焊接温度场温度检测系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 焊接温度场温度检测系统设计焊接温度场温度检测系统设计 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 许振龙 学 号： 0812106280 指导教师： 孟天星 2012 年 6 月 摘 要 摘 要 在管道铺设、大型机件制造等生产中，焊接是一种必不可少的的技术手段， 在工农业生产中占有重要地位。焊接是一个不均匀加热和冷却的特殊的热处理 过程，会在焊接热影响区产生不均匀的组织和性能，同时也会产生复杂的应力 和应变。而焊接过程的温度场决定了焊接应力场和应变场，是影响焊接质量和 生产率的主要因素。因此控制好焊接温度对焊接产品的质量具有十分重要的意 义。因此我们需要设计相应的焊接温度场温度测量系统。 本课题设计了以 AT89C51 为控制核心的温度采集、显示系统。着重介绍 了 8 路模拟信号选择芯片 CD4051 及热电偶模拟信号调理转换芯片 MAX6675 的原理，以及在本系统的重要应用。本设计实现了对焊接温度场温度的检测和 数字显示，并能实现阈值报警和与上位机进行通讯。 关键词： 温度场温度， 单片机 ，数字显示 目 录 Abstract In plumbing and mainframe parts manufacturing production, welding is an ess- -ential technical means, it occupies an important position in the industrial and agricultural production. Welding is a non-uniform heating and cooling of a special heat treatment process, causing uneven in the weld heat affected zone microstructure and properties, but also a complex stress and strain. The temperature field of the welding process determines the welding stress and strain fields,and its the main factors to affect the welding quality and productivity. Take good control of the welding temperature on the welding quality of the product is of great significance. Therefore, we need to design a special temperature measurement system of the welding temperature field. In this issue,I have made the design of the AT89C51 as the control core temperature acquisition and display system. This paper firstly introduces the 8- channel analog signal chip CD4051 and thermocouple analog signal conditioning chip MAX6675 conversion of principle, as well as important applications of this system. Also introduced a special driver chip HD7279 display part of the LED. And draw the various parts of the hardware schematics and overall hardware schematic. Finally, each chip driver of temperature acquisition procedures have been given. Key words: Temperature field, Temperature, 51 MCU, Digital display 目 录 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.IV 目 录 . 第一章 引 言 .1 1.1 课题的背景和意义 1 1.2 焊接温度场研究的近况 1 1.2.1 焊接温度场的基本理论1 1.2.2 焊接温度场研究的情况1 1.2.3 焊接温度场温度测量的现状与前景2 1.3 本设计主要的目标和工作 2 第二章 方案设计 .3 2.1 方案整体概述 3 2.2 传感器测量部分 4 2.3 主控制部分 4 2.4 数字显示部分 5 2.5 系统方案 5 第三章 系统硬件设计 .6 3.1 温度传感器6 3.2 信号调理及模数转换电路设计6 3.2.1 MAX6675 芯片 7 3.2.2 MAX6675 与单片机的连接 8 3.3 8 路模拟信号选通电路 . 