南昌航空大学专业课程设计报告

课程设计说明书

课程设计名称：单片机原理与应用

课程设计题目：温度采集与控制（二）学院名称：信息工程学院

专业：电子信息科学与技术班级：100432学号：12345678姓名：某人评分：教师：吴小润

2013年6月25日

电子信息科学与技术专业课程设计任务书

2012－2013学年第2学期分散1周第17周－19周集中

题目温度的采集与控制（二）

内容及要求

（1）、采用PT100温度传感器测温；

（2）、采用0804A/D转换器；

（3）、测温范围0~255℃，分辨率为±1℃；

（4）、当采集温度超过200℃时能用继电器控制LED亮。

主要参考元器件

ADC0804、TL084、PT100、STC89C51

进度安排

1、分散阶段：第15周至第16周根据指导教师布置的题目，学生查资料，确定

设计方案，画出电路图。

2、集中阶段：第17周至第19周集中辅导学生完成系统的调试、专业课程设计

测试、上交报告。

学生姓名：

指导时间第17周-19周指导地点：综合楼中509任务下达2013年6月9日任务完成2013年6月25日

考核方式 1.评阅□ 2.答辩□ 3.实际操作□ 4.其它□

指导教师吴小润系（部）主任王忠华

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

温度的采集与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用，例如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制，特别是利用单片机技术的温度测控系统更是以其体积小、可靠性高而被广泛采用。

本设计主要采用单片机技术并用小规模集成电路设计实现温度实时采集与控制。根据模块化设计思想，本电路主要分为四大部分：其一是测量放大电路模块，它主要由电桥和三运放差分放大电路实现；其二是A/D转换模块，主要使用ADC0804A/D中速8位转换器实现模拟温度数字化；其三是51单片机控制模块，由STC单片机编程控制AD转换及报警及温度显示；其四是报警电路模块，由PNP、继电器控制LED报警实现。

本设计最终实现了温度实时采集与控制功能，温度每变化一度，显示数据更新一次，温度测量范围是0至255℃，并且当温度超过200℃时，LED灯亮，实现报警，是一个经济实用的控制系统，为研发更精确、功能更强大的温度采集控制系统奠定了基础。

关键字：铂热电阻、A/D转换、模拟信号数字化、单片机技术

目录

前言 (1)

第一章温度采集与控制设计要求 (2)

1.1设计任务及要求 (2)

第二章设计方案及系统设计概述 (3)

2.1设计方案 (3)

2.2硬件系统组成 (3)

2.3工作原理 (5)

第三章电路设计 (6)

3.1测量放大电路 (6)

3.2A/D转换电路 (7)

3.3报警电路 (10)

3.4单片机控制电路 (10)

3.5软件编程 (13)

第四章制作、调试、结果分析 (18)

4.1制作部分 (18)

4.2系统调试 (18)

4.3结果分析 (19)

第五章设计总结与展望 (19)

参考文献 (20)

附录一元器件清单 (21)

附录二仿真原理图 (22)

前言

随着现代信息技术的飞速发展，温度采集与控制系统在社会生产生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。

从目前温度控制的产品现状及国内外的市场前景来看，温度采集与控制课题是一个成熟的有市场潜力的研究项目。该课题的研究不仅能够解决国内在这方面研究的弱势，而且能够迅速适应市场发展，满足国内外市场的需求。目前我国农业经济占很大比例，而温控系统在农业生产中显得尤为重要，并且由过去单因素控制向利用环境计算机进行多因子动态控制的展，以后更趋于智能化、网络化和节能化发展。

由于所学理论知识和学校所提供器件都有限，本次设计采用单片机技术完成，控制功能比较简单，很容易就能实现，其他的模块电路采用的是最基本电子技术。本设计最重要的是用单片机软件编程实现功能，它的编程思想方法仍值得学习和研究，为温控系统的进一步研究奠定基础。

