温度传感与温度过程控制设计

目 录目录1摘 要 3关键词3一 引言3二、芯片介绍2.1 AT89C51介绍32.2 AD0809介绍82.3 74LS164介绍11三、单片机的最小应用系统3.1 单片机的时钟电路113.2 复位电路和复位状态133.3总线结构153.4 89C51单片机的最小应用系统15四、温度采集控制系统设计4.1 温度传感器的分类和应用164.1.1 模拟温度传感器164.1.2 逻辑输出型温度传感器164.1.3 数字式温度传感器174.2 常用外围设备接口电路194.3 LED数码管显示接口194.3.1 LED数码管194.3.2 LED数码管编码方式204.3.3 LED数码管显示方式和典型应用电路214.4 设计说明234.5流程图及源程序244.5.1流程图244.5.2源程序244.6 电路图26五、温度过程控制系统设计5.1 键 盘 接 口335.1.1 按键开关去抖动问题335.1.2 查询式按键及其接口345.1.3 键盘扫描控制方式355.2 控制说明355.3流程图及源程序365.3.1流程图375.3.2源程序375.4电路图42结束语43参考文献43致谢44温度传感与温度过程控制设计摘 要 “过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的学科。随着科学技术的飞速前进，过程控制也在日新月民地发展。温度传感与温度过程控制是一个综合性系统。在本设计中温度通过模拟温度传感器（热敏电阻）进行采样并转换为电压信号，经放大器放大后进入单片机AT89C51，用ADC0809模数转换器进行A/D转换变成数字量，从P3.0，P3.1口输出到八段数码管LED静态显示部分显示其温度。采用独立式键盘设定和改变初始值，比较设定值与输入温度值来控制加热或制冷。加热器用加热电阻代替，制冷采用自然冷却来达到控制的目的。Abstract The “ process controls is a course for and industry production line contact very closely. soon go forward along with the flying of science technique,Process control too in the days new moon people ground development.The temperature spreads to feel to control with temperature process is a synthesize the sex system. At this design the inside temperature to pass the emulation temperature to spread to feel the( hot electric resistance) to proceed to adopt the kind to combine the conversion to electric voltage signal, and was enlarged by enlarger juniors is into the single slice machine AT89C51, use the ADC0809 mold to count the conversion to proceed the A/ D the conversion to become the arithmetic figure deal, and output eight figureses to take care of the LED the the manifestation the part its temperature of manifestation from the P3.0, P3.1.Adopt the independent type keyboard the enactment with changes initial value, comparison initial value and input the temperature to is worth to control heat or make cold. the heating apparatus use the heating electric resistance replace, and make the cold adoption nature to cool off purpose that attain the control.关键词: 单片机、模数转换器、芯片、锁存器、译码器、测量变送器，串行通信等一、引言温度控制系统是比较常见的和典型的过程系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，在冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的热处理等均需要对温度严格控制。当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好的多。本设计是运用MCS51系列中89C51单片机在采样、比较和控制方面的应用。在设计中，首先介绍了一下在设计中用到的一些主要芯片，如AT89C51、AD0809、74LS164等，使读者在阅读过程中，对各个芯片的具体功能更加清晰；在读者了解各芯片的基本功能和用法之后再向读者介绍了关于本系统的设计思想，加深读者对该控制系统的理解。在温度采集电路设计中，以大量的篇幅介绍了温度采集与变换过程、LED数码管显示接口，并将设计的流程图、源程序及电路图有序的列出，方便读者查看与研究；在温度过程控制系统设计中，详细的介绍了控制要求及键盘接口有关知识，也将设计的流程图、源程序及电路图有序的列出， 扩大了知识面，使读者能更好的理解本设计思想与方法。二、芯片介绍2.1 AT89C51介绍89系列中，典型的单片机有AT89C51、AT89C2051，AT89S8252等。在这里，以这些单片机为典型作简要的介绍，包括它们的主要性能、结构框图以及引脚功能的说明。AT89C51的结构框图如图2-1所示。*只在AT89C52中有。图2-1 AT89C51结构框图AT89C51单片机还有一种低电压的型号，即AT89LV51，除了电压范围有区别之外，其余特性与AT89C51完全一致。AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51/LV51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。1） 主要性能l 4KB可改编程序lash存储器（可经受1 000次的写入擦除）。l 全静态工作：0Hz24MHz。l 3级程序存储器保密。l 1288字节内部RAM。l 32条可编程I/O线。l 2个16位定时器/计数器。l 6个中断源。另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）。在这空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。2） 引脚功能说明图2-2是AT89C51/LV51的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。下面分别叙述这些引脚的功能。(1) 主电源引脚 Vcc：电源端。 GND：接地端。(2) 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。(3) 控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/，/Vpp RST：复位输H入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。图2-2 AT89C51/LV51的引脚结构 ALE/：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。 ：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 /Vpp：外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），则端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端的状态。当端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。(4) 输入/输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7。 P0端口（P0.0P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 P1端口（P1.0P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVXDPTR指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校难期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。 P3端口（P3.0P3.7）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。复用功能如表2-1所列。在对Flash编程或程序校验地，P3还接收一些控制信号。表2-1 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P 3.2（外部中断0）P 3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P 3.5T1（定时器1的外部输入）P 3.6（外部数据存储器写选通）P 3.7（外部数据存储器读选通）2.2 AD0809介绍ADC0809转换器及其接口 ADC0809是8位CMOS逐次逼近式A/D转换器。内部有8 路模拟量输入和8 位数字量输出的A/D转换器，它是美国国家半导体公司的产品，是目前国内最广泛的8 位通用的A/D转换的芯片。其结构图如图2-3所示图2-3 ADC0809内部结构图ADC0809各管脚功能ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚，如图2-4 所示图2-4 ADC0809引脚图1） IN0-IN7IN0IN7为8 路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压2） ADDA，ADDB，ADDC三位地址输入端。八路模拟信号转换选择同由A，B，C决定。A为低位，C为高位3） CLOCK外部时钟输入端，时钟频率高，A/D转换速度快。允许范围为10HZ至1280KHZ，典型值为640KHZ，此时，A/D转换时间为10us。通常由MCS-51型单片机ALE端直接或分频后与其相连。当MCS-51型单片机无读写外部RAM操作时，ALE信号固定为CPU时钟频率的1/6，若单片机外接的晶振为6MHZ，则1/6为1MHZ，A/D转换时间为64us。4） D0-D7数字量输出端，A/D转换的结果由这几个端口输出。5） OEA/D转换结果输出允许控制端，当OE端为高电平时，允许将A/D转换结果从D0至D7端输出。通常由MCS-51型单片机的端和ADC0809片选端（例如）,通过或非门与ADC0809的OE端相连接。当DPTR为FEFFH，且执行“MOVX A，DPTR” 指令后，和均有效，或非后产生高电平，使ADC0809的OE端有效，ADC0809将A/D转换的结果送入数据总线P0口，CPU在读入数据。6）ALE地址锁存允许信号。八路模拟通道地址由A，B，C输入在ADC0809的ALE信号有效时，将该八路地址锁存。7）START启动A/D转换信号。当START端输入一个正脉冲时，立即启动ADC0809进行A/D转换。START端与ALE 端连在一起，由MSC-51型单片机WR和ADC0809片选端（例如）。通过或非门连接，当DPTR为FEF8H时，执行“MOVX DPTR,A”指令后，将启动ADC0809模拟通道0的A/D转换。八路模拟输入通道的地址是FEF8H至FEFFH。执行MOVX写指令，并非真的将A中的内容写进ADC0809 中，ADC0809中没有寄存器能容纳的A中的内容。ADC0809的输入通道是IN0至IN7，输出通道是D0至D7，因此，执行：“MOVX DPTR,A”指令与A中内容无关，但DPTR地址应指向当前A/D的通道地址。