10 3.4 控制电路设计 10 3.4.1 按键复位电路 11 3.4.2 单片机时钟电路 13 3.4.3 AT89C51 单片机 14 3.5 显示电路设计 15 目 录 3.5.1 显示驱动芯片 HD7279 . 16 3.5.2 显示器件 LED 组. 17 3.5.3 显示部分连接图 18 3.6 报警电路设计 18 3.7 电源电路设计 . 18 3.8 串口通讯电路设计 19 3.8.1 RS232 接口 20 3.8.2 MAX232 芯片 21 3.8.3 PC 机与单片机的串行通讯连接 22 3.9 整体电路. 22 第四章 软件设计 . 23 4.1 主程序设计 23 4.2 子程序设计 24 4.2.1 温度循环采集及键盘扫描和按键处理子程序设计 27 4.2.2 显示子程序设计 28 4.2.3 报警子程序设计 29 结论 . 30 参考文献 . 31 致谢及声明 . 32 附录 A 主程序清单 35 附录 B 整体电路图 36 第一章 引 言 - 1 - 第一章 引 言 1.1 课题的背景和意义 在管道铺设，大型机件制造等生产中，焊接是一种必不可少的的技术手段， 在工农业生产中占有重要地位。焊接是一个不均匀加热和冷却的特殊的热处理 过程，会在焊接热影响区造成不均匀的组织和性能，同时也会产生复杂的应力 和和应变。而焊接过程的温度场决定了焊接应力场和应变场，是影响焊接质量 和生产率的主要因素。在实际操作中焊接温度过高会造成过烧熔透，而焊接温 度过低会在表面形成虚焊，造成原料的浪费。因此控制好焊接温度对焊接产品 的质量具有十分重要的意义。因此我们需要设计响应的焊接温度场温度测量系 统。 1.2 焊接温度场研究的近况 1.2.1 焊接温度场的基本理论 所谓温度场指的是在某一瞬间，空间各个点温度的总计。温度场可以分为 不稳定温度场和稳定温度场1。稳定温度场是指温度不仅在空间上变化，而且 也随时间变化的温度场。而稳定温度场是指不随时间而变的温度场（温度只是 坐标的函数） 。在一般情况下，会用等温面图或者等温线图来表示温度场。而 焊接温度场就是指金属焊接时焊件上各点在瞬时的温度分布。一般在焊接时， 焊件上各点的温度都随时间而变化，因此焊接温度场也是不稳定温度场。而在 正常焊接条件下的移动热源，在经过一定时间后在焊件上也会形成准稳定温度 场。影响焊接温度场的主要因素有：（1）热源的性质；（2）焊接工艺参数； （3）金属的热物理性能；（4）工件的厚度与形状等。 1.2.2 焊接温度场研究的情况 当前温度场研究的方法主要有：（1）解析法，即直接应用现有的数学理 论和定律去推导和演绎数学方程或者模型。 （2）数值方法 ，又叫作数值分析 法，是使用计算机程序对数学模型近似求解，所以又被称作数学模拟或计算机 模拟。亦有人称为数值实验。随这计算机技术的普及，数值解法的应用日益广 第一章 引 言 - 2 - 泛。而数值实验中最重要的是如何获得实验所需要的数值信息，即当前焊接温 度场的实时温度信息。因此温度场多点温度的获得就成为焊接温度场研究中的 一个十分重要的内容。 1.2.3 焊接温度场温度测量的现状与前景 随着科技的进步，温度测量的当方法越来越多，而分类也很多。由于测量 原理的多种多样，很难找到一种完全理想的分类方法。 传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特 点, 在未来温度测量领域中依然能够广泛使用。新材料、新工艺以及一些新技 术的发展, 其应用范围更加拓展。而随着科技的进步，出现了很多新型的温度 传感器，推动了温度测量手段的多样发展。 进入新世纪后，温度传感器正朝着精度高，功能多样，总线可以标准化， 可靠性及安全性高的方向发展。并且开发出了虚拟传感器和网络传感器。单片 测温系统的设计迅速发展。 1.3 本设计主要的目标和工作 在本课题中需要设计出一个能测量焊接温度场温度的系统。在这个系统中 能循环测量出温度场中多点的温度，并能够实时在显示屏上显示出来，还可以 把想要知道的某点的温度显示出来。并且还要预留串行通讯接口与 PC 机进行 通讯，把传感器测的温度传入计算机进行处理等。主要设计技术指标与参数 （1）温度测量范围是 01100。 （2）温度测量精度为 0.5 。 为了达到预期的目标，设计了一个基于 51 单片机的温度测量系统。通过 8 路传感器测量 8 点的实时温度，经过处理之后送入单片机。由单片机控制显 示模块，键盘模块等的工作。同时还设计了阈值报警电路等，在当前温度超过 为保证焊接质量需要而设定的阈值时，可以发出报警信号。从而为后续温度控 制提供依据，从而保证焊接的质量。 第二章 方案设计 - 3 - 第二章 方案设计 2.1 方案整体概述 为了实现前面所述的功能，焊接温度场温度测量系统应该具有温度采集模 块，信号调理模块，控制模块，显示模块，键盘模块等。其方框图如图 2-1 所 示。 多多路路温温度度采采集集模模块块 时时钟钟模模块块 复复位位模模块块 键键盘盘模模块块 报报警警模模块块 P PC C串串行行接接口口模模块块 电电源源模模块块 A AT T8 89 9C C5 51 1单单片片机机 L LE ED D显显示示模模块块 图 2-1 焊接温度场温度测量系统方框图 具体温度测量系统的设计，根据部分电路方案的不同可以有不同的方案。 