基于单片机的AD590温度自动检测仪表设计

1、自动检测技术（课程设计报告） 基于单片机的温度自动检测仪表设计1、设计要求自动完成温度测量，温度测量范围通过键盘设定（如1060），检测精度为+0.5。C。要求将AD590采集的模拟信号转化为数字信号，传输到单片机，用三位共阴极LED显示结果，小数点后保留一位。超上下线限要报警。2、系统的硬件设计（1）系统总体方案设计及系统组成框图 总体的设计思路是分为测量电路部分和数字显示部分两部分分别进行设计。测量电路是对信号的采集与放大，即温度的采集放大部分。测量电路的设计要求是电路能具有良好的稳定性和测量精度，以及实现摄氏温度测量。数字显示部分又可分为A/D转换与译码显示。故采用AD590+放大器+A

2、/D转换器（ADC0809）+AT89C51+LED显示器组合出温度计。系统框图如下图： （2）单片机单片机选型MCS-51系列单片机主要包括基本型产品8031/8051/8751(对应的低功耗型80C31/80C51/87C51和增强型产品8032/8052/8752。虽然他们是8位的单片机，但是具有品种全、兼容性强性能价格比高等特点且软硬件应用设计资料丰富齐全，已为我国广大工程技术人员所熟悉和掌握。在20世纪80年代和90年代，MCS-51系列单片机是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。中央微处理器 AT89C51： AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k By

3、tes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全

4、双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89C51单片机作为整个系统的控制器。单片机片内组成结构如图：单片机最小系统的设计目前的单片机开发系统只能够仿真单

5、片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。其应用特点是:（1）全部I/O口线均可供用户使用。 （2）内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。 （3）应用系统开发具有特殊性单片机最小系统如上图所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的

6、引脚XTAL1，输出端为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率为12MHz。把EA脚接高电平，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4Kbyte地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。采用最简单的外部按键复位电路。按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的.我们选用时钟频率为12MHz,C1取47f。3、系统各功能模块设计1）温度采集模块将T-DETECT接到AD

7、C0809的模拟信号输入端IN-0端口，然后用T-CON控制电路加热与否，接高电平时开始加热。不需要进行其他的控制。 AD590的介绍 AD590是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器.（热敏器件） AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： 1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中： 流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。 2、AD590的测温范围为-55+150。 3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1

8、mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4、输出电阻为710MW。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为±0.3。 AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,在8051的各种课本中常看到它,相当常用到。 其规格如下： 温度每增加1,它会增加1A输出电流。 可量测范围-55至150。 供应电压范围+4V至30V。 AD590的输出电流值说明如下： 其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准,每增加1,它会增加1A输出电流,因

9、此在室温25时,其输出电流Io=(273+25)=298A。 Vo的值为Io乘上10K,以室温25而言,输出值为2.98V(10K×298A)。 量测Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不准。 AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)A ×10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。 由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。 接下来我们使用差

10、动放大器其输出Vo为 (100K/10K)×(V2-V1)=T/10V。如果现在为摄氏28度,输出电压为2.8V。 AD590的封装及其基本应用电路： AD590内部电路原理图：2） 信号放大电路这部分电路主要起到I/V转换、稳压、与放大作用，电路如下：在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高

11、品质的电容提供了前提保证。AD590是恒流输出，其输出电流刚好是1uA/K。在电路中用10K的电阻跟AD59串连，因此电阻两电压刚好就是0.01V/K。在零摄氏度时电阻两端的电压为2.73V然而模数转换ADC0809的输入电压为0-5V，分辨率为0.19。精度比较低，如果电压跟随直接与模数转换模块直接相连就会有很大误差。所以还要经过差分放大电路把电压放大10倍。具体是把电压跟随器输出电压与一个标准的2.73V的相减然后再放大10倍。这样做之后温度每改变一摄氏度电压就改变0.1V。这样就可以送入模数转换模块进行转换了。该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输

