1、燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書YS大學課程設計說明書 課程名稱 單片機原理及應用 題 目 熱敏電阻測溫顯示系統 學院（系） 電氣工程學院 年級專業 2011級檢測技術與儀器二班 學 號 學生姓名 指導教師 吳 X 軍 教師職稱 副 教 授 1燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：儀器科學與工程系學號學生姓名專業（班級）檢測11-2設計題目熱敏電阻測溫顯示系統設計技術參數設計一個采用熱敏電阻為敏感元件的溫度測量顯示系統，溫度顯示范圍為0-100，顯示分辨率0.1。設計要求設計熱敏電阻檢測電路與單片機的接口電路、4位LED顯示電路；編制相應的程序。工作量設

2、計的內容滿足課程設計的教學目的與要求，設計題目的難度和工作量適合學生的知識和能力狀況，工作量飽滿。工作計劃查閱資料進行設計準備、設計硬件電路、編制程序，編制程序、驗證設計、撰寫任務書。參考資料單片微型計算機接口技術及其應用 張淑清 國防工業出版社單片機原理及應用技術 張淑清 國防工業出版社單片機應用技術匯編指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。年 月 日第 1 頁 共 19 頁目 錄第一章 摘要3第二章 總體設計42.1 理論分析42.2 過程分析4第三章 硬件電路設計53.1 傳感器電路模塊53.1.1 測溫電橋及信號放大電路53.1.

3、2.測溫電橋53.1.3電橋的分析63.1.4.放大電路73.2 A/D變換電路模塊73.2.1 A/D轉換器簡介73.2.2 AD模數轉換器模塊電路83.3 八段數碼管顯示103.3.1 實驗線路及接線如下103.3.2 數碼顯示器的控制方式103.4 8051芯片介紹133.5 電源電路14第四章 壓力傳感器實驗數據采集、顯示及程序144.1 數據采集及顯示144.2 程序設計15第五章 心得體會18參考文獻資料18第一章 摘要單片微型計算機簡稱為單片機，又稱為微型控制器，是微型計算機的一個重要分支。單片機是70年代中期發展起來的一種大規模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口

4、和中斷系統于同一硅片的器件。80年代以來，單片機發展迅速，各類新產品不斷涌現，出現了許多高性能新型機種，現已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱產業之一。單片機具有體積小、重量輕、能耗省、價格低可靠性高和通用靈活等優點，廣泛應用于衛星定向、汽車火化控制、交通自動管理等方面。單片機有兩種基本結構形式:一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數據存儲器合用一個存儲器空間的結構，稱為普林斯頓結構。另一種是將程序存儲器和數據存儲器截然分開，分別尋址的結構，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片機以采用程序存儲器和數據存儲器截然分開的結構為多。本課題討論的熱敏電阻測溫顯示系統的核心是目前應用極為

5、廣泛的51系列單片機。目前溫度計按測使用的溫度計種類繁多，應用范圍也比較廣泛，大多數溫度計都是利用物體熱脹冷縮原理、熱電效應技術、利用熱阻效應技術、熱輻射原理、聲學原理制成，從而進行溫度的測量。本系統的溫度測量采用的就是熱阻效應。測溫電橋的主要部分是熱敏電阻。熱敏電阻的主要特點是：靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達到2000），低溫器件適用于-27355；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選

6、擇；易加工成復雜的形狀，可大批量生產；穩定性好、過載能力強。 本設計采用全橋測量電路，使系統產生的誤差更小，輸出的數據更精確。而運算放大電路的作用就是把傳感器輸出的微弱的模擬信號進行一定倍數的放大，以滿足A/D轉換器對輸入信號電平的進行各種轉換處理的要求。ADC0809 的A/D轉換作用是把模擬信號轉變成數字信號，進行模數轉換，然后把數字信號輸送到顯示電路中去，由六位（本實驗采用四位）八段數碼管顯示出測量結果。關鍵字：溫度傳感器 熱敏電阻 A/D數模轉換 數碼管動態顯示第二章 總體設計2.1 理論分析溫度測量模塊主要為溫度測量電橋，當溫度發生變化時，電橋失去平衡，從而在電橋輸出端有電壓輸出，但

7、該電壓很小。經過集成放大器放大，將放大后的信號輸入AD轉換芯片， 進行A/D轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。顯 示 模 塊單 片 機測 溫 系 統AD 轉換模塊 信 號 放 大 電 源 圖11系統框圖 圖2.1.1 系統硬件原理圖如圖112.2 過程分析該溫度傳感器系統硬件原理圖如圖11所示，由熱電阻傳感器測的外界溫度，經過信號放大，然后送給模數轉換，將原有的模擬信號轉換為可以被單片機識別和運算的數字信號，然后通過軟件編程和顯示電路顯示出來當前所測得的溫度。它的各部分電路說明如下：（1）測溫模塊：該部分電路主要使用測溫電橋，當溫度變化時，電橋處于不

