课程设计（论文）-基于单片机的温度测量和报警系统的设计

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1、机械工程学院课程设计说明书基于单片机的温度测量和报警系统的设计- 1 -1 绪论1.1 设计背景温度采集系统的开发在很大意义上提高了生产生活的需要，是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一，方便了生产中对温度的控制，有效的提高了生产质量。外围电路比较简单，测量精度较高，分辨力高，使用方便。温度检测是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。本次课程设计正是为了完成温度采集而设计的，可以说与人们的日常生活是息息相关的，具有很大的现实意义。现代工业设计及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高

2、生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求及其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，温度控制器可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化时人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产、生活 【2】 。1.2 设计要求设计基于单片机的温

3、度控制器，用于显示实时温度，并且当温度值超出系统设定的范围值时，电路要有报警的功能。具体要求如下：（1）温度测量范围：0100（2）具有超出上下限报警功能（3）精度：0.1（4）利用数码管显示温度值1.3 设计任务本设计以单片机为核心的温度控制器，在该设计中采用高精度的温度传感器对温度进行实时精确测量，用超低温漂移高精度运算放大器 OP07 将温度-电压信号进行放大，再送入 12 位的 A/D 转换器进行 A/D 转换以便于单片机进行处理，最后通过四位 LED 数码管实时显示，并有越限声光报警电路，从而实现自动检测报警 【3】 。机械工程学院课程设计说明书基于单片机的温度测量和报警系统的设计-

4、 2 -2 系统总体方案设计2.1 系统总体设计框图及其说明CPU报警电路A/D 转换电路译码、信号放大显示电路放大电路传感器图 2.1 系统流程框图工作原理：在导线中输出利用传感器接收的电压信号，经过运算放大器后实现 A/D(模拟量转换为数字量)转换，输入至 CPU 也即单片机与系统自设温度值比较并输出显示实时温度值，如果高于系统自设值，则发出一个接通报警电路的信号报警，具体流程图如图 2.1。2.2 系统芯片及其元器件的选择2.2.1 单片机 AT89S51图 2.2 AT89S51 芯片AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-

5、system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 【7】 。此外，AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM 的数据，停止芯片其它

6、功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和机械工程学院课程设计说明书基于单片机的温度测量和报警系统的设计- 3 -PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。由于系统控制方案简单 ,数据量也不大 ,考虑到电路的简单和成本等因素 ,因此在本设计中选用 ATMEL 公司的 AT89S51 单片机作为主控芯片。主控模块采用单片机最小系统是由于 AT89S51 芯片内含有 4 kB 的 E2PROM ,无需外扩存储器 ,电路简单可靠 ,其时钟频率为 024 MHz 。在系统中，其功能是实现温度的数字值采集，完成温度的数字采集值到对应数字温度的转换计算，并把计算的数字温度

7、转换相应的显示段码，控制 LED 显示器以动态扫描方式进行温度显示 【4】 。其主要功能特性：兼容 MCS-51 指令系统 4k 可反复擦写(1000 次）ISP Flash ROM32 个双向 I/O 口 2 个 16 位可编程定时/计数器 全双工 UART 串行中断口线 128x8 bit 内部 RAM2 个外部中断源 双数据寄存器指针中断唤醒省电模式 3 级加密位设置空闲和省电功能 看门狗（WDT）电路软件4.5-5.5V 工作电压 时钟频率 0-33MHz表 2-1 AT89S51 功 能 特 性AT89S51 管 脚 说 明 ， 如 图 2.3 所 示 。图 2.3 PDIP 封 装

8、 的 AT89S51 管 脚VCC： 电 源 电 压 输 入 端 。 GND： 电 源 地 。 P0 口 ： P0 口 为 一 个 8 位 漏 级 开 路 双 向 I/O 口 ， 每 脚 可 吸 收 8TTL 门 电 流 。 当 P1 口 的 管脚 第 一 次 写 1 时 ， 被 定 义 为 高 阻 输 入 。 P0 能 够 用 于 外 部 程 序 数 据 存 储 器 ， 它 可 以 被 定 义 为 数据 /地 址 的 第 八 位 。 在 FIASH 编 程 时 ， P0 口 作 为 原 码 输 入 口 ， 当 FIASH 进 行 校 验 时 ， P0 输出 原 码 ， 此 时 P0 外 部

9、必 须 被 拉 高 。 P1 口 ： P1 口 是 一 个 内 部 提 供 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 口 缓 冲 器 能 接 收 输 出 4TTL门 电 流 。 P1 口 管 脚 写 入 1 后 ， 被 内 部 上 拉 为 高 ， 可 用 作 输 入 ， P1 口 被 外 部 下 拉 为 低 电 平 时 ，将 输 出 电 流 ， 这 是 由 于 内 部 上 拉 的 缘 故 。 在 FLASH 编 程 和 校 验 时 ， P1 口 作 为 第 八 位 地 址 接 收 。P2 口 ： P2 口 为 一 个 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ，