第一章温度采集与控制设计要求

1.1设计任务及要求

一、基本要求

（1）、采用PT－100温度传感器测温

（2）、采用0804A/D转换器

（3）、测温范围：0℃-255℃，分辨率为±1℃

（4）、当采集温度超过200℃时能能用继电器控制LED发光管亮。

二、设计任务

（1）画出原理图，并分析电路各部分电路元件的功能。

（2）熟悉电路中所用到的ADC0804芯片、电桥电路的测试，单片机的应用以及数码管的显示。

（3）进行软件的编程，实现温度的转换，使数码管显示温度值。

（3）进行电路的排版、焊接、分级调试、调试，直到电路能达到规定的要求。

（4）记录实验测量数据，并写出完整、详细的课程设计报告。

三、设计目标

（1）用桥式电路对信号进行检测，并用电位器模拟PT100使电桥电路产生电压差。

（2）对产生的电压差通过ADC0804进行模数转换，并通过软件控制单片机使数码管显示温度值。

（3）当转换后的温度超过200°时，通过继电器控制LED灯报警。

第二章设计方案及系统设计概述

2.1设计方案

根据参考原理框图，电路分成由被测量、传感器、变换器组成的测量放大电路与AD转换电路和单片机控制电路及报警电路四大部分，其中单片机控制还包括数码显示。主要参考元件有PT100、ADC0804、STC89C52、四位数码管、继电器。通过仿真，发现该方案能实现测温、控温基本要求。原理框图如图2-1所示。

送数控制

图2-1温度采集与控制原理框图

2.2硬件系统组成

本次设计需要设计一个具有温度采集和控制的单片机应用系统，包括硬件电路和软件编程两部分内容。下面分别介绍下硬件系统组成和软件编程流程。

1.测量放大电路

测量放大电路有很多方法，在模拟电路课程中学习过同相比例放大电路、反相比例放大电路和差分放大电路等等。

方案一：利用LM741组成两个反相放大器，第一个的放大倍数为20倍，第二个为51倍，两个方向放大电路使得负向电压输出变为正向电压输出，共放大约为100倍，其具体电路接法如图2-2。

图2-2反向放大与电压跟随器够成放大电路

方案二：由三个运算放大器构成的测量放大电路。放大器由二级串联，前级是两个同向放大器，对称结构，具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差分放大电路，切断共模干扰的传输，将双端输入方式变换成单端输出方式，以适应对地负载的要求，如图2-3。

图2-3三运放差分放大电路

方案二与方案一相比，具有高输入阻抗、高共模抑制比、闭环增益调整方便、低

失调、低漂移、平衡差动输入、输出电阻小等优点，因此在设计中利用更广泛，本次设计采用方案二完成温度测量放大功能。

2.A/D转换电路

A/D转换是本次设计重要部分，它将测量放大后的温度信号转换数字信号，控制便于计算机处理以及单片机控制，起着承上启下的重要作用，并且所选芯片决定温度测量的范围。常用的A/D转换有ADCO8O4、ADCO809,其中ADC0809为8路的AD转换芯片，可以对8路模拟信号进行AD转换，ADC0804则为单路的AD转换芯片。二者的分辨率都为八位，转换误差：±1LSB。由设计要求，选用ADCO8O4。

3.报警电路

报警电路是由三极管驱动及单片机控制，使得温度达到200℃继电器有电流时二极管发光，实现报警功能。

4.单片机控制电路

单片机通过硬件电路和软件编程控制A/D转换、控制温度报警以及数码管显示，是整个设计的核心部分。

5.软件编程

软件编程是本次设计的灵魂，就算硬件电路万无一失，没有正确的程序也是无济于事，整个设计也是功亏一篑。本设计编程是用C语言更简便明了，主要包括延时、数码管显示、控制ADC0804读写子程序，控制模拟信转换成数字信号并由数码管显示。

2.3工作原理

PT100传感器感知外界温度后其自身电阻发生变化，导致电桥失去平衡，产生电压差，经过三运放组成的差分放大电路将电压放大一定的倍数得到相应的电压信号，再将其作为ADC0804的输入信号，通过AD转换后，得到温度数字量，最后采用单片机控制技术使数码管显示相应的温度，并且要判断温度是否超过上限，若超过就启动报警功能。

第三章电路设计

温度采集与控制原理电路图简单易懂，根据模块化设计思想，现在将其分为以下几个模块单元进行设计，不仅降低设计难度，而且便于调试，单元电路设计如下：3.1测量放大电路

测量放大电路在日常生活和工业生产中应用广泛，在实际运用当中有些基本要求。比如说，测量放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗匹配，需要稳定的放大倍数，噪声低，和低的输入失调电压和输入失调电流以及温漂。而且要求要有足够高的共模输入范围和高共模抑制比。本设计所采用的放大电路是三运放差分放大电路，由三个运算放大器构成的测量放大电路。放大器由二级串联，前级是两个同向放大器，对称结构，具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差分放大电路，切断共模干扰的传输，将双端输入方式变换成单端输出方式，以适应对地负载的要求，如图3-1所示。

图3-1测量放大电路

该电路不仅满足上述要求，而且由图可以看出，它的输入信号是由前面电桥输出的差模信号，当PT100温度传感器感知到外界温度变化时，其电阻会产生相应的变化使得差模信号电压发生相应变化。而电路对差模信号的放大倍数为：