根据测量部分的不同，可以有热电偶等分立元件测量和集成芯片测量等方案。 根据控制部分的不同，可以有计算机控制，单片机控制等方案。根据显示部分 的不同可以有 LED 显示，LCD 显示等方案。 2.2 传感器测量部分 方案一：采用热敏电阻测温，可以实现-200600的测量范围。经过改进 第二章 方案设计 - 4 - 后的热电阻也可以实现近 1000的测量。这类传感器的的特点是灵敏性高，体 积小，结构简单，使用方便。更重要的是，与热电偶相比，热敏电阻不需要进 行冷端温度补偿。但是，这类传感器的互换性较差，测量范围不会高于 1000。 在本课题中的传感器最高测温可达到 1100的要求有些不符。故不宜采用。 方案二：采用热电偶进行测温，可以实现 01600的测量范围。这类元 件的特点是测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，抗氧化性 强，广泛应用在工业控制中。关键是其温度测量范围大，可以测量高温2。但 是缺点是需要进行冷端温度补偿，但是在出现了热电偶专用补偿芯片之后这一 问题就得到了解决。其应用广泛的另一个重要原因是其结构简单，成本低廉， 可以大规模应用。因此，在此次课题设计中可以采用。 方案三：采用新型集成芯片进行测温。随着技术的进步，出现了很多集成 了温度传感器，信号调理，AD 转换单元的集成芯片。这类元件的特点是精度 高，集成度高，便于携带。但是成本较高，不利于大规模工业应用。更重要的 是在高温等环境恶劣的工作现场中，集成芯片中的电子元件不能承受高温，因 此限制了其在高温环境中的应用。 综上所述，在本课题中，温度测量部分的传感器采用型镍镉镍硅热电 偶。 2.3 主控制部分 方案一：采用 PC 机进行控制。用 PC 机控制的优点是可以在线编程，也可 以在线仿真。可以对采集到的信号进行处理。但是 PC 机的体积庞大，安装携 带不方便，在高温环境中不能正常工作。且成本较高，不利于大规模应用。 方案二：利用单片机进行控制。可以应用位单片机进行控制。 AT89C518 其特点是结构较简单，体积小，便于携带。单片机软件编程的自由度大，可以 通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。既可以作为现场控制元件，也 可以与 PC 机进行通讯。运用主从分布式思想，由一台上位 PC 机，数台下位机 （单片机）多点数据采集，组成两级多点温度数据巡回检测系统，从而实现远 程控制。另外，单片机与 PC 相比较而言，价格低廉，便于大规模应用。还有 第二章 方案设计 - 5 - 就是，单片机的编程技术及外围功能电路的配合使用已经很成熟。 通过分析两个方案的利弊，最终选定方案二的 AT89C51 单片机作为温度 采集系统的控制单元。 2.4 数字显示部分 方案一：采用液晶 LCD 进行显示。LCD 显示屏的优点是技术成熟，成本 较低，集成化水平高。但是相比较 LED 而言，LCD 的功耗较大，寿命较短， 使用时间越长亮度下降愈快。机构复杂，亮度输出均匀性差。体积较大，不利 于携带。 方案二：采用 LED 进行显示。LED 显示部件的优点是功耗低，节能。经 久耐用，寿命长，LED 的寿命可以达到同等 LCD 寿命的 2-3 倍。同时 LED 显 示的画面效果更加清晰，亮度更高。虽然集成 LED 屏的价格很高，但是在应用 中可以用几个分立式的 LED 显示小模块进行插接，就可以降低成本3。所以可 以在工业中可以大规模应用。 通过分析上述两个方案的利弊，最终选定方案二，即采用 LED 显示模块进 行插接组成温度显示部分。 2.5 系统方案 综上所述，温度传感器，模数转换，控制部分及显示部分都采用方案二。 即采用 K 型热电偶对温度进行测量，用单片机作为主控部分，显示部分采用 LED 显示器阵列。再加上其他一些功能电路和辅助电路，就可以组成所要设计 的焊接温度场温度检测系统。 第二章 方案设计 - 6 - 第三章 系统硬件设计 3.1 温度传感器 在本课题中根据所要求的工作环境，工作指标等应选用热电偶作为温度传 感器，用于检测焊接时温度场多点的实时温度。 在本课题中，要求温度传感器所能测量的温度范围是 01100 摄氏度。在 实际应用中正常工作时会控制温度场温度在 1000 摄氏度以下，也就是说短时 会超过 1000 摄氏度，可以选择 K 型镍镉-镍硅热电偶。 为了实现对焊接温度场的温度测量，在本课题中设计了 8 路热电偶温度采 集部分。正如前面提到的，热电偶在工作时需要进行冷端温度补偿2。常见的 方法都是设计电桥进行补偿。但是电路较繁杂。随着技术的进步，出现了很多 热电偶专用温度补偿芯片，用于校正误差等。在本课题中运用的就是温度补偿 专用芯片 MAX6675。 3.2 信号调理及模数转换电路设计 3.2.1 芯片MAX6675 芯片是由美国 MAXIM 公司生产的4,自身具有冷端温度补偿、线MAX6675 性校正、热电偶断线检测的功能,是串行 K 型热电偶专用的模数转换器。基本参 数如下： 工作电压：3.05.5V 。 冷端温度补偿能力：-20+80。 为温度分辨能力 0.25。 采用 SO-8 封装，体积小，可靠性好。引脚图见图 3-1 所示。