10、P2 口 缓 冲 器 可 接 收 ， 输 出 4 个TTL 门 电 流 ， 当 P2 口 被 写 “1”时 ， 其 管 脚 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 ， 且 作 为 输 入 。 并 因 此 作 为 输入 时 ， P2 口 的 管 脚 被 外 部 拉 低 ， 将 输 出 电 流 。 这 是 由 于 内 部 上 拉 的 缘 故 。 P2 口 当 用 于 外 部机械工程学院课程设计说明书基于单片机的温度测量和报警系统的设计- 4 -程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 外 部 数 据 存 储 器 进 行 存 取 时 ， P2 口 输 出 地 址 的 高 八 位 。 在 给 出 地 址“

11、1”时 ， 它 利 用 内 部 上 拉 优 势 ， 当 对 外 部 八 位 地 址 数 据 存 储 器 进 行 读 写 时 ， P2 口 输 出 其 特殊 功 能 寄 存 器 的 内 容 。 P2 口 在 FLASH 编 程 和 校 验 时 接 收 高 八 位 地 址 信 号 和 控 制 信 号 。 P3 口 ： P3 口 管 脚 是 8 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 I/O 口 ， 可 接 收 输 出 4 个 TTL 门 电 流 。当 P3 口 写 入 “1”后 ， 它 们 被 内 部 上 拉 为 高 电 平 ， 并 用 作 输 入 。 作 为 输 入 ， 由 于 外 部 下

12、拉 为 低电 平 ， P3 口 将 输 出 电 流 （ ILL） 这 是 由 于 上 拉 的 缘 故 。 P3 口 除 了 作 为 普 通 I/O 口 ， 还 有 第 二功 能 ： P3.0 RXD（ 串 行 输 入 口 ） P3.1 TXD（ 串 行 输 出 口 ） P3.2 /INT0（ 外 部 中 断 0） P3.3 /INT1（ 外 部 中 断 1） P3.4 T0（ T0 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ） P3.5 T1（ T1 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ） P3.6 /WR（ 外 部 数 据 存 储 器 的 写 选 通 ） P3.7 /RD（ 外 部 数 据

13、 存 储 器 的 读 选 通 ） P3 口 同 时 为 闪 烁 编 程 和 编 程 校 验 接 收 一 些 控 制 信 号 。 I/O 口 作 为 输 入 口 时 有 两 种 工 作 方 式 ， 即 所 谓 的 读 端 口 与 读 引 脚 。 读 端 口 时 实 际 上 并 不 从外 部 读 入 数 据 ， 而 是 把 端 口 锁 存 器 的 内 容 读 入 到 内 部 总 线 ， 经 过 某 种 运 算 或 变 换 后 再 写 回 到 端口 锁 存 器 。 只 有 读 端 口 时 才 真 正 地 把 外 部 的 数 据 读 入 到 内 部 总 线 。 89C51 的 P0、 P1、 P2、

14、P3口 作 为 输 入 时 都 是 准 双 向 口 。 除 了 P1 口 外 P0、 P2、 P3 口 都 还 有 其 他 的 功 能 。 RST： 复 位 输 入 端 ， 高 电 平 有 效 。 当 振 荡 器 复 位 器 件 时 ， 要 保 持 RST 脚 两 个 机 器 周 期 的 高电 平 时 间 。 ALE/PROG： 地 址 锁 存 允 许 /编 程 脉 冲 信 号 端 。 当 访 问 外 部 存 储 器 时 ， 地 址 锁 存 允 许 的 输 出电 平 用 于 锁 存 地 址 的 低 位 字 节 。 在 FLASH 编 程 期 间 ， 此 引 脚 用 于 输 入 编 程 脉 冲

15、。 在 平 时 ，ALE 端 以 不 变 的 频 率 周 期 输 出 正 脉 冲 信 号 ， 此 频 率 为 振 荡 器 频 率 的 1/6。 因 此 它 可 用 作 对 外部 输 出 的 脉 冲 或 用 于 定 时 目 的 。 然 而 要 注 意 的 是 ： 每 当 用 作 外 部 数 据 存 储 器 时 ， 将 跳 过 一 个 ALE脉 冲 。 如 想 禁 止 ALE 的 输 出 可 在 SFR8EH 地 址 上 置 0。 此 时 ， ALE 只 有 在 执 行 MOVX， MOVC 指令 是 ALE 才 起 作 用 。 另 外 ， 该 引 脚 被 略 微 拉 高 。 如 果 微 处 理

16、器 在 外 部 执 行 状 态 ALE 禁 止 ， 置位 无 效 。 PSEN： 外 部 程 序 存 储 器 的 选 通 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 在 由 外 部 程 序 存 储 器 取 指 期 间 ， 每 个 机器 周 期 两 次 /PSEN 有 效 。 但 在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 ， 这 两 次 有 效 的 /PSEN 信 号 将 不 出 现 。 EA/VPP： 外 部 程 序 存 储 器 访 问 允 许 。 当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器（ 0000H-FFFFH） ， 不 管 是 否 有 内 部 程 序 存 储 器 。 注 意 加 密 方 式 1 时 ， /EA 将 内 部 锁 定 为RESET； 当 /EA 端 保 持 高 电 平 时 ， 此 间 内 部 程 序 存 储 器 。 在 FLASH 编 程 期 间 ， 此 引 脚 也 用 于 施加 12V 编 程 电 源 （ VPP） 。 XTAL1：