溫度數(shù)顯表畢設論文.pdf

哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - I - 摘要摘要 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一， 溫度測量在參數(shù)測量中占據(jù) 重要地位 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞單片機；數(shù)顯表；熱電阻 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 2 - 1 1緒論緒論 1.11.1課題背景課題背景 溫度數(shù)顯表的使用廣泛溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，無論在工 業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學研究、國防和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，溫度測量和控制都是極 為重要的課題 。隨著社會的進步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越重視溫度因素， 許多產(chǎn)品對溫度范圍要求都很嚴格。對于不同場所、不同工藝，所需溫度高低范 圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不 同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采 用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。單片機在溫度測量系 統(tǒng)中應用廣泛，根據(jù)單片機系統(tǒng)設計要求的不同，溫度測量系統(tǒng)的設計也有所不 同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。溫度溫度數(shù)顯表 是在 20 世紀 90 年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù) 的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度數(shù)顯表 內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電 路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只 讀存儲器(ROM)。智能溫度數(shù)顯表的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制 量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功 能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 1.21.2題目簡介題目簡介 1.2.1 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 設計一種基于 PT100 熱電阻的溫度數(shù)顯表。具有實時顯示當前溫度的功能， 可設定溫度上下限值并有超限報警，同時可以通過 RS485 與上位機通訊。 1、選用一款單片機； 2、設計信號檢測電路； 3、對檢測數(shù)據(jù)進行濾波等處理； 4、顯示檢測數(shù)據(jù)； 學生本人在該設計中具體完成的工作： 硬件設計包含了鉑熱電阻測量模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、通訊 模塊及主控制模塊等的設計原理及電路，軟件編程與硬件設計相對應。 1.2.2 研究方案研究方案 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 3 - 研究方案研究方案： 設計電橋?qū)犭娮枳柚档淖兓D(zhuǎn)化為電信號電壓的變化，將電信號輸出后 接入運算放大器， 然后再將放大后的信號輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換電路， 然后接入單片機， 通過單片機在 LED 顯示屏上顯示數(shù)據(jù)。鍵盤模塊與單片機相連，用于設置所用開 關(guān)鍵，并且用于設置溫度上下限，此模塊用電路搭建，并用 C 語言編程控制。選 擇一款單片機后， 用 C 語言編程進行濾波和線性補償并查表找到電壓變化所對應 的溫度值，輸出。通訊模塊用于將單片機通過 RS485 與 PC 機相連，通過 LED 顯 示屏顯示數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖 圖圖 1-11-1 系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖 溫溫度度信信號號采采集集 系系統(tǒng)統(tǒng)（橋橋電電 路路） 信信號號放放大大 AD轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換模模 塊塊 單單片片機機 計計算算機機 鍵鍵盤盤 超超限限報報警警 LED顯顯示示 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 4 - 2 2器件選型及介紹器件選型及介紹 2.12.1單片機的選型單片機的選型 2.1.12.1.1STC89C52RCSTC89C52RC 單片機介紹單片機介紹 STC89C51RC/RD+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/ 低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機，12 時鐘/機器周期和 6 時鐘/機器周期可任意選擇，最新的 D 版本內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路。