MAX6675 各引脚功能如下： : 热电偶负极（使用时接地） ；T :热电偶正极；T 第三章 系统硬件设计 - 7 - :串行时钟输入；SCK :串行数据输出； ; ：片选信号CS SO :电源端Vcc :接地端GND G GN ND D T T- - T T+ + V VC CC C N N. .C C S SO O C CS S S SC CK K 1 2 3 4 5 6 7 8 M MA AX X6 66 67 75 5 图 3-1 MAX6675 引脚图 :悬空，不用。N.C MAX6675 的内部机构如图 3-2 所示，它主要有热电偶模拟信号放大电路、 冷端补偿信号产生电路、A/D 转换器及数字控制电路等组成。 数数字字控控制制电电路路 冷冷端端补补偿偿电电路路 热热电电偶偶信信号号放放 大大器器电电路路 A AD DC C T T- - T T+ + S SC CK K S SO O CS 图 3-2 MAX6675 内部结构图 MAX6675 可以与单片机或其他数字系统通过 3 线串口进行通讯。其工作 时序是：当 MAX6675 的片选信号引脚从高电平变为低电平时，MAX6675 将停 止信号的转换，同时在时钟 SCK 的作用下向外输出转换后的数据。相对的，当 第三章 系统硬件设计 - 8 - 片选引脚从低电平变回高电平时，芯片会进行新的转换。MAX6675 输出数据 是 16 位的，其中 D14D3 是数据位，其最小值是 0，对应的温度值是 0；最 大值是 4095，对应的温度值是 1023.75。MAX6675 芯片的内部由于采用了激 光校正，所以其换结果与对应的温度能保持良好的线性关系。温度值与数字量 的对应关系为： 温度值=1023.75转换后的数字量/4095 (1) 3.2.2 MAX6675 与单片机的连接 由于芯片是 3 位串行输出，因此在与单片机进行连接时只需要MAX6675 占用单片机的 3 各 I/O 口。具体连接方式如图 3-3 所示。 在使用时，同步串行读取过程可以用软件进行模拟。图中串行外界时钟 由微处理器的 P1.3 提供，片选信号由 P1.2 提供。转换信号由 P1.1 读取。热电 偶的模拟信号由 T-和 T+端输入，其中 T-需要接地。的转换结果将在MAX6675 SCK 的控制下连续输出。 G GN ND D T T- - T T+ + V VC CC C N N. .C C S SO O CS S SC CK K M MA AX X6 66 67 75 5 A AT T8 89 9C C5 51 1 P P1 1. .1 1 P P1 1. .2 2 P P1 1. .3 3 图 3-3 MAX6675 与 8051 连接图 3.3 8 路模拟信号选通电路 为实现对热电偶测得的 8 点温度信号进行循环显示，需要设置专门的电路 可以对信号进行选通5。既可以通过编程定时巡检显示，也可以通过按键选择 显示。为此，在本课题中，选用了 8 路模拟信号选通开关。CD4501 CD4501/CC4051 是单 8 通道数字控制模拟信号电子开关，有 A,B,C 三个二 进制控制输入端以及 INH 总共 4 个输入端口。其导通阻抗和截至漏电流都比较 第三章 系统硬件设计 - 9 - 低。可以实现 4.520V 的数字信号对最高峰值 20V 的模拟信号的控制。当 VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5 时，则 05V 的数字信号可以控制-13.5V4.5V 的模拟信号。芯片的引脚图如图 3-4 所示。 表 3-1 引脚功能说明 CD4051 引脚号 符号功能 1 2 4 5 12 13 14 15 IN /OUT输入/输出端 9 10 11 A B C地址端 3 OUT/IN公共输入/输出端 6 INH禁止端 7 VEE负电压端 8 VSS数字信号接地端 16 VDD电源 对于 8 路模拟信号的巡检，可以采取定时采样控制方式进行工作，每隔 0.5S 对 8 路模拟量进行循环显示一次。系统工作之后，CPU 启动定时器 T0， 定时 50ms,定时到时存储单元加 1，当存储单元加到 10 之后机 0.5s 到后，开始 启动分别对 8 路模拟信号进行选通，送入下一环节中。同时，也可以 CD4051 根据键盘的输入命令将对应路采集数据送入显示，经显示电路显示出来。 需要注意的的 T-脚要求接热电偶负极且接地，模拟开关切换的MAX6675 是各热电偶的正极。 输入通道选通通道如表 3-2 所示。 八路温度采集传送总 体电路图如图 3-5 所示。 第三章 系统硬件设计 - 10 - I IN N/ /O OU UT T4 4 I IN N/ /O OU UT T6 6 O OU UT T/ /I IN N I IN NH H V VE EE E V VS SS SC C B B A A I IN N/ /O OU UT T0 0 I IN N/ /O OU U1 1 I IN N/ /O OU U2 2 V VD DD D C CD D4 40 05 51 1 I IN N/ /O OU UT T7 7 I IN N/ /O OU UT T5 5 I IN N/ /O OU UT T3 3 图 3-4 引脚图 CD4051 表 3-2 输入选通通道 INH C B A 输出 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 均不接通 第三章 系统硬件设计 - 11 - 图 3-5 八路温度采集传送总体电路图 3.4 控制电路设计 在本课题中，选用单片机作为控制部分。