单片机课程设计——李英立

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1、微型计算机技术专业方向课程设计微型计算机技术专业方向课程设计任务书任务书题目名称：题目名称：基于基于 MCS-51 单单片机的数据采集系片机的数据采集系统统专业专业 自动化 班级班级 姓名姓名 学号学号 学校：学校：青岛理工大学自动化学院指导教师：指导教师：史贺男2013 年 12 月 9 日课程设计任务书课程设计任务书课程名称：课程名称：微型计算机技术设计题目：设计题目：基于 MCS-51 单片机的温度采集系统系统硬件要求：系统硬件要求：1、配置单片机的外部程序 ROM 空间，容量为外扩 ROM，RAM 各 32 KB（其大小 由设计者自己设计） ，系统时钟电路、复位电路等构成的最小系统。

2、2、配置 0809 芯片作为数据采集通道（也可以选择其他芯片） ，对外部 1 路温度 传感器输入信号采集。 3、显示部分为 LED 动态显示设计和键盘设计。 4、要求每 1s 采样一次，使用中断完成，其温度测量范围为-20-70 度，精度要 求 1 度。 5、接口电路的设计：设计者扩展一个并行接口8155 或 8255 ，键盘设计由设 计者根据需要设计键盘的数量，显示采用 LED 显示，显示电路也根据显示的内 容设计； 6、有开机显示状态（如显示 88） ；软件设计：软件设计：1）主程序设计（包括初始化芯片，定时器，中断以及 SP 指针等） ；2）各功能子程序设计，温度采集计算子程序、键盘子程

3、序显示子程序设计， 定时，中断程序等；）选做要求：选做要求：1、2 路信号采集。 2、可使用按键选择输入通道。 3、具有自动通道轮换采样功能。其他要求其他要求：1、每位同学独立完成本设计。 2、依据题目要求，提出系统设计方案。 3、设计系统电路原理图。 4、调试系统硬件电路、功能程序。 5、编制课程设计报告书并装订成册，报告书内容（按顺序） （1）报告书封面 （2）课程设计任务书 （3）系统设计方案的提出、分析 （4）系统中典型电路的分析 （5）系统软件结构框图 （6）系统电路原理图 （7）源程序（8）课设字数不少于 2000 字成绩成绩评语评语摘要摘要本文是以 MCS-51 单片机系统为基础

4、的，通过热电阻 PT100 的阻值随温度的 变化的特性，通过采集得到的模拟信号，并通过 A/D 转换器 ADC0809 对模拟信 号进行模数转换，把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机，通过单片 机进行均值滤波，并通过查表得到温度值。LED 数码管显示。本系统设计简单， 性能稳定，能够通过单片机灵活编程进行各种功能的设定和修改。并且为以后 温度控制系统的扩展提供了方便，提供了键盘可以进行温度设定和模式选择。 并且提供了利用 Visual Stdio 2010 编写的温度调节上位机进行温度监控和调 试。为以后的系统扩展调试提供了方便。关键词：关键词：A/D 转换器;热电阻;MCS-51,上位

5、机第一章第一章 前言前言1第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 .12.1 系统概述 .12.2 系统工作原理分析1第三章第三章 硬件部分硬件部分23.1 单片机最小系统及键盘模块 .33.2 数据采集通道模块53.3 串行口模块 53.4 并行 I/O 芯片及显示模块 .63.5 温度传感器模块63.6 外部储存器模块 7第四章第四章 软件部分软件部分.84.1 主程序的设计84.2 定时器中断程序的设计94.3 数据采样程序的设计94.4 A/D 转换程序的设计 .114.5 LED 显示程序设计. 12第第五五章章 辅助调试工具辅助调试工具16总结总结.17参考文献参考文献.17附录附

6、录 1 1 硬件原理图及硬件原理图及 PCBPCB 图图17附录附录 2 2分程序代码分程序代码.18第一章第一章 前言前言温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、烘烤、 煅烧、蒸馏、结晶、空气流动以及温度漂移等物理和化学过程。温度控制失误 就可能引起生产安全、产品质量、产品产量以及生活安全等一系列问题。因此 对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和 人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对 温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充 分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控

7、制，保证 生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。并且 温度控制是一个大惯性控制，控制难度比较大。温度采集任务在温度控制中是 比较重要的一个环节，因此本文来研究温度采集系统，意义重大。第二章第二章 系统总体设计系统总体设计2.1 系统概述系统概述根据课程设计要求的性能指标，本系统要满足一定精度的温度采集的基本 功能，同时系统还具有动态显示当前的测量温度值的功能和键盘操作的功能。2.2 系统原理分析系统原理分析本文以 MCS-51 单片机系统为基础，通过温度传感器 PT100 随温度的变化 而得到的模拟信号进行采集，连接 ADC0809 实现单路路模拟信号的采集，并 通过

8、 A/D 转换器对模拟信号进行数模转换，把转换得到的数字信号送入单片机, 通过 LED 显示。本系统设计简单，性能稳定，能够通过单片机灵活编程进行各 种功能的设定和修改。根据本课题的设计目标以及硬件的特点，本系统的总体 设计框图如图所示。单单片片机机及及 系系统统时时钟钟电电路路、 复复位位电电路路外扩 ROM,RAM 模块温度传感器 模块数据采集通 道模块平行I/O及 显示模块串行口模 块键盘模块图一图一 系统框图系统框图第三章第三章 硬件部分硬件部分3.1 单片机最小系统及键盘模块单片机最小系统及键盘模块单片机选用AT89C51，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造， 与工业