它 有以下特點： （1） 增強型 6 時鐘/機器周期，12 時鐘/機器周期 8051 CPU； （2） 工作電壓：5.5V3.4V（5V 單片機） /3.8V2.0V（3V 單片機）本次設 計選用 5V 單片機； （3） 工作頻率范圍：040 MHz，相當于普通 8051 的 080MHz.實際工作頻率可 達 48MHz； （4） 用戶應用程序空間 4K / 8K / 13K / 16K / 20K / 32K / 64K 字節(jié)； （5） 片上集成 1280 字節(jié) / 512 字節(jié) RAM； （6） 通用 I/O 口 （32/36 個） ， 復位后為：P1/P2/P3/P4 是準雙向口/弱上拉（普 通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）P0 口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉 電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻； （7） ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程） ，無需專用編程器/仿真器可 通過串口 （P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，8K 程序 3 秒即可完成一片； （8） EEPROM 功能； （9） 看門狗； （10）內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路 （D 版本才有） ，外部晶體 20M 以下時， 可省外部復位電路； （11）共 3 個 16 位定時器/計數(shù)器， 其中定時器 0 還可以當成 2 個 8 位定時器使 用； （12）外部中斷 4 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down 模式可由外部 中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒； （13）通用異步串行口(UART)，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART； （14）工作溫度范圍：075 / -40+85； （15）封裝： LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44,如選擇 STC89 系列,本次 選擇 PDIP-40 封裝。 STC89C52RC 的引腳圖如圖 3-15 所示： 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 5 - 圖 1-2 STC89C52RC 的引腳圖 STC89C52RC 具有 4 級 6 個中斷源， 主要用于單片機的實時測控， 可以使單 片機及時的響應和處理單片機外部或內(nèi)部事件所提出的中斷請求。 外部中斷有外 部中斷 0 和外部中斷 1 兩類，它是由外部原因引起的中斷。外部中斷的觸發(fā)有 2 種方式：電平觸發(fā)方式和跳沿觸發(fā)方式。電平觸發(fā)方式適合于外部中斷以低電平 輸入而且中斷服務程序能清除外部中斷源的情況， 即外部中斷輸入電平又變?yōu)楦?電平的情況。跳沿觸發(fā)方式適合于以負脈沖形式輸入的外部中斷請求。定時器溢 出中斷是為滿足與時間技術(shù)相關(guān)的實際需要而設置的。在單片機芯片內(nèi)部有 3 個定時器/計數(shù)器，這三個定時器/計數(shù)器都具有定時器和計數(shù)器兩種工作方式。 計數(shù)功能是對外來脈沖進行計數(shù)， 每當計數(shù)器的計數(shù)輸入引腳的脈沖發(fā)生負跳變 時，計數(shù)器加 1。定事功能也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，此時的計數(shù)脈沖來 自單片機內(nèi)部，每個機器周期產(chǎn)生 1 個計數(shù)脈沖，也就是每經(jīng)過 1 個機器周期的 時間計數(shù)器加 1。串行中斷是為串行數(shù)據(jù)傳送的需要而設置的。每當串行口接受 或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)時均產(chǎn)生一個中斷請求。 STC89C52RC 單片機與中斷控制 有關(guān)的寄存器有：定時控制寄存器 TCON、中斷允許控制寄存器 IE、中斷優(yōu)先 控制寄存器 EP、串行口控制寄存器 SCON 和定時器操作模式寄存器 TMOD。 STC89C52RC 單片機內(nèi)部有一個功能強大的全雙工的異步通信串行口。 串行 通信是指數(shù)據(jù)的所有位都按一定的順序和方式，逐步通過串行輸入/輸出口進行 傳輸。異步通信是指收發(fā)雙方?jīng)]有統(tǒng)一的公共時鐘，采用應答方式通信。 STC89C52RC 單片機串行口有兩個在物理上獨立的接受、發(fā)送緩沖器 SBUF，可 以同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，發(fā)送緩沖器只能寫入數(shù)據(jù)而不能讀出，接受緩沖器則只 能讀出數(shù)據(jù)而不能寫入數(shù)據(jù)，兩個緩沖器共用一個特殊功能寄存器 SBUF。串行 口工作模式由特殊功能寄存器 SCON 的 SMO, SM1 位定義，它的四個工作模式 如表 2 所示。 表 2 STC89C52RC 串行口工作模式表 SM0SM1MODE功能描述波特率 000移位寄存器fosc/12 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 6 - 0118 位 UART波特率可變 1029 位 UARTfosc/64 或 fosc/32 1139 位 UART波特率可變 STC89C52RC 的特殊功能寄存器如表 3 所示。 