8、平衡狀態，從而輸出不平衡電壓，為測溫的基礎；(2) 信號處理部分：該部分電路包括電壓信號的放大和AD轉換，實現模數變換，以及硬件濾波；(3) 單片機部分：本實驗采用8051單片機，其工作在最小模式下，主要任務有：控制AD0809進行模數轉換、形成必要的時序、進行數據計算以及控制數碼管顯示；(4) 電源電路部分：該部分電路負責將輸入的9V12V直流電，分別轉換為穩定的9V、5V、-9V直流電，給傳感器，放大電路，單片機，AD0809等供電；(5) 顯示電路：顯示電路的作用是將測量的溫度利用動態數碼管實時顯示出來。第三章 硬件電路設計3.1傳感器電路模塊3.1.1 測溫電橋及信號放大電路圖3.1.

9、1 測溫電橋及信號放大電路上圖是一個比較常用的溫度測量電路，大致分為電源，電阻電橋，運放，輸出部分。電源由R4，R6，C1，U1B組成，R4，R6為分壓電路，C1主要濾除VCC中紋波，U1B為CA324運算放大器，工作于電壓跟隨器方式，其特點是具有高輸入阻抗低輸出阻抗，為后級電橋提供較穩定的電流。電橋由R1，R2，R3，R13及熱敏電阻組成，通過調節R13使電橋平衡，當溫度發生變化時，熱敏電阻變化，電橋產生電壓差。運放電路由R7，R8，R9，R10及U1A組成，調節R14可以調節輸出電壓幅值。D1主要用于防止輸出負電壓，保護后級A/D電路。3.1.2.測溫電橋圖3.1.2 測溫電橋如上圖所示，

10、熱敏電阻RT和R1、R2、R3、以及可變電阻R13組成一個測溫電橋，在室溫時，調節R13使電橋達到平衡。當溫度升高時，熱敏電阻的阻值變大，電橋失去平衡，電橋輸出的不平衡電壓，經過濾波后，輸入運算放大器，進行放大處理。3. 1.3電橋的分析 圖3.1.3 電橋原理圖(1)電橋輸出電壓： =（2）電橋平衡條件：當各橋臂發生微小變化時，電橋失去平衡，其輸出為：一般R很小，即R<<R，又電橋開始平衡，即所以 實際使用中，為了簡化橋路設計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，往往取橋臂電阻相等。3.1.4.放大電路最后經過放大部分，如圖3.1.4，為壓力傳感器的微弱電壓輸出的放大電路。分析它是一

11、個差分放大電路,其放大倍數及放大后的電壓值與R7、R8、R9、R10有關。圖3.1.4放大電路3.2 A/D轉換器3.2.1 A/D轉換器簡介ADC0809由單一+5V電源供電，片內帶有鎖存功能的8路模擬多路開關，可對8路0V-5V的輸入模擬電壓信號分時進行轉換，完成一次轉換約需100微秒。片內具有多路開關的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩定的比較器，256R的電阻T型網絡和樹狀電子開關以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態鎖存緩沖器，可直接到單片機數據總線上。ADC0809是28腳雙列直插式封裝。引腳圖如圖3.2.1所示圖3.2.1 ADC0809引腳圖IN7IN0模擬量輸入通道ALE

12、地址鎖存允許信號，對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態送入地址鎖存器中。STRAT-轉換啟動信號。STRAT上升沿時，復位ADC0809；STRAT下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，STRAT應保持低電平。有時簡寫為ST。A、B、C地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時時鐘信號引腳。EOC轉換結束信號。EOC=0，正在進行轉換；EOC=1，轉換結束。D7D0數據輸出線。為三態緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連，D0為最低位，D7為最高

13、。OE-輸出允許信號。用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0。，輸出數據線呈高阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。3.2.2 AD模數轉換器模塊電路A/D轉換模塊是本次實驗中重要的一環，它將溫度測量模塊的輸出電壓值轉換為數字量，再進一步輸入單片機進行處理。A/D轉換的內部結構設計圖如下圖所示。實驗箱只有IN0和IN1兩個輸入端口，輸出端口地址取決于片選A/D_CS所接片選端得段地址，。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D

14、轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。圖3.2.2 AD轉換電路實驗電路及接線如下圖示 ：連線連接孔1連接孔21IN0溫度傳感器輸出（AD_CS）2AD_CSCS2圖3.2.2 接線框圖A/D轉換器的結構及連線圖如上圖所示，AD0809的工作過程如下：首先用指令選擇0809的一個模擬輸入通道，當執行MOVX DPTR,A時，產生一個啟動信號給START引腳送入脈沖，開始對選中通道轉換。當轉換結束后發出 結束信號，置EOC引腳信號為高電平，該信號可以作為中斷申請信號，當讀允許信號到，OE端有高電平，則可以讀出轉換