8) EOCA/D转换结果信号。当ADC0809启动A/D转换后，EOC输出低电平，转换结束后，EOC输出高电平，表示可以读取A/D转换的结果。该信号取反后若与MCS-51型单片机引脚或连接，可引发CPU中断，在中断服务程序中读A/D转换的数字信号，若与MCS-51型单片机两个中断源已用完，则EOC也可与P1口或P3口的一条端线相连，不采用中断方式，采用查询方式，查得EOC为高电平后，在读入A/D转换的值。9）VREF+，VREF-正负基准电压输入端。正基准电压的典型值为+5V，可与电源电压+5V相连，但电源电压往往有一定的波动，将影响A/D转换的精度。因此，精度要求较高时，可用高稳定基准电源输入。当模拟信号电压较低时，基准电压也可取低于5V的数值。10）VCC，GND正电源电压端和接地端。2.3 74LS164介绍74LS164串行输入并行输出移位寄存器本设计是用74LS164把输入的串行数转换成并行数输出。 图2-5 74LS164引脚图其引脚图如图2-5所示，功能如下： A， B：串行输入端Q0至Q7：并行输出端 ：清零端，低电平有效CLK ：时钟脉冲输入端，上升沿有效三、单片机的最小应用系统单片微型计算机是一个较小的应用系统，但由于系统中有一些功能器件无法集成到芯内部，如晶振、复位电路等，需要在片外加接相应的电路。对于片内无程序存储器的单片机，还应该配置片外部程序存储器。3.1 单片机的时钟电路MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。(1) 内部时钟方式利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器，如图3-1所示。晶振可在1.212MHz之间选择。MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体振荡器，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1和C2可在20100pF之间取值，一般取30pF左右。(2) 外部时钟方式在由单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的合用外部振荡脉冲作为各单片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接引入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图3-2所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上拉电阻。CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图3-3所示。3.2 复位电路和复位状态MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。MCS-51单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位。(1) 复位电路MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位键两种方式。最简单的复位电路如图3-4所示。上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连。3-4 简单的复位电路在实际的应用系统中，为了保证单片机可靠地工作，常采用“看门狗”监视单片机的运行。采用MAX690的复位电路如图3-5所示，该电路具有上电复位和监视MCS-51单片机的P3.3的输出功能。一旦P3.3不输出高低电平交替变化的脉冲，MAX690就会自动产生一复位信号使单片机复位。图3-5 MAX690组成的复位电路(2) 复位状态复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC初始化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H0002H 3个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。除PC之外，复位还对其他一些特殊功能的寄存器有影响，它们的复位状态如表5-1所示。利用它们的复位状态，可以减少应用程序中的初始化编程。由表3-1可知，除SP=07H，P0P3 四个锁存器均为FFH外，其他所有的寄存器均为0，很好记忆。记住他们的复位状态，对于熟悉单片机的操作，减少应用程序中的初始化编程都是十分必要的。单片机的复位不影响片内RAM的状态（包括通用寄存器Rn）。表3-1 寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HPSW00HTL000HSP07HTH000HDPTR0000HTL100HP0P3FFHTH100HIP0xx00000BSCON00HIE0xx00000BPCON0xx00000BP0、P1、P2、P3共有4个8位并行I/O口，它们引线为：P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7，共32条引线。这32条引线可以全部用做I/O线，也可将其中部分用做单片机的片外总线。 控制线A、ALE地址锁存允许当单片机访问外部存储器时，输出信号ALE用于锁存P0口输出的低8位地址A7A0。ALE的输出频率为时钟振荡频率的1/6。B、程序存储器选择=0，单片机只访问外部程序存储器。对内部无程序存储器的单片机8031，必须接地。=1，单片机访问内部程序存储器，若地址超过内部程序存储器的范围，单片机将自动访问外部程序存储器。对内部有程序存储器的单片机，应接高电平。C、片外程序存储器的选通信号。此信号为读外部程序存储器的选通信号。D、RST复位信号输入 电源及时钟VSS端接地，VCC端接+5V，XTAL1和XTAL2接晶振或外部振荡信号源。3.3总线结构单片机的引线除了电源、复位、时钟输入、用户I/O口外，其余引线都是为实现系统扩展则设置的，这些引线构成了单片机外部的3总线形式，如图3-6所示，下面分别予以介绍。