表 3 STC89C52RC 特殊功能寄存器表 名稱說明地址 ACC累加器E0H BB 寄存器F0H DPTR數(shù)據(jù)指針（雙字節(jié)） DPH數(shù)據(jù)指針高字節(jié)83H DPL數(shù)據(jù)指針低字節(jié)82H IE中斷使能A8H IP中斷優(yōu)先級B8H P0I/O 口 080H P1I/O 口 190H P2I/O 口 2A0H P3I/O 口 3B0H PCON電源控制87H PSW程序狀態(tài)字D0H SBUF串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)99H SCON串行口控制98H SP堆棧指針81H TCON定時器控制88H T2CON定時器 2 控制C8H T2MOD定時器 2 模式控制C9H TH0定時器高字節(jié) 08CH TH1定時器高字節(jié) 18DH TH2定時器高字節(jié) 2CDH TL0定時器低字節(jié) 08AH TL1定時器低字節(jié) 18BH TL2定時器低字節(jié) 2CCH TMOD定時器模式89H 2.22.2 鉑熱電阻簡介鉑熱電阻簡介 鉑熱電阻是利用鉑絲的電阻值隨著溫度的變化而變化這一基本原理設 計和制作的，按 0時的電阻值 R()的大小分為 10 歐姆（分度號為 Pt10） 和 100 歐姆（分度號為 Pt100）等，測溫范圍均為-200850.10 歐姆鉑熱 電阻的感溫原件是用較粗的鉑絲繞制而成，耐溫性能明顯優(yōu)于 100 歐姆的 鉑熱電阻，只要用于 650以上的溫區(qū)：100 歐姆鉑熱電阻主要用于 650 以下的溫區(qū)，雖也可用于 650以上溫區(qū)，但在 650以上溫區(qū)不允許有 A 級誤差。100 歐姆鉑熱電阻的的分辨率比 10 歐姆鉑熱電阻的分辨率大 10 倍，對二次儀表的要求相應地一個數(shù)量級，因此在 650以下溫區(qū)測溫應盡 量選用 100 歐姆鉑熱電阻。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 7 - 感溫元件骨架的材質(zhì)也是決定鉑熱電阻使用溫區(qū)的主要因素，常見的 感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷 骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經(jīng)過復雜的工藝加工而成。由于骨架材料 本身的性能不同，陶瓷元件適用于 850以下溫區(qū)，玻璃元件適用于 550 以下溫區(qū)。近年來市場上出現(xiàn)了大量的厚膜和薄膜鉑熱電阻感溫元件，厚 膜鉑熱電阻元件是用鉑漿料印刷在玻璃或陶瓷底板上，薄膜鉑熱電阻元件 是用鉑漿料濺射在玻璃或陶瓷底板上，再經(jīng)光刻加工而成，這種感溫元件 僅適用于-70500溫區(qū)，但這種感溫元件用料省，可機械化大批量生產(chǎn)， 效率高，價格便宜。 就結(jié)構(gòu)而言，鉑熱電阻還可以分為工業(yè)鉑熱電阻和鎧裝鉑熱電阻。工 業(yè)鉑熱電阻也叫裝配鉑熱電阻，即是將鉑熱電阻感溫元件焊上引線組裝在 一端封閉的金屬管或陶瓷管內(nèi)，再安裝上接線盒而成；鎧裝鉑熱電阻是將 鉑熱電阻元件，過渡引線，絕緣粉組裝在不銹鋼管內(nèi)再經(jīng)模具拉實的整體， 具有堅實，抗震，可繞，線徑小，使用安裝方便等優(yōu)點。 本題目選用的傳感器為 PT100。 圖 1-3 PT100 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 8 - 3 3硬件電路的設計硬件電路的設計 該智能溫度數(shù)顯表主要具有溫度顯示，超限報警，用戶自定義溫度范圍，控 制降溫設備的繼電器開關(guān)幾項功能， 據(jù)此， 將其硬件電路劃分為電源電路、 LM75A 的數(shù)據(jù)采集電路、LED 顯示電路、鍵盤電路和超限措施電路五部分，下面將對其 一一進行介紹。 3.13.1溫度信號的采集溫度信號的采集電路的設計電路的設計 溫度信號的采集使用橋電路原理： 電橋是在工業(yè)測量過程中進行電阻-電壓轉(zhuǎn)換的常用電路， 具有結(jié)構(gòu)簡單 及良好的動態(tài)品質(zhì)特點，但存在的問題是橋臂電阻和電橋輸出電壓之間的非線 性。如圖1 所示， 1 R， 2 R， x R， 3 R= 3 R/ 1 W構(gòu)成橋電路。在橋臂電阻 x R產(chǎn) 生R的變化時，電橋輸出電壓變化為U，如式（1）所示； 3 12() x1 23 RRx U RR RR (1) 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 9 - 圖圖 3-13-1 橋電路橋電路 3.23.2 信號放大器的選擇信號放大器的選擇 儀用放大器 AD620 是由三個放大器所共同組成，其的電阻 R 與 Rx需在放大器 的電阻用范圍內(nèi)(1k 10k )。我們可以調(diào)整 Rx來調(diào)整放大的增益值，其關(guān)系式如 式(1)所示，必須注意避免每個放大器的飽和現(xiàn)象（放大器最大輸出為其工作電壓 Vdc） 012 2 (1)() x R VVV R (1) 圖 3-2 AD620 的基本特點為精確度高、 使用簡易、 低噪聲， 應用十分廣泛， 表 1 為 AD620 的規(guī)格特性總覽。 項目規(guī)格特性備注 增益范圍11000只需一個電阻即可設定 電源供應范圍2.3V18V 低耗電量max supply current =1.3mA可用電池驅(qū)動，方便應 用 于可攜式器材中 精確度高40 ppm maximum nonlinearity; low offset voltage of 50V max.; offset drift of 0.6V/ max. 低噪聲Low input voltage noise of 9nV/ Hz at 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 10 - 1kHz 應用場合ECG 量測與醫(yī)療器材、 壓力量測、 V/I 轉(zhuǎn)換、 資料擷取系統(tǒng)等。 AD620 儀表放大器的腳位圖如圖 2 所示。其中 1、8 接腳要跨接一個電阻來調(diào)整 放大倍率（作用同式(1)中之 Rx） ，4、7 接腳需提供正負相等的工作電壓，由 2、3 接腳 輸入的放大的電壓即可從接腳 6 輸出放大后的電壓值。接腳 5 則是參考基 準，如果接地則接腳 6 的輸出即為與地之間的相對電壓。AD620 的放大增益關(guān)系式 如式(2)、式 (3)所示，由此二式我們即可推算出各種增益所要使用的電阻值了。 