计算机毕业论文

(049) AT89C51单片机温度巡回测控仪

【摘要】温度测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。利用单片机技术的温度测控仪以其体积小、，可靠性高而被广泛采用。本文对该测控仪系统进行了分析设计。
首先，本文针对系统所使用的AT89C51单片机的性能和发展情况做了简单介绍；对系统使用的模/数转换芯片ADC0809做了性能方面的简单说明；同时对测量温度可达千度以上的K型镍铬-镍硅热电偶做了介绍。
其次，本文重点对测控仪硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计。对各部分的电路一一进行了介绍，最终实现了该系统的硬件电路。绘制了电路原理图，绘制了印制电路板图，并将制成的线路板焊接上了元件，完成了硬件调试。根据硬件的设计和测控仪所要实现的功能，本文对软件也进行了一一设计，并经过反复的模拟运行、调试，修改简化了软件系统，最后形成了一套完整的程序系统。
最后，简单介绍了功能强大的Protel99 SE软件的使用，并借助此软件根据硬件框图绘制了系统原理图，绘制了印制线路板图。

【关键词】AT89C51、ADC0809、热电偶、软件系统、硬件系统、Protel99 SE

摘要 ……………………………………………………………………….…………1

第一章绪论 ………………………………………………………………………………2

1．1 设计任务及要求 ……………………………………………………………...2

1．2 单片机的简单介绍 ……………………………………………………………2

1．3 ADC0809芯片的简单介绍 ………………………………………………….3

1．4 热电偶的简单介绍 …………………………………………………………….3

第二章 AT89C51单片机温度巡回测控仪分析与设计 ……………………………..5

2．1 总体分析 ………………………………………………………………………..5

2．2 总体控制框图 ………………………………………………………………….5

第三章 AT89C51单片机温度巡回测控仪系统的硬件实现 ………………………6

3．1 输入电路的设计 ……………………………………………………………….6

3．1．1 热电偶放大电路、补偿电路、断线检测的设计实现 ………………6

3．1．2 手动，自动工作方式选择电路的设计实现 …………………………..6

3．1．3 光偶电路的设计实现 ………………………………………………………7

3．1．4 A/D0809与AT89C51接口电路的设计实现 ………………………….8

3．2 输出电路设计 ……………………………………………………………………8

3．2．1 四位LED数码管驱动电路的设计实现 ……………………………….8

3．2．2 超温报警电路的设计实现 …………………………………………..8

3．2．3 温度控制电路的设计实现 …………………………………………...8

3．3 复位电路的设计实现 ………………………………………………………..9

3．4电源的设计实现 ……………………………………………………………….9

3．5 电路板的制作与调试 ………………………………………………………...9

3．6元件清单 …………………………………………………………………………9

第四章 AT89C51单片机温度巡回测控仪的软件实现 ……………………………10

4．1 主程序的逐步设计 …………………………………………………………….10

4．1．1 初始化和工作方式选择程序的设计实现 ……………………………10

4．1．2 数字量去极值平均滤波程序的设计实现 ……………………………10

4．1．3 测量值调整程序的设计实现 …………………………………………….11

4．1．4 二进制温度值转化成BCD码温度显示值的程序设计实现 ………12

4．1．5 超温报警程序及继电器控制程序的设计实现 ………………………12

4．2 INT0外部中断程序的设计实现 ………………………………………….13

4．3 定时/计数器T1溢出中断程序的设计实现 ……………………………..14

4．4 各种被调用子程序的设计实现 ……………………………………………...14

4．4．1 延时子程序的设计实现 …………………………………………………..15

4．4．2 蜂鸣程序的设计实现 ……………………………………………………..16

4．5 CPU抗干扰技术的程序设计实现 …………………………………………15

4．5．1 指令冗余与软件陷阱程序的设计实现 ………………………………..16

4．5．2 程序运行监视系统（WATCHDOG）的设计实现 ……………….16

4．5．3 纠错程序（ERR）的设计实现 ……………………………………….16

4．6 软件系统容错程序的设计实现 …………………………………………..17