15、的數字量，利用MOVX A,DPTR把該通道轉換結果讀到累加器A中。轉換電壓為05V，調節橋路中的電位器，使其輸出電壓為05V，可以在較小范圍內波動，當滿量程輸出時對應八個1的輸出，由于前邊計算的電壓變化和電阻變化成正比關系，而且電阻變化和應變成正比，進而得出的壓力和電壓是成正比的。傳感器橋路輸出電壓經過比例變換后轉換成二進制碼的形式送入P0口。其程序框圖如下：開始初始化啟動A/D數據輸出A/D轉換完成圖3.2.3 A/D轉換電路程序框圖3.3八段數碼管顯示3.3.1 實驗線路及接線如下 連線連接孔1連接孔21KEY/LED_CSCS0圖3.3.1 接口圖3.3.2 數碼顯示器的控制方式（1）

16、靜態顯示當顯示器顯示某一個字符時，相應的發光二極管恒定的地導通或截止。例如，7段LED顯示器顯示數字0時，a、b、c、d、e、f段恒定導通，g段恒定截止。這種顯示方式每一位都需要一個8位輸出口控制。靜態顯示主要的優點是顯示穩定，在發光二極管導通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統運行過程中，在需要更新顯示內容時，CPU才去執行顯示更新子程序，這樣既節約了CPU的時間，又提高了CPU的工作效率。其不足之處是占用硬件資源較多，每個LED數碼管需要獨占8條輸出線。隨著顯示器位數的增加，需要的I/O口線也將增加。（2）動態顯示當為數較多時，用靜態顯示所需的I/O口太多，不太經濟，一般采用動態顯示方法，

17、即用掃描的方法一位一位輪流點亮顯示器的各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次，利用人眼的視覺暫留效應可以看到整個動態顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比值有關。調整電流和時間參數，可以得到亮度較高且較穩定的顯示。在動態顯示方式中，若顯示器的位數不大于8位，則控制顯示器各位公共極的電位使他們輪流點亮只需一個I/O口（稱為掃描口）；傳送顯示器的各位所顯示的段選碼也需一個8位I/O口（稱為段數據口）。由于8031I/O口有限，所以本次設計采用動態顯示方式。2.動態顯示數碼管接線部分圖3.3.2 數碼管電路接線圖 用6 位

18、8 段碼LED 顯示電路，只要按地址輸出相應數據，就可以實現對顯示器的控制。顯示共有6 位，用動態方式顯示。8 位段碼、6 位位碼是由兩片74LS374 輸出。位碼經MC1413 或ULN2003 倒相驅動后，選擇相應顯示位。 本實驗儀中 8 位段碼輸出地址為0X004H，位碼輸出地址為 0X002H。此處X 是由KEY/LED CS 決定，參見地址譯碼。做LED 實驗時，需將KEY/LED CS 接到相應的地址譯碼上。以便用相應的地址來訪問。例如，將KEY/LED CS 接到CS0 上，則段碼地址為08004H，位碼地址為08002H 七段數碼管的字型顯示表如下: 顯示數字1234共陰極字符

19、碼06H5BH4FH66H顯示數字5678共陰極字符碼6DH7DH07H7FH顯示數字90AB共陰極字符碼6FH3FH77H7CH顯示數字CDEF共陰極字符碼39H5EH79H71H圖3.3.3 八段數碼管顯示過程如下：經過單片機P0輸出的八位二進制碼，變換成BCD碼，在數碼管上顯示，經過段選信號和位選信號的控制，最后在相應數碼管上顯示出相應的溫度值。程序框圖如下：開始初始化顯示數據關所有顯示位取顯示數據輸出位選通信號延時位選通信號移位指向下一個顯示數據輸出段碼數據4位完成？返回圖3.3.4 數碼管程序框圖譯碼插孔地址范圍CS008000H08FFFHCS109000H09FFFHCS20A0

20、00H0AFFFHCS30B000H0BFFFHCS40C000H0CFFFHCS50D000H0DFFFHCS60E000H0EFFFHCS70F000H0FFFFH圖3.3.5 地址碼插孔及對應地址范圍3.4 8051芯片介紹 本實驗采用8051單片機，其管腳圖如下：圖3.4.1 80C51的引腳圖1.電源（1）VCC - 芯片電源，接+5V； （2）VSS - 接地端； 2.時鐘XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 3.控制線（4根）（1）ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖。 ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。 PROG功能：片內有E