12、出是对这两个输入信号之差的放大。设想这样一种情景，如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。一种单晶体管电流镜像与适当的负载相接合，其中结合了适当的开关集合，以实现比较器功能。具体地，差分电路包括单晶体管电流镜像，所述单晶体管电流镜像包括通过开关与晶体管相连的电容器以及通过各自独立的开关与电流镜像相连的两个电流源，与电容器开关一起操作电流源之一的开关，以便充电电容器，并且操作另一个电流源的开关，以便所述电路作为具有电流源负载的源极跟随放大器进行操作。因此，晶体管特性的空间分布不会影响比较器功能。为了将电压测量出来又务须使

13、输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。电压与温度关系列表如下：摄氏温度/AD590电流/uA经10K电压/V-10263.22.6320273.22.73210283.22.83220293.22.93230303.23.03

14、240313.23.13250323.23.23260333.23.332100373.23.7323）A/D转换模块ADC0809的三个I/O口分别为EOC、CLK和CS端口，其中CLK为时钟、CS为片选、EOC为转换结束状态信号。其中，RD与WR分别与单片机的P3.6与P3.7口相连接，片选CS接地，CLK接500kHz的数字信号，因为本设计未采用中断模式，也未采用检测转换结束状态信号，所以EOC可不接。本模块采用的方案是根据ADC0809的时序图，用单片机的P3.6和P3.7口分别控制ADC0809的RD与WR，使其在特定的时间内不断置位与复位。从而使ADC0809不断重复的转换数据，并

15、输出给单片机。以单片机的P0口接收数据，并存储到变量temp中。 ADC0809介绍 AD590引脚图（1） ADC0809的主要特点 ADC0809模数转换器，ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，片内有模拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路，A/D转换后的数据由三态锁存器输出，由于片内没有时钟需外接时钟信号。芯片的引脚如图21-1,各引脚功能如下：IN0IN7：八路模拟信号输入端。ADD-A、ADD-B、ADD-C：三位地址码输入端。CLOCK：外部时钟输入端。CLOCK输入频率范围在101280KHz，典型值为640KHz，此时A/D转 图9 adc0809换

16、时间为100us。51单片机ALE直接或分频后可与CLOCK相连。D0D7：数字量输出端。OE：A/D转换结果输出允许控制端。当OE为高电平时，允许A/D转换结果从D0D7端输出。 图21-1 ADC0809引脚ALE：地址锁存允许信号输入端。八路模拟通道地址由A、B、C输入，在ALE信号有效时将该八路地址锁存。START：启动A/D转换信号输入端。当START端输入一个正脉冲时，将进行A/D转换。EOC：A/D转换结束信号输出端。当 A/D转换结束后，EOC输出高电平。Vref(+)、Vref(-)：正负基准电压输入端。基准正电压的典型值为+5V。（2）ADC0809芯片的工作原理 ADC0

17、809带有片内系统时钟，该时钟与IOCLOCK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输D端处于高阻状态，此时IO CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片ADC0809时，共用IOcLOCK，以减少多路(片)AD使用时的IO控制端口。4) 显示模块在系统中要显示温度，就必须有显示无器件，目前市场上显示元器件很多，有LCD、点阵显显、7段数码管显示等。LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为10:1，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160°的

18、视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示屏还可以进行联网播出。有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。由此可知LCD缺点是比较耗电,而且成本也较高。从节约成本和节约能源的角度作为出发点，我们选择3个7段共阴数码管作为温度显示，以便节约成本和功耗。数码管的驱动方式：数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，

19、可以分为静态式和动态式两类。在本设计任务书中采用的是动态显示方式。原因及原理介绍如下：动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a、b、c、d、e、f、g、dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的C

20、OM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。5） 键盘输入模块 键盘电路的设计如图所示，用AT89S51的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线；液晶显示器上显示每个按键的“0F”序号。对应的按键的序号排列如下图所示：下图中微处理单元是AT89S51单片机，X1和X2接