(式3-1)

式中，RV1为用于调节放大倍数的外接电阻。通常RV1采用电圈电位计，并应靠

近组件。若距离较远，应将连线绞合在一起。改变RV1，可使放大倍数在1―1000范围内调节。理论上，不管选用哪种型号的运算放大器，组成前级差动放大器的U1A和U1B两个芯片必须要匹对，即两块芯片的温度漂移符号和数值尽量相同或接近，以保证模拟输入为零时，放大器的输出接近为零。

当测量放大电路前端的两个运放的特性完全对称时，加在两个输入端的共模电压信号将以1:1的增益比例出现在前级差动放大器的U1A和U1B两个芯片的输出端。放大电路的输出电压与共模电压信号的比值推导得：

式（3-2）

可见，差分放大器对其共模信号的增益是与电路的匹配电阻的大小成正比的，如果电路中对称的电阻匹配得很好，放大器对共模信号的抑制就会很强。

在本次设计中，要求将所测温度进过测量放大电路得到0至5V的电压。而电桥部分输出差模信号理论值在0至50mv，所以差分放大电路的放大倍数应该为100左右。根据式3-1，可选择参数都为10KΩ,为4.7KΩ,RV1选用200Ω电位器，这样理论上最低放大倍数为48，只要调试过程中将电位器调节至合适电阻使得电路放大倍数为100，即可实现温度的测量放大功能，进而进入下一步设计。

上述电路不仅能够满足上述要求，而且PT100线性好，精度比较高，而且成本低，是本次课设的不二选择，且运放选用的是TL084，具有高转换率，低输入偏置和偏置电流，低失调电压温度系数的特点，它的放大倍数比LM324更大。

3.2A/D转换电路

A/D转换是单片机技术的重要运用，它将模拟信号转换成数字量，是数据采集的重要通道和信号转换的主要方式。本设计选用ADC0804转换器，这是一个具有20引脚8位CMOS逐次A/D转换器，是一个具有高阻抗状态输出，分辨率为8位且转换值介于0至255之间、存取时间为135us，转换时间为100us、总误差为-1至+1LSB特征的转换器。工作时，模拟电压输入范围为0至5V,参考电压为2.5V,工作电压为5V，它的最小电压转换值为5/256,约为0.01953V，是一个性价比高的A/D转换器。芯片引脚图如图3-2所示。

图3-2ADC0804引脚图

如图3-2，引脚说明如下：

●:芯片片选信号，低电平有效，芯片正常工作。

●：读控制信号，当和皆为低电平时，ADC0804会将转换后的数字信号经由DB7-DB0

输出至其他处理单元。

●：启动转换控制信号。当和皆为低电平时，芯片清零，系统重置。当出现上升沿

时，芯片开始转换信号，此时设定为高电平。

●CLKIN、CLKR:频率输入/输出,在两引脚之间加上RC电路可产生ADC工作所需时序。

其频率约为：，RC不同转换率不同，频率越高，转换越快，但是应注意频率范围在100KHz至1460KHz之间。

●：中断请求。转换期间为高电平。转换完毕为低电平，此时可以读取数字信号。

●、:差动模拟信号的输入端，输入电压为—，通常使用单输入，将接地。

●AGND:模拟电压接地端。

●：模拟参考电压输入端。为模拟电压的上限值，若其空接，则的上限值为VCC。

●DGND:数字电压接地端。

●DB7—DB0：转换后数据输出端。

●VCC：驱动电压输入端。

ADC0804转换过程时序图和数据信号流向分别如下图3-3和3-4所示。

图3-3信号转换时序图

S0:=0、=0、=1，开始进行A/D转换

S1：=1、=1、=1，转换完毕后将高电位将至低电位

S2:=0、=1、=0，启动读数

S3:=1、=1、=1，读取转换后的数据

图3-4信号流向图

本设计A/D转换原理如图3-5所示，它的频率约为606KHz，6引脚输入的是图3-1中输出电压，由单片机P3口控制芯片的片选和读写，转换后的数字信号数据传至P2口。

图3-5A/D转换原理图

3.3报警电路

报警电路如图3-6所示，它是由三极管驱动及单片机控制，使得温度达到200℃，让P1.4引脚输出低电平，让Q5和Q6同时导通，使得继电器有电流通过，衔铁吸附至另一边，二极管导通发光，实现报警功能。

