OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0 ORG 1BH LJMP INT_T1START: MOV LED_0,#00H MOV LED_1,#00H MOV LED_2,#00H MOV H_TEMP,#125 MOV L_TEMP,#3 MOV TMOD,#12H MOV TH0,#245 MOV TL0,#0 MOV TH1,#(65536-1000)/256 MOV TL1,#(65536-1000)%256 MOV IE,#8aH CLR C SETB TR0 ;為ADC0809提供時鐘WAIT: SETB H_ALM SETB L_ALM CLR ST SETB ST CLR ST ;啟動轉換 JNB EOC,$ SETB OEMOV ADC,P1 ;讀取AD轉換結果 CLR OE MOV A,ADC SUBB A,#3 ;判斷是否低于下限 JC LALM MOV A,H_TEMP MOV R0,ADC SUBB A,R0 ;判斷是否高于上限 JC HALM CLR TR1 LJMP PROCKLALM: ;低溫報警 CLR L_ALM SETB TR1 CLR FLAG LJMP PROCKHALM: ;高溫報警 CLR H_ALM SETB TR1 SETB FLAG LJMP PROCKPROCK: MOV A,ADC ;數值轉換MOVDPTR,#TABLE2MOVCA,@A+DPTR MOV B,#100 DIV AB MOV LED_2,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV LED_1,A MOV LED_0,B LCALL DISP SJMP WAITINT_T0:CPL CLOCK ;提供ADC0809時鐘 RETIINT_T1:MOV TH1,#(65536-1000)/256 MOV TL1,#(65536-1000)%256 CPL SOUND INC TCNTA MOV A,TCNTA JB FLAG,I1 ;判斷是高溫警報還是低溫警報 CJNE A,#30,RETUNE ;低溫警報聲 SJMP I2 I1: CJNE A,#20,RETUNE ;高溫警報聲 I2: MOV TCNTA,#0 INC TCNTB MOV A,TCNTB CJNE A,#25,RETUNE MOV TCNTA,#0 MOV TCNTB,#0 LCALL DELAY2RETUNE:RETIDISP: MOV A,LED_0 ;數碼顯示子程序MOVDPTR,#TABLE1 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.3 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.3 MOV A,LED_1 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.2 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.2 MOV A,LED_2 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.1 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.1 RETDELAY: MOV R6,#10D1: MOV R7,#100 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RETDELAY2:MOV R5,#20D2: MOV R6,#20D3: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D3 DJNZ R5,D2 RETTABLE1: DB3FH,06H,5BH,4FH,66HDB 6DH,7DH,07H,7FH,6FHTABLE2:DB0,0,1,1,2DB2,2,3,3,4DB4,4,5,5,5DB6,6,7,7,7DB8,8,9,9,9DB10,10,11,11,11DB12