图3-6 片外3总线结构 地址总线地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A7A0），P2口直接提供高8位地址（A15A8）。由口的位结构可知，MCS-51单片机在进行外部寻址时，P0口的8根引线为低8位地址和8位数据的复用线。P0口首先将低8位的地址发送出去，然后再传送数据，因此要用锁存器将先送出的低8位地址锁存。MCS-51常用74LS373或8282做地址锁存器。 数据总线数据总线宽度为8位，由P0口提供。 控制总线MCS-51用于外部扩展的控制总线除了它自身引出的控制线RES、ALE、外，还有由P3口的第二功能引线：外部中断0和外部中断1输入线和，以及外部RAM或I/O端口的读选通和写选通信号和。3.4 89C51单片机的最小应用系统 图3-7 89C51单片机的最小应用系统构成最小应用系统时只要将单片机接上外部的晶体或时钟电路和复位电路即可，如图3-7所示，这样构成的最小系统简单可靠，其特点是没有外部扩展，有可供用户的大量的I/O线。四、温度采集控制系统设计4.1 温度传感器的分类和应用按照温度传感器输出信号的模式，可大致划分为三类：数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。4.1.1 模拟温度传感器传统的模式温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。这里主要介绍该类器件的几个典型。1AD590温度传感器 AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为330V，输出电流223A（-50C）423A(+150C),灵敏度为1A/C。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20M，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。2LM135/235/335温度传感器LM135/235/335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管，该系列器件灵敏度为10mV/C,具有小于1的动态阻抗，工作电流范围从400A到5mA，精度为1C，LM135的温度范围为-55C+150C，LM235为-40C+125C，LM335为-40C+100C。封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。4.1.2 逻辑输出型温度传感器在许多应用中，我们并不需要测量准确的温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，这种控制在工业过程控制有时也叫温度位式控制，此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。1 LM56温度开关LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关，内置1.25V参考电压输出端。最大只能带50A的负载。电源电压座2.710V，工作电流最大230A，内置传感器的灵敏度为6.2mV/C，传感器输出电压为6.2mV/CT+395mV。2 MAX6501/02/03/04温度监控开关MAX6501/02/03/04是具有逻辑输出和SOT-23封装的温度监视器件开关，它的设计非常简单：用户选择一种接近于自己需要的控制的温度门限（由厂方预设在-45C到+115C，预设值间隔为10C）。直接将其接入电路即可使用，无需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503为漏极开路低电平报警输出，MAX6502/MAX6504为推/拉式高电平报警输出，MAX6501/MAX6503提供热温度预置门限（35C到+115C），当温度高于预置门限时报警；MAX6502/MAX6504提供冷温度预置门限（-45C到+15C），当温度低于预置门限时报警。对于需要一个简单的温度超限报警而又空间有限的应用如笔记本电脑、蜂窝移动电话等应用来说是非常理想的，该器件的典型温度误差是5C，最大4C，滞回温度可通过引脚选择为2C或10C，以避免温度接近门限值时输出不稳定。这类器件的工作电压范围为2.7V到5.5V，典型工作电流30A。4.1.3 数字式温度传感器1 MAX6576/76/77数字温度传感器如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。同样，当A/D和微处理器的I/O管脚短缺时，采用时间或频率输出的温度传感器也能解决上述测量问题。以MAX6575/76/77系列SOT23封装的温度传感器为例，这类器件可通过单线和微处理器进行温度数据的传送，提供三种灵活的输出方式，分别为频率、周期、定时，并具备0.8C的典型精度，一条线最多允许挂接8个传感器，150A典型电源电流和2.7V到5.5V的宽电源电压范围及-45C到+125C的温度范围。它输出的方波信号具有正比于绝对温度的周期，采用6脚SOT-23封装，仅占很小的板面。该器件通过一条I/O线与微处理器相连，利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。2 可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器DS1621DS1621是美国达拉斯半导体公司生产的CMOS数字式温度传感器。内含两个不挥发性存储器，可以在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制，由于这些存储器具有不挥发性，因而一次写入后，即使不用CPU也仍然可以独立作用。温度测量原理和精度，在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器（OSC1）和一个温度系数较小的振荡器（OSC2）。在温度较低时，由于OSC2的开门时间较短，因此温度测量计数器计数值（n）较小；而当温度较高时，由于OSC2的开门时间较长，其计数值（m）增大。如果在上述数值基础上再加上一个同实际温度相差的校正数据，就可以构成一个高精度的数字温度传感器。该公司将这个校正值写入芯片中的不挥发存储器中，这样传感器输出的数字量就可以作为实际测量的温度数据，而不需要再进行校准。