图3-6报警电路

3.4单片机控制电路

本设计使用的是单片机是STC89C52，它是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12M时钟和6M时钟可以任意选择。5V单片机的工作电压为5.5V～3.3V，3V单片机的3.8V～2.0V，工作频率范围为0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。它的用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM。与8051单片机一样，通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。具有EEPROM功能和看门狗功能，可在系统编程和在应用编程无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒，具有通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART，工作温度范围：-40～+85℃（工业级）、0～75℃（商业级）。

由单片机控制数码管显示包括串行显示与并行显示，串行显示通过单片机自带的串行口输出；行显示，运用单片机的4个并行端口输出。仿真采用的是由单片机直接将处理后的数字信号送至四位数码管显示。在实物制作时由下面两种方案。

方案一：采用74ls164串行显示。电路图如图3-7

图3-774ls164串行显示

单片机工作在方式0，当输出SBUF时，RXD位字节，同时TXD输出移位，具有固

定的波特率，为Fosf/12。静态显示三位温度值。

方案二：通过P口并行输出。借助74HC573将三位温度动态显示在数码管上。如图3-9所示。

图3-8P口并行输出

方案比较：方案一具有电路简单，实现方便的特点，不过容易受到波动影响。方案二则具有较强的抗干扰能力，但所需控制端口较多。本次设计直接使用开发板上的数码管显示电路方便简单，所以采用方案二。

STC89C52芯片引脚图如图3-9所示。

图3-9STC89C52芯片引脚图

由图3-6可以看出，STC89C52与8051的主要区别是多了一个定时器/计数器T2,中断源使用方法基本类似，这里不再赘述。

在本次设计中，单片机的作用是通过硬件电路和软件编程控制A/D转换、控制温度报警以及数码管显示。由P3口控制ADC0804的读写工作状态；P2口获取A/D转换后得到的数字信号；P1口的P1.0和P1.1用于控制数码管显示的段选和位选，P1.4用于控制报警电路，当温度超过200℃后使得P1.4输出低电平让二极管发亮；P0口用于输出经过单片机处理后的数字信号到数码管用于显示实时温度。单片机控制连接如图3-10所示，接下来分析如何通过软件编程实现上述电路。

图3-10单片机控制连接图

3.5软件编程

本设计编程是用C语言更简便明了，主要包括延时、数码管显示、控制ADC0804读写子程序，控制模拟信转换成数字信号并由数码管显示。程序流程图如图3-11所示。

图3-11程序流程图

根据程序流程图和开发板原理图，要实现单片机控制功能，先做如下位定义和函数声明：

sbit cs=P3^4;//控制ADC0804片选；

sbit wr=P3^6;//控制ADC0804写；

sbit rd=P3^7;//控制ADC0804读；

sbit duan=P1^0;//控制数码管段选；

sbit wei=P1^1;//控制数码管位选；

sbit bj=P1^4;//控制报警电路；

uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};//存放字型码void init();//声明初始化函数

void ad_start();//声明启动A/D转换函数

uchar ad_read();//声明读A/D转换结果函数

void display(uchar bai,uchar shi,uchar ge);//声明数码管显示函数

设计主程序如下，启动A/D转换后读数再通过除法和求余得到温度的个、十、百位，最后由P0口并行输出显示

void main(){

uchar adout,a1,a2,a3;

init();//调用初始化函数

while(1)

{ad_start();//启动A/D转换

Delay(10);//延时

adout=ad_read();//读取转换结果

bj=1;

if(adout>=200)//判断结果是否超过200

bj=0;//超过200启动报警

P2=ad_read();

a1=adout/100;//求所测温度的百位

a2=adout%100/10;//求所测温度的十位

a3=adout%100%10;//求所测温度的个位

display(a1,a2,a3)

}现介绍几个模块子程序：

1.延时,通过for循环实现,延时1ms

void Delay(uint t){

uint i;

for(;t>0;t--)

for(i=110;i>0;i--);

}2.初始化，给P1、P2、P3口置一，作为I/O口使用

void init(){

P1=0xff;

P2=0xff;

P3=0xff;

}3.启动A/D转换，将置零使芯片能工作，再将、置零启动芯片读写功能void ad_start(){

cs=0;

_nop_();//空操作，时间为1us

wr=0;

_nop_();

wr=1;

_nop_();

cs=1;

}4.读转换结果，经P2口送给无符号字符temp，并返回到主函数中uchar ad_read(){

uchar temp;

P2=0xff;

cs=0;

_nop_();

rd=0;

_nop_();

temp=P2;

_nop_();

rd=1;

_nop_();

cs=1;

wr=0;

return(temp);

}