49.4 1 G K G R (2) 49.4 1 G K G R (3) 圖 3-3 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 11 - 3.33.3 AD 轉(zhuǎn)換電路的設計轉(zhuǎn)換電路的設計 A/D 轉(zhuǎn)換有很多方式，可以利用多諧振蕩器實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，而單片機 STC89C52RC 內(nèi)部有一個模擬信號比較器 ，P1.0 和 P1.1 兼作模擬信號比較器 的同相輸入端和反相輸入端 ，模擬信號比較器的比較結(jié)果存入 P3.6 對應的寄 存器 ，P3.6 在 STC89C52RC 外部無引腳。利用這個模擬信號比較器和鋸齒波 信號發(fā)生器電路就可以組成一個 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ，把 P1.1 輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號。這次設計采用最常用的 ADC0809 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 ADC0809 是八位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，是一種單片 CMOS 器件，包括 8 位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8 通道多路轉(zhuǎn)換器和與微分處理器兼容的控制邏輯。8 通道多 路轉(zhuǎn)換器能直接連通 8 個單端模擬信號中的任何一個。 ADC08909 設計時考慮到 了若干種模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的長處，適用于過程控制和機床控制。ADC0809 的引腳 圖如圖 3-6 所示。它的片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開關(guān)，可對 8 路 05V 的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、 比較器、256R 電阻 T 型網(wǎng)絡、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器 SAR、控制與時 序電路等。輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機數(shù)據(jù)總線上。 ADC0809 的分辨率為 8 位，最大不可調(diào)誤差小于1LSB，單一+5V 供電，模擬 輸入范圍為 05V， 具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān)， 可鎖存三態(tài)輸出， 輸出與 TTL 兼容。不必進行零點和滿度調(diào)整，轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率（由于單片機 STC89C52RC 外部晶振采用的是 12MHz 晶振，故需對頻率進行四分頻。 ADC0809 的引腳功能如下： IN0IN7：8 路輸入通道的模擬量輸入端口； START：為啟動控制輸入端口； ALE：為地址鎖存控制信號端口，可以和 START 端口連接在一起，當通過 軟件輸入一個正脈沖，便立即啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換； EOC：為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端口； OE：為輸出允許控制端口，可以和 EOC 端口連接在一起表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 OE 端的電平由低到高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)字 總線上； REF（+） ：參考電壓輸入端口； REF（-） ：參考電壓輸入端口； Vcc：主電壓輸入端口； GND：接地端； CLK：時鐘輸入端; ADDA，B，C：8 路模擬開關(guān)的 3 位地址選通輸入端，以選擇對應得輸入通道。 在本次設計中采用 8 路信號輸入端，采集 8 路模擬信號，故 ADDA,B,C 應分別 接單片機的 3 個 I/O 口進行選擇通道。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 12 - 圖 3-6ADC0809 引腳圖 ADC0809 的工作過程是：首先輸入 3 位地址，并使地址鎖存允許信號 ALE 為 1，將地址存入地址鎖存器中，此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一。A/D 轉(zhuǎn) 換啟動信號 START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC 輸出變低， 指示轉(zhuǎn)換正在進行。 直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器， 這個信號可用作中斷申請。當數(shù)據(jù)輸出允許信號 OE 輸入高電平時，輸出三態(tài)門 打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 ADC0809 與 STC89C52RC 的連接見圖 3-7 所示, 雖然接的是中斷口，但是 ADC0809 的工作方式采用為查詢方式。 圖 3-7ADC0809 與 STC89C52RD 的連接 3.3.2 74LS74 芯片 74LS74 是雙上升沿 D 觸發(fā)器（有預置、清除端）1CP、2CP 為時鐘輸入端， 1D、2D 為數(shù)據(jù)輸入端，Q、/Q 為輸出端，CLR 為直接復位端（低電平有效） ，PRE 為直接置位端（低電平有效） 。