4．7 系统软件的汇编与调试 ……………………………………………………17

第五章原理图及电路图的使用工具软件Protel99 SE使用简介 ……………….19

5．1 Protel99 SE的总概况 ………………………………………………………19

5．2 电路原理图的绘制过程 ……………………………………………………19

5．3 制电路板的绘制过程 …………………………………………….………..19

5．4 PCB上各元件的信号分析 ……………………………………………….20

5．5 使用Protel99 SE软件的体会 …………………………………………..20

第六章结束语 ……………………………………………………………………………21

参考文件 ……………………………………………………………………22

附录一主程序流程图…………………………………………………………23

附录二系统软件………………………………………………………………24

附录三元件清单………………………………………………………………33

第一章绪论

1．1 本次设计任务及要求

本次的设计是在深圳铭群科技分阶段进行的。设计课题由黄清根教授精心提出。设计任务为：设计一个测温范围在0~~1000℃的温度测量仪。设计要求：完成该系统的软硬件设计，学习掌握机电一体化系统的设计方法，提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。

1．2 AT89C51单片机的性能及应用

单片机是早期Single Chip Microcomputer的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器(Embedded Microcontrolle)。
大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。它不同于一般通用计算机系统结构，即程序和数据共用一个空间的冯·诺伊曼(Von Neumann)结构。
AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。该单片机采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。其主要特征如下：
○18位CPU
○2内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次
○3完全定态操作：0Hz~24Hz，可输出时钟信号
○4128B的片内数据存储器
○532根可编程I/O线
○62个16位定时/计数器
○7中断系统有6个中断源，可编为两个优先级
○8一个全双工可编程串行通道
○9具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式
值得注意的是，P0、P1、P2、P3口作为普通I/O口使用时都是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。当内部总线给口锁存器置0或1时，锁存器中的0、1状态立即反映到引脚上。但在输入操作时，如果锁存器状态为0引脚被钳位0状态，导致无法读出引脚的高电平输入。因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置1（称之为置输入方式）。然后，再读引脚，例如：要将P1口的状态读入到累加器A中，应执行以下两条指令：
MOV P1，#0FFH ；P1口置入方式
MOV A， P1 ；读P1口引脚状态到A
另外，I/O口的端口自动识别功能，保证了无论是P1口（低8位地址）P2口（高8位地址）的总线复用，还是P3口的功能复用，内部资源自动选择而不需要用指令进行状态选择。
近年来，随着计算机技术的发展，单片机的功能越来越强大。由于单片机的寿命长、速度快、低功耗、低噪声、可靠性高的特点及16位、32位单片机的出现，在工业领域仍具有很大的发展潜力。

1．3 ADC0809模数转换芯片简单介绍

ADC0809是美国国家半导体公司（National Semiconduct Corporation）产品。是逐次逼近型芯片，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0~~5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR，控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线。ADC0809的分辨率为8位，单一5V供电，功耗为15mW，不必进行零点和满刻度调整，外部时钟频率范围为10KHz~~1280KHz，ADC0809AT89C51的硬件接口有三种方式：查询方式，中断方式，等待延时方式。此测量仪采用中断方式。虽然ADC0809走过了自己的辉煌时期，已经不是目前功能最好的模数转换器件，但是他的廉价和品质在许多领域被广泛使用。