它可以测量的温度的范围为-55C+125C，在0C+70C范围内，测量精度为0.5C，输出的9位编码直接与温度相对应。DS1621同外部电路的控制信号和数据的通信是通过双向总线来实现的，由CPU生成串行时钟脉冲（SCL），SDA是双向数据线。通过地址引脚A0、A1、A2将8个不同的地址分配给各器件。通过设定寄存器来设置工作方式，并对工作状态进行监控。被测的温度数据被存储在温度传感器寄存器中，高温（TH）和低温（TL）阈值寄存器存储了恒温器输出（Tout）的阈值。现在，各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。比如，MAXIM公司近期推出的MAX1619是一种增强型精密远端数字温度传感器，能够监测远端P-N结和其自身封装的温度，它具有双报警输出；ALERT和OVERT。ALERT用于指示各传感器的高/低温状态，OVERT信号等价于一个自动调温器，在远端温度传感器超上限时触发，MAX1619与MAX1617A完全兼容，非常适合于系统关断或风扇控制，甚至在系统“死锁”后仍能正常工作。半边天这拉斯半导体公司的DS1615是有记录功能的温度传感器，器件中包含实时时钟、数字式温度传感器、非易失性存储器、控制逻辑电路以及串行接口电路。数字温度传感器的测量范围为-40C+85C，精度为2C，读取9位时的分辨率是0.5C，读取13位时的分辨率是0.03125C。时钟提供的时间从秒至年月，并对到2100年以前的闰年作了修正。电源电压为2.2V5.5V，8脚SOIC封装。DS17775是数字式温度计及恒温控制器集成电路。其中包含数字温度传感器、A/D转换器、数字寄存器、恒温控制比较器以及两线串行接口电路。供电电压在3V至5V时的测量温度精度为2C，读取9位时的分辨率是0.5C，读取13位时的分辨率是0.03125C。4.2 常用外围设备接口电路单片机应用系统中，通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人报告运行状态和运行结果。人对系统的状态干预及数据输入的外部设备最常用的是按钮或键盘。如对系统状态实现干预的功能键和向系统输入数据的数字键、拨码盘等。也有非接触式的，如遥控键盘，远程开在以及语音输入接口等。系统向人报告运行状态和运行结果的外部设备最常用的有各种报警指示灯、LED/LCD数码管显示器、CRT显示器和打印机。图4-1为单片微型计算机应用系统人机对话通道配置图。图4-1 微型计算机应用系统人机对话通道配置图除了人机对话通道外，单片机应用系统需被测信号输入通道（也称前向通道）和控制对象的输出通道（也称后向通道），被测信号如电压、电流、温度、压力、位移等，一般是模拟量，它需要传感器检测、放大变换，然后A/D转换成数字量，才能被CPU接受。对系统控制对象，CPU一般只能输出数字量，多数情况下需要将数字量D/A转换成模拟量，然后去驱动控制对象。4.3 LED数码管显示接口在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。4.3.1 LED数码管的介绍LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图4-2a为0.5inLED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应ag七段构成“”字形另一只发光二极管Dp作为小数点的显示。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管图4-2 LED数码管LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共型两大类，如图4-2示b、c所示。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，ag、Dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端为低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。控制几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。LED数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5in和0.8in；按显示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.52V，额定电流为10mA，最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过40mA。4.3.2 LED数码管编码方式当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、g、Dp按某一顺序接到MCS51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、D7，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。例如要使共阳极LED数码管显示“0”，则a、b、c、d、e、f各笔段引脚为低电平，g和Dp为高电平，如表4-1所示。表4-1 共阳极LED数码管显示数字“0”时各管段编码D7D6D5D4D3D2D1D0字段码显示数Dpgfedcba11000000C0H0C0H称为共阳LCD数码管显示“0”的字段码，不计小数点的字段码称为七段码，包括小数点的字段称为八段码。LED数码管编码方式有多种，按小数点计否可分为七段码和八段码；按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；按a、b、g、Dp编码顺序是高低位的前后位置的不同，又可分为顺序字段码和逆序字段码。甚至在某些特殊情况下将a、b、g、Dp顺序打乱编码。表4-2为共阴和共阳LED数码管几种八段编码表。