9、标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存 储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。本系统包括晶振电路,复位电路，地址锁存器电路，3-8译码器，键盘电路等。 图如下，其中译码器输为P2.7,P2.6,P2.5，译码产生8个片选信号，分别来选通 8155，外部RAM，ADC0809等芯片工作。保证了地址的扩展和单片机的基本运行。图二图二 单片机最小系统原理图单片机最小系统原理图3.2 数据采集通道模块数据采集通道模块ADC0809 是八通道的八位逐次逼近式 A/D 转换器。由单一的 5

10、V 电源供电，片内带有锁存功能的 8 选 1 的模拟开关。由 C、B、A 的编码来决定所选的模拟通道。转换时间为 100us。转换误差为 1/2LSB。它的引脚的排列及其功能，其引脚图见下图三图三 ADC0809ADC0809 的引脚图的引脚图IN7IN0 ：八个通道的模拟输入量。ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道地址线。当 CBA=000 时，IN0 输入，当 CBA=111 时，IN7 输入。ALE：地址锁存信号。START：转换启动信号，高电平有效。D7D0：数据输出线。三态输出，D7 是最高位，D0 是最低位。OE：输出允许信号，高电平有效。CLK：时钟信号，最高频率为 640KH

11、Z。EOC：转换结束状态信号。上升沿后高电平有效。VCC：+5V 电源。VREF：参考电压。利用它可直接输入 8 个单端的模拟信号分时进行 A/D 转换，在多点巡回检 测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。本次设计配置 0809 芯片作为数据采 集通道。连接如图图四图四 数据采集通道原理图数据采集通道原理图3.3 串行口的选择串行口的选择该串行口选用了标准 RS-232C 接口，它是电平与 TTL 电平转换驱动电路。常用的芯片是 MAX232，MAX232 的优点是：（1）一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。（2）单一电源+5V 供电（3）它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。电路

12、图如下图五图五 串行口原理图串行口原理图3.4 并行并行 I/O 芯片及显示芯片及显示模块模块8155 芯片内包含有 256 字节 RAM，2 个 8 位、1 个 6 位的可编程并行 I/O 口，和 1 个 14 位定时器/计数器。由于 8155 既具有 RAM 又具有 I/O 口，因而 是单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。 LED 数码显示管是一种由 LED 发光二极管组合显示字符的显示器件。它 使用了 8 个 LED 显示管，其中 7 个用于显示字符，1 个用来显示小数点，故通 常称之为八段发光二极管数码显示器。对 LED 数码显示器的控制可以采用按时 间向它提供具有一定驱动能力的位选

13、和段选信号。 原理图如下图六图六 并行并行 I/OI/O 芯片及显示模块芯片及显示模块3.5 温度传感器模块温度传感器模块题目要求，采集温度范围为-20-70。经过比较我们选择PT100作为温度 传感器，pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比，铂电阻的特点是精 度高，稳定性好，性能可靠。铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学 性质都非常稳定。因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要 作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0时它的阻值为100欧姆， 在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT10

14、0在0摄氏度的时候 他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。图七图七 PT100PT100桥式电路图桥式电路图根据电桥的运算关系得出桥式电路输出压差为 3=5(1)( 39)RRPTUVRPTRRR下查PT100分度表得出，-20-70对应的电阻为92.16-127.08，为了提 高采集的精度,我们把-20-70对应的电压变化利用惠斯通电桥和运放,变换 到MCS-51可以最大程度识别和测量的范围,所以当-20的时候,对应输出电压为 0V。因此，1933RRPTRRRRPT,把R3=510,R1=200,RPT=92.16,带入上式得出R9=1106.8；所以应该 调节滑动变

15、阻器R9=1106.8接入电路。当测量温度为70时，对应的RPT=127.08，R3=510,R1=200,R9=1106.8，带入式得到U=0.366V。为了输入单片机MCS-51的电压为0-5V，应该设计运算放大器的放大倍数为 513.50.366VAV,为了留有一定的余量和现有电阻大小，选择运算放大器的 倍数为12倍。采集电压范围为0V-4.392V。最终我们,我们为了防止AD输入阻抗不够大，而对采集电路的电压造成影 响，从而对电压采集造成误差。所以采用两级运放。第一级为查分比例运算电 路，放大倍数为4被。后面一级为比例运算放大电路，放大倍数为3倍。最终放 大倍数为12倍。运算放大电路的

16、电路电阻匹配为614,4RAR且R 4=R 5, R 6=R 7我们取，R4=R5=20K，R6=R7=80K；118238RRAR我们取，R8=12K,R11=24K;且为匹配电阻，R12=8K;原理图如下图八图八 主电路原理图主电路原理图3.6 外部储存器模块外部储存器模块本系统扩展32K ROM, RAM，分别用了四片2764和6264，其 P2.7,P2.6,P2.5通过3-8译码器，编译成Y0-Y7,作为片选信号。其余地址线作为连 接8K的13根地址线。 Eg. U8：0x0000-0x1fff U9：0x2000-0x3fff U10：0x4000-0x5fff U11：0x6000-0x7fff原理图如下图九图九 外部储存器的连接原理图外部储存器的连接原理图第四章第四章 软件部分软件部分4.1 主