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 13 - 3.43.4顯示電路的設計顯示電路的設計 3.4.13.4.1LED 簡介簡介 發(fā)光二極管顯示器是單片機應用產(chǎn)品中常用的廉價輸出設備。 它是由若干個 發(fā)光二極管組成顯示的字段。當二極管導通時相應的一個點或一個筆劃發(fā)光，通 過控制發(fā)光二極管的亮暗的不同組合， 就可以顯示出多種數(shù)字、 字母及其他符號。 本次設計采用的是由7段型發(fā)光二極管（ag7段）和1個圓點型發(fā)光二極管（常 以dp表示，主要用來顯示小數(shù)點）組成的8段數(shù)碼顯示器。 LED 數(shù)碼顯示器有兩種結(jié)構(gòu)：將所有發(fā)光二極管的陽極連在一起，稱為共陽 接法，公共端接高電平，當某個字段的陰極接低電平時，對應的字段就點亮；而 將所有發(fā)光二極管的陰極連在一起，稱為共陰接法，公共端接低電平，當某個字 段的陽極接高電平時，對應的字段就點亮。發(fā)光二極管顯示其外形及共陰極、共 陽極接法如圖3-3所示。 圖3-3LED顯示器外形及共陰極、共陽極接法 為了顯示各個數(shù)字或字符，就需要為 LED 提供相應的代碼，因為這些代碼是 用來控制各段發(fā)光二極管的亮或滅，供顯示器顯示字形的，所以稱為字段碼（也 可以稱為段選碼或字形碼）。7 段發(fā)光二極管再加上 1 個小數(shù)點位，共計 8 段， 因此提供給 LED 顯示器的字段碼正好 1 個字節(jié)。各代碼位的對應關(guān)系如表 3-1 所示。 表 3-1 代碼位對應關(guān)系 D7D6D5D4D3D2D1D0 dpgfedcba 在單片機應用系統(tǒng)中，實際使用的 LED 顯示器有多個，N 位 LED 顯示器的顯 示要從兩個方面來控制：其一是控制 N 位的字段顯示（即顯示什么字符）；其二 是控制字位（即哪一位到哪一位亮）。由 LED 的顯示原理可知，要使某 N 位 LED 顯示器的某一位顯示某個字符， 就必須將此字符轉(zhuǎn)換為對應的字段碼來控制該位 的 8 個段，同時，該位的字位線也要控制有效，這要通過一定接口來實現(xiàn)。 點亮LED 顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符 時， 相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止， 這種方法， 每一顯示位都需要一個8 位 的輸出口控制，占用的硬件較多，一般僅用于顯示位數(shù)較少的場合。 而動態(tài)就是一位一位地輪流點亮各位顯示器，對每一位顯示器而言，每隔一 段時間點亮一次，利用人的視覺留感達到顯示的目的。顯示器的亮度跟導通的電 流有關(guān)，也和點亮的時間與間隔的比例有關(guān)。動態(tài)顯示器因其硬件成本較低，而 得到廣泛的應用。 3.4.23.4.2顯示電路的設計顯示電路的設計 由于 LM75A 測量溫度的最大范圍是-55+125， 在25100時它 提供2的測量精度，因此，采用四位 LED 即可滿足顯示要求?？紤]到顯示位 數(shù)較少，選擇靜態(tài)顯示即可。 由 AT89C2051 單片機的串行口外接移位寄存器 74LS164 構(gòu)成顯示器接口， 單 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 14 - 片機的串行口采用方式 0 的輸出方式。P1.7 作為 TXD 引腳同步移位脈沖輸出控 制線，P1.7=0 時，與門輸出為 0，禁止同步移位脈沖輸出。這種靜態(tài)顯示方式的 優(yōu)點是亮度大，很容易做到顯示不閃爍，且 CPU 不必頻繁的為顯示服務，因而主 程序可以不掃描顯示器；軟件設計比較簡單，從而使單片機有更多時間處理其他 事務。具體電路圖如圖 3-4 所示。 圖 3-4顯示電路 3.53.5鍵盤電路及工作原理鍵盤電路及工作原理 3.5.13.5.1鍵盤工作原理鍵盤工作原理 鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中用于實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能，是 人工干預單片機的主要手段。 鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合，每一個按鍵都被賦予一個代碼，稱為鍵 碼。鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或低電平，通過對行 線電平高低狀態(tài)的檢測便可以確認按鍵是否按下。但是，按鍵的閉合和釋放都要 經(jīng)過一定的過程才能達到穩(wěn)定， 這一過程是出于高低電平之間的一種不穩(wěn)定的狀 態(tài)，稱為抖動。抖動持續(xù)時間的長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，為了避免多次處理 按鍵的的一次閉合，應采取措施消除抖動。消除抖動的方法有兩種，一種是采用 硬件電路來實現(xiàn)，如濾波電路、雙穩(wěn)態(tài)電路等；另一種是利用軟件來實現(xiàn)，即當 發(fā)現(xiàn)有按鍵按下時，延時 50ms 左右再查詢是否有按鍵按下，若沒有按鍵按下， 說明上次查詢的結(jié)果為干擾或抖動；若有鍵按下，則說明閉合鍵已穩(wěn)定，即可判 斷其鍵碼。 常用的鍵盤接口分為獨立式和行列式兩種， 當按鍵較少時一般采用獨立式鍵 盤接口，此時 CPU 的相應方式可以是查詢方式也可以是中斷方式；而當按鍵比較 多時鍵盤接口多采用行列式，CPU 的響應方式此時一般是查詢方式。 3.5.23.5.2鍵盤電路的設計鍵盤電路的設計 該智能溫度數(shù)顯表允許用戶通過鍵盤設置或更改溫度范圍的上、下限，將最 終數(shù)值存入 LM75A 的相應寄存器中，并且在設置過更改過程中，輸入的數(shù)值能在 LED 上顯示出來。為實現(xiàn)上述功能，鍵盤電路的設計思想如下： 首先需要設置一個功能鍵，該鍵被按下后產(chǎn)生中斷，以便用戶對鍵盤進行下 一步操作。第一次按下功能鍵，LED 的第一位顯示“H” ，第二位閃爍，用戶此時 可以設置溫度上限；第二次按下功能鍵，LED 的第一位顯示“L” ，第二位閃爍， 用戶此時可以設置溫度下限；第三次按下功能鍵，LED 恢復正常顯示狀態(tài)，并將 更改后的上、下限數(shù)值送入 LM75A 相應的寄存器中，若上、下限沒有更改，則不 必存入。 