控制部分可以接收经过处理和转 化后的信号。并可以在显示部分显示，也可以通过串行口送入 PC 机中。这里 采用的是 AT89C51 单片机6作为控制单元。 3.4.1 按键复位电路 设计单片机应用系统，必须设置复位电路。以便在系统工作过程中出现“死 机”， “程序跑飞”等情况时可以进行复位。所以一个单片机复位电路的好坏。直 接影响到一个系统工作的可靠性。 51 系列单片机都有一个复位引脚 RESET，高电平有效。只要引脚是高电 平，就会使器件复位。此时, , , , , 端口都输出高电平。ALEPESNP0P1 P2P3 变低时，退出复位状态，从初始状态开始工作。RESETCPU 51 单片机通常采取上电自动复位和按钮复位两种方式。当采用上电自动复 第三章 系统硬件设计 - 12 - 位时，单片机在上电的瞬间，就能使单片机复位。由于系统运行等需要，常常 需要人工按键复位，如图 3-6 所示，只需要一个常开按钮并联与上电复位电路， 按下开关一段时间之后就能使单片机的复位引脚变为高电平，从而使单片机复 位。 vcc R ? 1K R ? 10K C9 10uf 图 3-6 单片机按键复位电路 3.4.2 单片机时钟电路AT89C51 计算机的正常工作是在时序脉冲的控制下有条不紊的进行的，这个脉冲可 以由单片机的时钟电路产生。单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟和外部 时钟。 最常见的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成并联谐振电路。无论是 HMOS 还是 CMOS 型单片机，其并联回路及参数相同，如图 3-7 所示。 单片机允许的震荡晶体可在 024MHZ 之间进行选择，一般选择AT89C51 12MHZ。 外部时钟方式是利用外部震荡信号源直接接入 X1 或 X2。由于 HMOS 和 CMOS 单片机进入的引脚不同，其外部信号源接入方式也不同。图 3-8 和图 3- 9 分别是两种接入方式。 在本课题中，单片机采用的是内部时钟方式，产生 12MHZ 的时AT89C51 钟信号。 AT89C51 RESET 第三章 系统硬件设计 - 13 - X XT TA AL L1 1 X XT TA AL L2 2 A AT T8 89 9C C5 51 1 C C5 53 30 0P PF F C C6 6 3 30 0P PF F 1 12 2M MH HZ Z 图 3-7 内部时钟方式的时钟电路 a1 1 XTAL 2 3 a3 4 a4 V VC CC C X XT TA AL L2 2 X XT TA AL L1 1 V VS SS S AT89C51 外外部部震震荡荡信信号号 源源 图 3-8 HMOS 型单片机外部信号源接入方法 第三章 系统硬件设计 - 14 - a1 1 a2 2 3 a3 4 a4 V VC CC C X XT TA AL L1 1 X XT TA AL L2 2 V VS SS S 外外部部震震荡荡信信 号号源源 A AT T8 89 9C C5 51 1 图 3-9CMOS 型单片机外部信号源接入方法 3.4.3 AT89C51 单片机 单片机出自美国公司7，具有低电压、 8 位高性能。AT89C51ATMELCMOS 片内含 2kb 的 和 128b RAM，器件沿用了 ATMEL 公司的独特技术，可PEROM 以进行高密度、非易失性存储，能够与标准 MCS-51 指令系统兼容，片内内置通 用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大。其主要特性是： （1）与单片机能够进行兼容。IntelMCS51 （2）内部具有 4K 字节的可编程 FLASH 存储器； （3）可以进行最多 1000 次的写/擦循环操作； （4）内部数据最多可以保留十年； （5）工作时钟频率：0Hz-24MHz； （6）具有 32 位的可编程 I/O 线； （7）内部具有两个 16 位计数器/定时器； （8）内部具有 5 个中断源； （9）一般运用片内振荡器和时钟电路； （10）设有可编程串行通道 第三章 系统硬件设计 - 15 - （11）采用 5V 直流电源供电 在实际绘制电路图时，一般会把电源端口和接地端口默认省略掉 。 3.5 显示电路设计 3.5.1 显示驱动芯片HD7279 是一种 LED 显示专用驱动芯片，具有串行接口的最多可驱动 8 位共HD7279 阴极 LED 显示器或者 64 位独立显示元件，同时该芯片也可以管理多达 64 键的键 盘矩阵。芯片内部设有译码器，可以将 2 进制码直接翻译为七段码。HD7279 为双 列直插式 28 引脚，如图 3-10 所示。 主要特性: (1)具有串行接口，无需外围元件就可以直接驱动 LED 元件。 (2)芯片各位可以独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性。 (3)能够进行循环左/右移。 (4) 能够进行段寻址，因此可以方便控制独立的 LED 元件。 (5)可以控制 64 位键盘，内含去抖电路。 引脚说明： (1) :电源与接地。VDD,GND (2):片选输入端。引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据 CS (3) :同步时钟输入端。CLK (4)串行数据输入/输出端。DATA: (5)按键有效输出端，当检测到有效按键时，引脚变低。按键响应时间典:KEY 型值为 18ms。 (6):LED 显示器的段 ga 段驱动输出。SGSA (7) :小数点输出驱动。DP (8):LED 显示器位驱动输出。DIG0 DIG7 (9):片内振荡器振荡输出端。CLKO (10):外接 RC 振荡器端，典型值：R=1.5K.，C=15pFRC (11):复位引脚。可以连接一外部的复位电路，或者由单片机控制，也RESET 可直接接正电。 第三章 系统硬件设计 - 16 - SG HD7279 KEY VDD CLK VDD CS NC DATA NC GND DP SB SA DIG1 DIG4 DIG3 DIG7 RC RESET DIG5 DIG0 SC CLK0 DIG6 DIG2 SD SE SF 图 3-10 HD7279 的引脚 3.5.2 显示器件 LED 组 在本课题中，采用 LED 显示器件组来显示测量结果3。器件组包括 8 位 LED 共阴极 LED 显示器。共阴极 LED 显示器由于结构简单，价格低廉，接口容易，因 此得到了广泛的应用，尤其在单片机系统中。一般的七段 LED 显示器中有 8 个发 光二极管，引脚如图 3-11 所示。 图 3-11 七段 LED 显示器引脚与结构图 第三章 系统硬件设计 - 17 - 七段 LED 显示器的显示模式可以分为两类：静态显示，动态显示。 所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管就会相应 的导通或截至，公共端接固定的电平。在静态显示时，每一个显示器都需要一个 8 位输出口控制，因此占用硬件多，多用于显示器为数较少的场合。一般可采用 8255A 芯片管理，一片 8255A 芯片最多可以管理 3 个 LED 显示器。 动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器（扫描方式） 。对每一位显示器 每隔一定时间点亮一次。即从段口上按位次分别送所要显示的段码，在位控制口 上也按相应的次序分别选通相应的显示位码（共阴极送低电平，共阳极送高电平） ， 所选通的位就显示相应的字符，并保持几毫秒的延时，未选通的位保持熄灭。动 态接口技术的硬件连接比较比较简单，但软件管理比较麻烦。在本课题中需要 8 位显示，应采用动态显示。如图 3-12 所示。 a b f c g d e GND 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS? YELLOWCC a b f c g d e GND 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS? YELLOWCC a b f c g d e GND 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS? YELLOWCC a b f c g d e GND 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS? YELLOWCC a b f c g d e GND 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS? YELLOWCC a b f c g d e GND 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 a b f c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 a b f c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 DS? 图 3-12 LED 显示阵列 这 8 位显示器从 1-8 显示的内容依次是测的温度的百分位，小数点，个位，十 位，百位，千位，横杠，显示路数。 3.5.3 显示部分连接图 显示部分连接电路图如图 3-13 所示。 在图 3-12 中，HD7279 连接了 9 个按钮，作为选择显示按钮。包括 8 个数字 键，1 个功能键。数字键指的是要显示的路数，为 18 路。功能键是指所要输出 的路数键。在未按下功能键时，LED 显示器方阵显示的是定时巡检的各路数据。 在路数功能键按下后，再按下数字键，显示阵列显示的就是希望要显示的那路的 数据。 第三章 系统硬件设计 - 18 - 图 3-13 显示部分连接电路图 3.6 报警电路设计 本课题中，设计了温度阈值报警电路，在温度超过设定的阈值时会自动报警。 报警电路9连接如图 3-14 所示。 +5V P P2 2. .4 4 A AT T8 89 9C C5 51 1 图 3-14 报警电路 第三章 系统硬件设计 - 19 - 3.7 电源电路设计 在本课题中用的各种芯片工作电压都是使用+5V 直流电源。但是在实际中最 常见的电源是 220V 交流电源，因此需要设计整流电路，把交流电转换为需要的直 流电。转换电路10如图 3-15 所示。 在图 3-15 中，首先通过单相桥式整流电路将交流电转换为直流电，整流电路 有四只整流二极管组成。然后再将变换后的电压进行滤波。滤波电路采取电解电 容加二极管并联的形式。原理就是当电容两端电压升高时，电容充电，当电压下 降时，电容放电，使电压变化趋于缓和，从而起到滤波的效果。电解电容并联二 极管的作用是防止电压反向，起到保护的作用。而三端稳压器 7805 的作用是稳定 电压，使在电路最右端得到的电压始终稳定在+5V。 AC-AC T1 1 2 3 4 D? BRIDGE1 220uf C1 220uf Vin 1 GND 2 Vout 3 7805 103pf103pf 220v6V VCC +5V C3C4C2 AC-DC 图 3-15 电源转换电路 3.8 串口通讯电路设计 3.8.1 接口RS232 是 PC 机最常用的串行通讯接口之一，是由 EIA 所制定的异步传输标RS232 准接口。通常 RS-232 接口具有 9 个引脚（DB-9）或是 25 个引脚（DB-25） ，一般 的 PC 机有两组该型接口。该接口主要用于计算机与计算机之间，计算机与单片机 第三章 系统硬件设计 - 20 - 之间的数据通讯。在微机通讯中，通常使用的接口是 9 根引脚11。如图 3-RS232 16 所示。引脚功能如表 3-3 所示。 1 1 6 6 2 2 7 7 3 8 8 4 4 9 9 5 5 图 3-16 RS-232 引脚图 表 3-3 引脚功能 引脚号 符号 方向 功能 1 DCD 输入 载波检测 2 RXD 输入 接收数据 3 TXD 输出 发送数据 4 DTR 输出 数据终端就位 5 GND 信号地 6 DSR 输入 数据装置就绪 7 RTS 输出 请求发送 8 CTS 输入 清除发送 9 RI 输入 振铃提示 但是接口也有一些缺点。主要有：RS232 （1）传输速率不高，在进行异步传输时，波特率为 20Kbps。 （2）由于接口传输采用的形式是一根信号线与一根信号返回线共地的形式。 这种形式的缺陷是容易产生工共模干扰，因此抗噪性和抗干扰性较弱。 （3）传输距离较短，最大传输距离只有 15 米。 第三章 系统硬件设计 - 21 - （4）接口的信号电平值较高，容易损坏接口电路中的芯片，又由于与 TTL 电 平不兼容所以需要使用电平转换电路才能与 TTL 电路连接。而 AT89C51 单片机是 TTL 电平的，所以必须设计电平转换开关。常见的转换方法有 3 种方法： （1）可以使用两个三极管构成的准接口电平转换器。但是此方法的不足是只 能以半双工方式进行工作。另外，程序设计较复杂。 （2）可以使用电平转换器。但是不足之处是两种转换器的工作电压是12V 或+15V，在应用中与其他芯片不通用，使用不方便。而且工作也不算可靠和稳定。 （3）可以使用双向电平转换专用芯片。此方法的优势是只需要单一5V 直流 电源供电，具有较高的可靠性，程序设计也比较简单。这类转换芯片有, ICL232 等。 MAX232 本课题中采用第三种方法，即采用 MAX232 芯片转换电平。 3.8.2 MAX232 芯片 MAX232 芯片由 MAXIM 公司生产，专为 RS232 标准串口设计的单电源 电平转换芯片，使用 +5v 单电源供电。内部包含两路接收器和驱动器的IC 片。 芯片内部有一个电源电压转换器，可以把输入的 +5V 电压经过转换之后变供 RS-232 使用。可以与其他采用 +5V 的元件共用电源，适应性更强。另外价格 合适，外部接口简单，得到了广泛应用 8。MAX232 引脚图如图 3-17 所示。 引脚说明： （1）电荷泵电路。由 1，2，3，4，5，6 脚与四肢电容构成。 （2）数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数 据通道。 （3）供电。15 脚 GND、16 脚（+5V）。VCC 主要特点： （1）符合所有 RS232 技术标准。 （2）采用单一5V 直流电源供电。 （3）芯片功耗低，寿命长。可以采用电池供电。 （4）具有变压，变极的功能。 第三章 系统硬件设计 - 22 - 图 3-17 MAX232 引脚图 3.8.3 机与单片机的串行通讯连接 由上述可知，单片机与 PC 机通讯使用的是异步串行通讯，且单片机与 PC 机 电平不匹配，需要使用电平转换芯片。PC 机与单片机串行连接12如图 3-MAX232 18 所示。 