21、PROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 （2）PSEN:外ROM讀選通信號。（3）RST/VPD:復位/備用電源。 RST（Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。（4）EA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。 EA功能：內外ROM選擇端。 Vpp功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。 4.I/O線 80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還有 第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。3.5 電源電路 電源是整套系統工作的基礎，

22、要實現溫度的精確測量與顯示跟一個合適的穩定的電源是密不可分的，由系統組成可知，系統要正常工作需要一個穩定的+5V電源，用來給測溫電橋，單片機，顯示模塊，AD模塊供電，要實現信號的放大還需要給放大模塊提供穩定的+9V ,-9V電源。第四章 溫度傳感器實驗數據采集、顯示及程序4.1 數據采集及顯示數據處理子程序是整個程序的核心。主要用來調整輸入值系數，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結果從十六進制數向十進制數形式轉化。系數轉換在IN0輸入的數最大為5V，要求壓力80N對應的是5V，為十六進制向十進制轉換方便，將系數進行一定倍數的變換，并用小數點位置的變化體現這一過程。數制之間的轉換：在二進

23、制數制中，每向左移一位表示數增加兩倍。要求壓力80N對應的是5V，而壓力與電壓的變換是線性關系，對應AD轉換器的輸出為八個1，當有一定的壓力值輸入時，對應這個關系轉化成相應的二進制代碼送入P0口。然后再反過來應用這個變化關系，經最終得到的數值進行二進制到BCD碼轉化，然后逐位在LED數碼管上顯示。數據采集用A/D0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數據、延時等待轉換結束、讀出轉換結果、存入指定內存單元、繼續轉換（退出）幾個步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的05模擬信號轉換成對應的數字量00HFFH，然后再存入存儲器的指定單元中。在控制方面有所區別。可以采用程序查詢方式，延

24、時等待方式和中斷方式。顯示子程序是字符顯示，首先調用事先編好數碼管顯示子程序。初始化命令，然后輸出顯示命令。在顯示過程中一定要調用延時子程序。當輸入通道采集了一個新的過程參數，當有壓力信號輸入時，調用顯示子程序在數碼管上顯示。4.2 程序的設計AD0809 equ 0a000h ; AD0809片選OUTBIT equ 08002h ; 位控制口OUTSEG equ 08004h ; 段控制口LEDBuf equ 60h ; 顯示緩沖DelayT equ 75h ; 延時ADResult equ 76h ; A/D轉換結果 org 0 ;清零ljmp Start ;長轉移，開始執行主程序AD0

25、809Read: mov dptr, #AD0809 mov a, #0 movx dptr, a ; 起動 A/D mov a, #40h djnz ACC, $ ; 延時 > 100us movx a, dptr ; mov ADResult, a ; 讀入結果 retLEDMAP: ;定義八段管顯示碼 db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hDelay: ; 延時子程序 mov r7, #0DelayLoop: djnz r7, DelayLoop djnz

26、 acc, DelayLoop retSearchLedMap: ;數碼顯示 anl a, #0fh mov dptr, #LEDMAP movc a, a+dptr retDisplayLED: mov r0, #LEDBuf mov r1, #6 ; mov r2, #00001000b ; 從左邊開始顯示Loop: mov dptr, #OUTBIT mov a, #0 movx dptr, a ; 關所有八段管 mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr,a mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a ; 顯示一位八

27、段管 mov a, #01 call Delay mov a, r2 ; 顯示下一位 rr a mov r2, a inc r0 djnz r1, Loop mov dptr, #OUTBIT mov a, #0 movx dptr, a ; 關所有八段管 retStart: nop call AD0809Read mov a, ADResult Cpl a ;AD反碼輸出，故取反 mov b,#20h ;溫度控制系數 mul ab push a ;低八位入棧 mov a,b mov b,#100 div ab call SearchLedMap mov ledbuf+0,a ; 百位數字 m

28、ov a,b mov b,#10 div ab call SearchLedMap mov ledbuf+1,a ;十位數字 mov a,b call SearchLedMap ;個位數字 orl a,#80h ; mov ledbuf+2,a ; 放置小數點 pop a ;低八位出棧 mov b,#10 mul ab mov a,b call searchledmap mov ledbuf+3,a ;十分位數字 mov DelayT,#80 延時DisplayAgain: ;動態顯示 call DisplayLED djnz DelayT,DisplayAgain nop sjmp Start end第五章 心得體會通過這次對熱敏電阻測溫顯示系統的設計，我們不但學習了wave6000這個軟件，將所學的單片機，匯編語言，電路，數字電子技術，電路設計，傳感器等學科的理論知識與實踐相結合，而且更加深刻的體會到了實際中電路設計及軟件設計與理想情況下的差別，為了讓自己的設計更加完善，更加