其次需要一個移位鍵。在正常顯示狀態(tài)下，按下移位鍵不起作用。當功能鍵 被按下一次或兩次以后，LED 的第二位閃爍，此后每按下移位鍵一次，閃爍位向 后移動一次，用戶即可對閃爍位進行相應操作。當 LED 第四位閃爍時，按下移位 鍵，第二位即開始閃爍。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 15 - 最后，要設置能更改相應位的數(shù)值的按鍵?？紤]到每一位數(shù)從 0 逐次加一 至 9 后可以再回到 0，不需要進位功能，因此只需設置一個加一鍵即可滿足更改 數(shù)值的要求。在正常顯示狀態(tài)下，按下加一鍵不起作用。當功能鍵被按下一次或 兩次以后，按加一鍵即可對閃爍位進行數(shù)值的更改，每按一次，該位數(shù)值加一， 加至數(shù)字為 9 時，再按加一鍵，該位數(shù)值變?yōu)?0，但不向高位進位。 需要注意的是，在正常顯示狀態(tài)下，按下移位鍵或加一鍵是不起作用的；只 有在功能鍵被按下一次或兩次后，進入設置狀態(tài)，再按其他兩鍵才能達到更改數(shù) 值的目的。此外，當功能鍵被按下時，CPU 給予中斷響應，只有當功能鍵被按下 3 次才能恢復到正常顯示狀態(tài)，否則將一直處在中斷中而不運行其他程序。 由于按鍵個數(shù)較少，只有三個鍵，因此采用獨立式鍵盤即可。采用軟件查詢 和外部中斷相結(jié)合的方式，當某個鍵按下時，低電平有效。鍵盤電路如圖 3-5 所示。 圖 3-5鍵盤電路 3.63.6報警電路的設計報警電路的設計 報警電路采用紅色和綠色發(fā)光二極管分別作為超上限報警信號和超下限報 警信號，由單片機的 I/O 口直接驅(qū)動。即由單片機讀取 LM75A 的溫度寄存器、過 溫關(guān)斷寄存器和滯后寄存器的數(shù)值，將其進行比較，當溫度值超過過溫關(guān)斷寄存 器數(shù)值（即上限值）時，P1.6 輸出低電平，紅色發(fā)光二極管點亮，上限報警； 反之，當溫度值低于滯后寄存器數(shù)值（即下限值）時，P1.4 輸出低電平，綠色 發(fā)光二極管點亮，下限報警。需要注意的是，由于發(fā)光二極管的導通電流不能太 大（小于 20mA） ，否則會損壞，因此使用它作為報警信號時應在電路中接限流電 阻，設計中使用的限流電阻是 510。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 16 - 4 4 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 4.1 軟件開發(fā)及應用平臺 操作平臺： Window98/2000/XP 開發(fā)工具： Keil uVision2C 語言 ISP 編程軟件： PC 機端控制軟件 STC-ISP-V3.1 4.2 工具介紹 4.2.1 Keil uVision2 簡介 本軟件采用 Keil uVision2 作為開發(fā)工具?，F(xiàn)把它做一簡單概述： KEILC51 標準 C 編譯器為 8051 微控制器的軟件開發(fā)提供了 C 語言環(huán)境,同 時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51 編譯器的功能不斷增強， 使你可以更 加貼近 CPU 本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51 已被完全集成到 uVision2 的集成開 發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理 器，調(diào)試器。uVision2 IDE 可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。 4.2.2 ISP 編程編程原理及注意事項 單片機徹底沒電后給單片機上電復位，冷起動，單片機運行系統(tǒng) ISP 監(jiān)控程 序，若檢測 P3.0/RxD 有合法下載命令流則下載用戶程序進用戶程序區(qū)。軟復位 到用戶程序區(qū)后即可運行用戶程序。 若為檢測到合法下載命令流則直接軟復位到 用戶程序區(qū)。 注意事項： （1） 外部手動復位，看門狗復位，單片機不會運行 ISP 程序； （2） 單片機運行 ISP 程序，檢測有無合法下載命令流，占時幾十 mS幾百 mS, 如無合法下載命令流,則立即跑用戶程序； （3） 如果已設置 P1.0/P1.1=0/0，才會判斷是否下載用戶程序，則冷啟動后，如 P1.0/P1.10/0，則直接跑用戶程序，只會占時 50uS，可忽略不計。若選 擇 P1.0/P1.1 不同時為 0/0,則立即跑用戶程序,跨過系統(tǒng) ISP 監(jiān)控程序； （4） PC 機端的控制軟件必需先發(fā)下載命令流，再給單片機上電復位。 4.3主程序設計 本設計中采用 STC89C52RC 作為核心處理器件，軟件設計部分需要實現(xiàn)以 下幾部功能： （1） ADC0809 轉(zhuǎn)換控制：采集輸入信號中進行模數(shù)循環(huán)轉(zhuǎn)換，將 ADC0809 的 輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，得到對應的線性數(shù)值； （2） 按鍵：通過按鍵控制可以設置系統(tǒng)允許對數(shù)值進行設置上下限操作，實現(xiàn) 系統(tǒng)當前工作狀態(tài)的切換和電路復位； （3） 顯示：4 位數(shù)碼管動態(tài)顯示； （4） 報警指示：將采集到被測當前數(shù)值與系統(tǒng)設置的數(shù)值上限值相比較，若當 前被測數(shù)值超出所設置的數(shù)值上下限范圍，則產(chǎn)生報警指示并輸出 24V 電壓。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 17 - 4.3.1 主程序流程圖設計 智能數(shù)顯表主程序要初始化，然后開放 CPU 中斷，啟動定時器工作，進行 數(shù)據(jù)處理并在顯示器和鍵盤管理子程序的重復執(zhí)行， 當超過所設定的上限值時進 行報警處理。