C C2 2- - C C2 2+ + R R2 2O O T T2 2I IN N R R1 1O O T T1 1I IN N C C1 1- - C C1 1+ + G GN ND D V VS S- - R R2 2I IN N T T2 2O O R R1 1I IN N T T1 1O O V VS S+ + V VC CC C M MA AX X2 23 32 2 1 1 6 6 2 2 7 7 3 3 84 9 5 5 V VC CC C 5 5 4 4 9 9 1 10 0 1 12 2 1 11 1 3 3 1 1 1 15 5 6 6 8 8 7 7 1 13 3 1 14 4 2 2 1 16 6 C C3 3 1 1U U/ /2 25 5V V C C1 1 1 1U UF F C C2 2 C C4 4 A AT T8 89 9C C5 51 1 R RX XD D T TX XD D D DB B9 9 图 3-18 PC 机与单片机的连接 第三章 系统硬件设计 - 23 - 在此处，采用了简单的三线连接方式。即 DB9 的 9 个针接口只用了 3 个。需要 值得注意的是，通讯线连接时要采取交叉连接的方法，即两对数据线对应成为 RT，TR 型。除去 MAX232，PC 机与单片机的简易连接如图 3-19 所示。 1 1 6 6 2 2 7 7 3 3 8 8 4 4 9 9 5 5 1 1 6 6 2 2 7 7 3 3 8 8 4 4 9 5 5 D DB B9 9A AT T8 89 9C C5 51 1 R RX XD D T TX XD D R RX XD D T TX XD D 图 3-19 PC 机与单片机简易连接示意图 3.9 整体电路 见附录 B 整体电路图。 第四章 系统软件设计 - 24 - 第四章 系统软件设计 任何单片机系统的功能都是在硬件基础上配以相应的软件程序实现的。在硬 件设计完成之后，软件的设计就显得尤为重要。整个系统的程序可以分为两个部 分：主程序和子程序。主程序是用来协调、控制各部分的，通过调用子程序来实 现功能。主程序的功能是对各路的温度信号进行定时循环采样、定时刷新以及在 一定的条件下完成无线通信功能，它是整个温度检测系统的主线。而子程序就是 执行部分，用来完成各种实际性的功能。 4.1 主程序设计 主程序调用了数个子程序，主要包括显示子程序，温度循环采集及键盘扫描 和按键处理子程序，报警子程序等。各子程序功能如下所示。 温度循环采集及键盘扫描和按键处理子程序：根据设定的程序，以一定时 间周期对温度进行循环采集；实现键盘的输入按键的识别，根据输入的路数选 择数据。 显示子程序：将进过处理后温度数据在 LED 显示阵列中显示出来。 报警子程序：在温度超过设定的阈值时会发出报警信号。 单片机在上电复位后，即进入主程序，除了系统的初始化程序外，其余部 分是个循环圈，循环圈的大小得看工作时的条件，除非系统掉电或程序受干扰 跑飞等异常情况而重新使系统复位， 主程序13流程图如图 4-1 所示。主程序清单见附录 A 所示。 4.2 子程序设计 4.2.1 温度循环采集及键盘扫描和按键处理子程序设计 程序流程图14如图 4-2 所示。 具体程序设计如下所示。 TOINT :PUSH PSW ；保护现场 PUSH ACC PUSH DPL PUSH DPH 第四章 系统软件设计 - 25 - 开始 初初始始化化： 初初始始化化H HD D7 72 27 79 9 设设置置定定时时器器T T0 0工工作作方方式式 先先是是缓缓冲冲区区清清零零 有有键键按按下下 0 0. .5 5S S 到到？ 调调用用显显示示子子程程序序 超超过过设设 定定值值？ 蜂蜂鸣鸣器器报报警警 是是路路数数 键键？ 查查要要显显示示的的路路数数 路路数数送送缓缓冲冲单单元元 N Y Y Y Y Y Y N N Y Y N N 串串行行通通讯讯 图 4-1 主程序流程图 第四章 系统软件设计 - 26 - 开开始始 定定时时器器T T重重新新赋赋值值 启启动动定定时时器器 单单元元加加 采采样样时时间间到到？ 设设置置采采样样路路数数 接接通通输输入入通通道道 启启动动M MA AX X6 66 67 75 5 延延时时等等待待转转换换结结束束 读读取取转转换换结结果果 当当前前路路数数是是否否为为现现实实路路数数 数数据据送送入入缓缓冲冲区区 存存转转换换结结果果 8 8路路采采样样完完 保保存存R RA AM M地地址址 恢恢复复现现场场 返返回回 N N Y Y N N N N Y Y Y Y 图 4-2 温度循环采集及键盘扫描和按键处理子程序流程图 第四章 系统软件设计 - 27 - SETB PSW.3 CLR PSW.4 MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH SETB TR0 INC 25H INC 26H MOV A,26H CLR C SUBB A,#0AH JNC ST AJMP CCT2 ST : MOV 26H,#00H MOV R7,#08H ;采样 8 路 MOV R6,#00H ;第 0 路 CCT: MOV DPYR,#5FFFH ;MAX6675 地址 MOV A,R6 MOVX DPTR,A ;启动信号处理及转换 ACALL DEALY MOVX A,A+DPTR MOV R5,A MOV A,R6 ;取被处理的通道数 CJNE A,24H,CCT1 ;是否为当前要显示的路数？ MOV A,R5 ANL A,#0FH MOV A,R5 SWAP A ANL A,#0FH ;拆字 CCT1: MOV A,R5 第四章 系统软件设计 - 28 - MOV DPL,20H MOV DPH,21H MOVX DPTR,A ;存结果 INC DPTR MOV 20H,DPL