表4-2 共阴和共阳LED数码管几种八段编码共阴顺序小数点暗共阴逆序小数点暗共阳顺序小数点亮共阳顺序小数点暗Dp g f e d c b a16进制a b c d e f g dp16进制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0 H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H4.3.3 LED数码管显示方式和典型应用电路LED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。 静态显示方式在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个8位I/O口控制，而且该I/O口须有锁存功能，N位显示器就需要N个8位I/O口，公共端可直接接+5V（共阳）或接地（共阴）。显示时，每一位字段码分别从I/O控制口输出，保持不变直至CPU刷新显示为止。也就是各字段的亮灭状态不变。静态显示方式编程较简单，但占用I/O口线多，即软件简单、硬件成本高，一般适用显示位数较少的场合。 动态扫描显示方式当要求显示位数较多时，为了简化电路、降低硬件成本，通常采用动态扫描显示电路。所谓动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起，每一位的a段连在一起，b段连在一起g段连在一起，共8段，由一个8位I/O口控制，而每一位的公共端（共阳或共阴COM）由另一个I/O口控制，如图4-3所示。这种连接方式由于将多位字段线连在一起，当输出字段码时，由于多片同时选通，每一片将显示相同的内容。因此，要想显示不同的内容。必须采取轮流显示的方式。即在某一瞬间时，只让某一片的字位线处于选通状态（共阴极LED数码管为低电平，共阳极为高电平），其他各片的字位线处于开断状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位暗。同样在下一瞬时，单独显示下一片，这样依次轮流显示，循环扫描。由于人的视觉滞留效应，人们看到的是多位同时稳定显示。图4-3 动态显示LED数码管连接方式本设计为静态显示，电路如图所示。显示器由5个LED数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。5个串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相连。每片的并行输出作为LED数码管的段码。4.4 设计说明在本设计中选用的A/D转换器是ADC0809。ADC0809是一种具有8路模拟量输入、8位逐次逼近式A/D转换器，具有工作速度快，转换精度容易保证等优点。且采用CMOS制造工艺，单一+5V电源供电，其性能指标能满足一般的要求，但价格低廉，便于与微机连接，故选用此A/D转换器。关于ADC0809的具体介绍及其接口在前面的810页。另外在移位寄存器选用、温度传感器的选用、数码管的选用、显示方式的选择见于一下几页：本设计选用74LS164串行输入并行输出移位寄存器用74LS164把输入的串行数转换成并行数输出。 图2-5 74LS164引脚图其引脚图如图2-5所示，功能如下： B， B：串行输入端Q0至Q7：并行输出端 ：清零端，低电平有效CLK ：时钟脉冲输入端，上升沿有效在温度采集控制系统设计过程中温度传感器选用的是一种半导体热电阻（正温度系数的热敏电阻）。热敏电阻在工业现场所适用的温度范围比普通的模拟温度传感器、数字式温度传感器、逻辑温度传感器要过的多，且热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高、安装方便、使用简单等优点，还有热敏电阻在价格上与一般的模拟、数字式、逻辑式温度传感器相比要便宜的多，而本次设计所需的各种要求及性能指标热敏电阻均能够满足。选定了温度传感器，则要对所采集的温度在A/D转换后需要显示，而显示的方式有多种，由于本次设计对要显示的内容只有简单的数字和符号，用简单的LED数码管就能够满足要求，因为LED数码管具有显示清晰、成本低廉、配置灵活、与单片机接口简单易行。又在显示方面本次设计需显示的位数不多，显示方式编程简单，这正与静态显示方式的优点一致，故选用LED数码管静态显示方式。下面是静态串行显示的实现过程1、静态显示，电路中图所示。显示器由5个共阴极LED数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN和移位信号CLK。5个串/并移位寄存器芯片74LS164首尾相连。每片的并行输出作为LED数码管的段码。74LS164的引脚图如图所示；74LS16474LS164为8位串入并出移位寄存器，1、2为 串行输入端，Q0Q7为并行输出端，CLK为移位时钟脉冲，上升沿移入一位；MR为清零端，低电平时并行输出为零。89C51单片机的P3.0作数据串行输出，P3.1作移位脉冲输出，用单片机最小应用系统89C51的RXD、TXD连接到态显示模块74LS164的DIN、CLK端。为了说明静态显示模块具有数据锁存功能。有以下串行显示源程序，该程序编译后，全速运行程序，5LED显示“89C51”。程序停止运行时，显示不变，具体程序及流程图如下： N地址指针设置取段码段码左移一位输出一位段码输出一个移位脉冲N开 始取段码结束取段码结束YY四、流程图及源程序1、流程图2、源程序DBUF0 EQU 30H； 置存储区首址TEMP EQU 40H； 置缓冲区首址DIN BIT 0B0H； 置串行输出口CLK BIT 0B1H； 时钟输出口ORG 0000HMOV 30H, #8； 存入显示数据 MOV 31H, #9 MOV 32H, #C MOV 33H, #5 MOV 34H, #1DISP: MOV R0, #DBUF0 MOV R1, #TEMP MOV R2, #5 DP10: MOV DPTR, #SEGTAB ；表头地址 MOV A, R0 MOVC A, A+DPTR ；查表指令 MOV R1, A INC R0 INC R1 DJNZ R2, DP10 MOV R0, #TEMP ；段码地址指针 MOV R1, #5 ；段码字节数DP12: MOV R2, #8 ；输出子程序 MOV A, R0 ；取段码DP13: RLC A ；段码左移 MOV DIN, C ；输出一位段码 CLR CLK ；发送移位脉冲一位 SETB CLK DJNZ R2, DP13 INC R0 DJNZ R1, DP12 SJMP $SEGTAB: DB