主程序工作流程圖，如圖 4-1 所示： 系統(tǒng)在開始工作后,當有確定鍵按下時系統(tǒng)開始采集 ADC 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，然 后對其進行數(shù)據(jù)處理并用數(shù)碼管顯示出當前的線性對應的數(shù)值， 最后將確定鍵的 按鍵標志位 f4 置零。當有切換鍵按下時，跳轉(zhuǎn)到切換程序，切換程序進行顯示 界面的 P、H、L 之間的切換，對應的可執(zhí)行數(shù)值顯示和上下限值的設定。 4.2.1 4.3.2 主程序流程圖設計解析 由于系統(tǒng)復位后，各寄存器都被置 1，因此，要對各工作寄存器清零。以便 以后的使用。另外，由于控制報警系統(tǒng)的 STC89C52RC 的 P2.7 引腳是用來控制 報警裝置的， 若當前所得到的數(shù)值超過用戶所設定的上限則把 P2.7 置 1， 此時硬 件會產(chǎn)生報警并輸出 24V 直流電壓。因此在系統(tǒng)復位后應立即把 P2.7 強行置為 低電平，這樣才會避免誤報警。初始化后主程序就進入了一個循環(huán)。對鍵盤進行 掃描，時刻監(jiān)視是否有按鍵被按下。一旦某個按鍵被按下，則立刻判斷是哪個按 鍵，繼而執(zhí)行相關(guān)操作，調(diào)相應的顯示子程序。最后返回，再進行鍵盤分析作出 相應的處理。 圖 4-1 主程序流程圖 4.4鍵盤子程序設計鍵盤子程序設計 4.2.2 4.4.1 鍵盤掃描子程序 系統(tǒng)鍵盤采用中斷方式。當有按鍵按下時，程序進入外部中斷 1 子程序。設 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 18 - 置變量 temp 采集 4 個按鍵接口的電平，然后通過判斷變量 temp 的數(shù)值來確定 4 個按鍵中具體時哪一個被按下，同時把該按鍵的按鍵標志位置 1，跳出中斷。當 f1=1 時表示切換鍵按下；當 f2=1 時表示平移鍵按下；當 f3=1 時表示循環(huán)鍵按 下；當 f4=1 時表示確定鍵按下。其流程圖如圖 4-2 所示。 圖 4-2 定時器 1 T中斷服務子程序流程圖 鍵盤共有 4 個按鍵構(gòu)成，分別為：KEY1 鍵狀態(tài)切換鍵（用于系統(tǒng)工作狀態(tài) 的切換，包括顯示狀態(tài)，上限制設定狀態(tài)和下限值設定狀態(tài)） ，KEY2 鍵平移鍵 （當進行數(shù)值設定時控制位數(shù)的平移） ，KEY3 鍵循環(huán)鍵（當按鍵按下時能進行 0-9 和“-”的數(shù)值設定） ，KEY4 鍵確認鍵用于保存數(shù)據(jù)。在按鍵電路中，因為 P3 口默認為高電平故不用加上拉電阻。當有按鍵按下時，電路導通使得 P3.4、 P3.5、P3.6、P3.7 某一口接地，為低電平。同時 74LS08 的 1、2、4、5 其中一口 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 19 - 為低，使得單片機的外部中斷 1（P3.3 口）為低，產(chǎn)生中斷。當按鍵松開時，電 路斷開，P3.4、P3.5、P3.6、P3.7 接高電平，74LS08 的 1、2、4、5 口為高，單 片機的外部中斷 1 為高，無中斷產(chǎn)生。 按鍵是一種機械彈性開關(guān)，當按鍵按下時閉合，松開時斷開。因為有機械的 接觸， 在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動。抖動時間長短與鍵的鍵的機械 特性有關(guān)，一般為 510ms。而鍵盤的穩(wěn)定閉合時間和操作者的按鍵動作有關(guān)， 大約為十分之幾秒不等。為了避免輸入的錯誤，必須進行鍵抖動的處理。本設計 采用軟件處理方法采用時間延遲以躲避抖動（大約延時 1030ms） ，待觸點狀態(tài) 穩(wěn)定之后，再進行輸入。 4.4.2 KEY1KEY1 鍵狀態(tài)切換鍵子程序鍵狀態(tài)切換鍵子程序 該部分程序的主要功能是在顯示狀態(tài)，上限值設定狀態(tài)，下限值設定狀態(tài) 3 個狀態(tài)之間實現(xiàn)切換。系統(tǒng)上電后，即進入顯示狀態(tài)。按 1 下切換鍵，系統(tǒng)切換 到上限值設定狀態(tài)，再按 1 下切換鍵系統(tǒng)將進入下限值設定狀態(tài)，再按 1 下切換 鍵系統(tǒng)將從新回到顯示狀態(tài)。其原理為當切換鍵被按下時，切換變量 num1 自加 1， 當 num1 大于 2 時歸零。 然后通過判斷 num1 的數(shù)值跳轉(zhuǎn)到與數(shù)值相對應的顯 示子程序、上限設定子程序或下限設定子程序，具體流程如圖 4-3-1 所示。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 20 - 圖 4-3-1 KEY1 鍵狀態(tài)切換鍵子程序流程圖 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 21 - 圖 4-3-2 設置上下限程序流程圖 4.4.3 KEY2 鍵平移鍵子程序 該部分程序的主要功能是在系統(tǒng)分別進入上、下限值設定狀態(tài)時，實現(xiàn)上下 限位的設定。 以上限值設定為例， 當系統(tǒng)進入上限值設定狀態(tài)時， 按 1 下平移鍵， 數(shù)碼管全部變黑，平移循環(huán)變量 num2 自加一，num2 大于 3 時數(shù)值自動歸零。然 后通過 num2 數(shù)值的判斷，跳轉(zhuǎn)到與之相對應的百位、十位、個位、小數(shù)位設定 子程序，其流程圖如圖 4-4 所示。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 22 - 圖 4-4KEY2 鍵平移鍵子程序流程圖 4.4.4KEY3 鍵循環(huán)鍵子程序 該程序部分為平移程序所調(diào)用的程序， 平移程序功能的實現(xiàn)主要是以該程序 為基礎(chǔ)。以百位值的設定為例，如果不設定，則默認值為 0，該位的數(shù)碼管全部 變黑。如果按下確認鍵，表示設定完畢，此時 KEY3 鍵循環(huán)鍵已經(jīng)失效。