1．4 热电偶的简单介绍

热电偶（图见下页）是将不同材质的两根导线互相焊接起来，将此焊点置于被测温度下，而出现的与被测温度有确定关系的电动势的温度传感器件。它的结构简单，可以测量高达1000℃以上的温度，由于本身尺寸小，可以用来测量小空间的温度，并且动态响应快，电动势便于传送。虽然，热电偶所提供的“热电动势”信号是至多不过几十毫伏的微小电动势，但它还是由两种电动势形成的即接触电动势，温差电动势。这两种电动势及其代数和都与导体的粗细长短无关。
热电偶有一个重要的特点就是：在热电偶闭合回路中出现了除两种不同金属的第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相等，就对热电动势大小无丝毫影响。据此特点，把冷端打开，接入仪表，就可以测量总电动势。为了使冷端远离热端，保持稳定不便，就必须把冷端引到远处。如果热电偶是廉价材质可用相同的材质延伸冷端，这叫“延伸导线”。如果是贵重金属则要用相同热电性质的材质延伸冷端这叫“补偿导线”。因此系统采用K型镍铬-镍硅热电偶，所以采用了价格廉价的铜-康铜作为补偿导线。
在实际测量中，为了准确的测量温度值必须对冷端进行处理和补偿。常用的方法有：冰点槽法、计算修正法、补正系数法、零点迁移法、冷端补偿法、软件处理法等。冷端补偿器（图见下页）是一个直流不平衡电桥，在它的四个桥臂中，有一个铜电阻Rcu，铜的电阻温度系数较大，阻值随温度而变。其余三臂电阻值恒定锰铜电阻制成，桥臂Rcu必须和冷端靠近并处于同一温度中。设计时Rcu在0℃下的阻值和其余三个臂R1、R2、R3全相等，这种情况下电桥处于平衡状态，图中a和b之间的电压Uab=0对热电动势没有补偿作用。当冷端温度t0大于0℃时，热电动势减小。但Rcu增大使电桥不平衡，出现Uab大于0而且其极性是a为负b为正。这时Uab与热电动势Eab（t，t0）同向串联，使输出值得到补偿如果限流电阻R选择合适，可使Uab增大的值恰恰等于热电动势减少的值，就完全避免了t0的变化对测温的影响。
对于计算机系统，不必全靠硬件进行冷端处理。例如，冷端温度恒定，但不为0℃的情况，只需在采样后加一个冷端温度对应的常数即可。对于t0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把t0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序让计算机自动修正。
最后，根据测出的热电动势可以通过查热电偶分度表得出温度值。利用计算机技术构成的仪表中，为了节省存储空间，可采用计算公式法。

第二章 AT89C51单片机温度巡回测量仪分析与设计

2．1 总体分析

温度测量在工业，农业，国防等行业有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对温度测量的精度要求愈来愈高。由于AT89C51单片机的设计时间有限其精度不是很高，但它的测温范围很宽（0~~1000℃），可以直接应用在对温度精度要求不高的各种现场。
AT89C51单片机温度巡回测量仪采用K型镍铬-镍硅热电偶满足高温度测量，并将温度信号转换成几毫伏的微小电动势，通过放大电路最终交由模/数转换芯片转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阴极数码管。该测量仪可实现多点（8点）不同区域测量，巡回自动，手动测量。还具有超温报警和自动控制功能，当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备。
除此之外，考虑到测量仪会用于工业生产当中，可靠性要求比较重要，并要具有抗干扰能力和避免、消除干扰的能力，以保证系统平稳工作。
由以上大致分析，整个系统控制将由AT89C51单片机为核心构成。选用ADC0809作为模/数转换芯片，各个检测信号、控制信号、显示信号可由单片机的I/O口进行，并由程序保证系统抗干扰的能力。

2．2 控制框图的设计

系统主要包括对A/D0809的数据采集，检测自动手动工作方式，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、手动方式键、自动方式键、A/D转换芯片。执行机构有4位数码管、报警器、继电器等。系统框图如下：

第三章 AT89C51单片机温度巡回测量仪系统硬件的实现

在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。在第二章中已分析了系统并绘制了框图，下面将根据框图分别设计各部分电路。

3．1 输入电路的设计实现

3．1．1 放大电路，基点补偿及断线检测电路的设计

热电偶的输出电压很小，每度只有十几毫伏，要求运算放大器的漂移必须很小。特别是滤波器的电容C1，如果漏电大则会产生很大的偏移电压。此系统采用CA3140运算放大器。例如，C1的漏电电流若为0.1微安，电阻为1K，就会产生0.1*1K=100的偏移电压。由于热电偶存在温差电动势，所以，基准点的温度必须一定，与热电偶相配的元件必须是高输入阻抗，保证不从热电偶取电流，否则测出的是端电压而不是电动势。为了避免导线接线端子，切换开关等外部电路由于金属材料的不同而产生接触电动势，以及温差电动势故采用集成多路开关的模数转换芯片AD0809。同时考虑到热电工偶作环境温度高金属容易氧化断裂，在线路中设计了断线检测电路。如下图： ... ... ... ...

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【论文说明】该论文包含冷端补偿器电路、系统框图、热电偶放大补偿断线检测电路、消抖电路、温度控制电路、流程图和程序代码（文字），Word格式，文件大小276K，字数1.5万，论文排版很规范，专业性很强，适用于计算机应用专业！