在確認 鍵未按下的前提下，按下 KEY3 鍵循環(huán)鍵，變量 num3 會自加一用于實現(xiàn) 09 以 及負號的設定，如果是設定百位 num3 大于 10 時則 num3 置 0，設定結(jié)束后將循 環(huán)鍵標志位置 0，調(diào)用下數(shù)組 LEDData1 = 0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90, 0xbf 數(shù)組（數(shù)組中元素對應的字符含義依次為數(shù)字 09 及負號） 。但當設置十位、個 位和小數(shù)位時則調(diào)用 LEDData1 = 0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90, 0xbf 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 23 - 數(shù)組和 LEDData2 = 0x40, 0x79, 0x24, 0x30, 0x19, 0x12, 0x02, 0x78, 0x00, 0x10數(shù)組 （數(shù)組中元素對應的字符含義依次為數(shù)字 0.9. ）此時每按一下按下 KEY3 鍵 循環(huán)鍵，變量 num3 會自加一，當 num3 大于 9 時 num3 置 0。KEY3 鍵循環(huán)鍵的 具體程序流程如圖 4-5、4-6 所示。 圖 4-5 KEY3 鍵循環(huán)鍵子程序百位流程圖圖 4-6 KEY3 鍵循環(huán)鍵子程序其余位 流程圖 4.5A/D 轉(zhuǎn)換子程序設計 智能數(shù)顯表的主體流程如圖 4-1 所示。 在系統(tǒng)進行初始化之后判斷是否有切 換鍵或者是確認鍵按下，如果沒有則等待。否則若是有切換鍵按下則執(zhí)行切換程 序，若是有確認鍵按下則進行 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理等相關(guān)程序。在執(zhí)行完各自 程序操作后返回，從新執(zhí)行鍵盤掃描程序。ADC0809 轉(zhuǎn)換流程圖如圖 4-7 所示。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 24 - 圖 4-7 A/D 轉(zhuǎn)換程序設計子程流程圖 在進行A/D轉(zhuǎn)換控制時， 必須嚴格按照ADC0809的工作時序完成A/D轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號 START 下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC 輸出變低， 指示模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進行。 直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。當數(shù)據(jù)輸出允許信號 OE 為高電平時,轉(zhuǎn)換結(jié) 果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。ADDA，B，C：8 路模擬開關(guān)的 3 位地址選通輸入 端，通過單片機選擇對應得輸入通道。 4.6顯示子程序設計 顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測量所得的 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)段 NUM 的 4 字節(jié)存儲單元， 測量數(shù)據(jù)在顯示時需要轉(zhuǎn)換為十進 制 BCD 碼放在 BCD0BCD4 單元中，其中 BCD4 存放的是輸入數(shù)據(jù)的路數(shù)。由 于 AD0809 是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號輸入單片機 STC89C52RC 的 P1 口， 在單片機 STC89C52RC 內(nèi)部將二進制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成十進 制數(shù)據(jù)（0255） ，由于顯示范圍為-99.9999.9，故還需做一次線性變換將數(shù)字信 號轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)值， 公式為 td*43.129+0.5 （d 為AD轉(zhuǎn)換后對應的十進制數(shù)） ， 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文） - 25 - 轉(zhuǎn)換時保留整數(shù)位，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為顯示碼就可以輸出顯示了。 顯示子程序中調(diào)用了 BCD 碼轉(zhuǎn)換子程序和 4 位數(shù)據(jù)顯示子程序，BCD 碼轉(zhuǎn) 換程序是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 BCD 碼值。4 位顯示子程序是將每組數(shù)據(jù)輸出，主要是 將對應的段碼和位碼輸出。 圖-顯示子程序流程圖 4.3 4.7 EEPROM 程序設計 4.3.1 4.7.1 設計思路 首先，把上限做一個標準，比如：在代碼初始化的時候就設定上限為 40， 就是程序中的一個全局變量：unsigned char sx=40。然后，當測量的溫度高于 40，系統(tǒng)就會自動報警。如果要設置上限的話，只要按了上限設置按紐，就會馬 上把 sx 這個變量送到顯示，這時候，數(shù)碼管上面顯示的是 0040，按移位鍵、循 環(huán)鍵和確認鍵，把新上限設定好了，那么的話 SX 的值也隨即改變，即為新的上 限值。 把上面的新的 SX 值寫到單片機的 EPROM 里面，在單片機下次啟動的時候， 從 EPROM 里面把這個值讀出來，替換掉 SX 里面的初始化值，這就實現(xiàn)了掉電保 存。 4.3.2 4.7.2STC89C52RC 的 EEPROM 介紹 ISP_DATA:ISP/IAP 操作時的數(shù)據(jù)寄存