基于单片机控制的多功能智能化温度测量仪设计

PAGEII多功能智能化温度测量仪设计摘要：本文主要介绍了温度的自动测量，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：介绍了国内外温度检测技术和特种测温一钢水温度检测的发展现状，并且分析了温度检测技术的未来发展方向；根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、数据处理、温度值的在线显示以及时钟电路的时间显示；简略介绍了该仪表的软件部分；对该温度仪表的未来发展进行了展望。多功能智能化温度测量仪是以8051单片机系统和温度检测元件一AD590相结合的温度测量系统。本系统的数学模型合理，测量方法容易实现。实际仪器采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。关键词：温度测量多功能智能化单片机DesigneonMultifunctionalIntellectualTemperatureMeasureInstrumentAbstract：Thethesisintroducesautomaticalmeasurementoftemperature，includingtemperaturesensor，I/Oofsingle-chipmicrocomputerandapplicationsoftware，itcanbedividedintosomeparts：ItintroducesthedevelopmentoftemperaturemeasurementandTemperaturemeasuring一measurementofmoltensteel'stemperature，asthedevelopmentdirectionoftemperaturemeasurementinthefuture；Accordingtothepracticaldemands,Idesigncorrespondinghardwaresystem；Thesystemcanrealizedataacquisition，showingoftemperatureon-line.Idiscussthefutureoftheinstrument.Themultifunctionalintellectualtemperaturemeasureinstrumentintroducedbythepaperisthesystemof8051single-chipmicrocomputerandconventionalmeasureingcomponent一AD590.Themathematicmodelisappropriate，andmeasurementmethodiseasytobeexcuted.Theelectroniccomponentsusedareanti一jamming，lesszero-driftandlesstemperature-drift.Theinstrumentisconvenientandapplicabale，itissteady，reliableandsofittouse.Atthesametime,ithaslargerscopeofmeasurementanditcanbeusedinmanykindsofobjectmeasured.Ithasintellectualizedtheprocess[4].Keywords:TemperatureMeasurement,Multi-purpose,Intelligentiztion,Single-chipMicrocomputer多功能智能化温度测量仪设计PAGE64第1章绪论1.1引言温度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度检测技术的一种发展趋势。本文介绍的智能温度检测系统,以智能化数字式温度传感器与PIC微处理器有机结合,构成了一种新型智能化温度检测系统。该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU）。微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革—电子技术专业人员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。

将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受到电子专业技术人员的青睐。单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。沿着与适用微处理器不同的方向发展。它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。

本课题主要为采用单片机实现温度采集与多功能数字钟的制作。突出民用产品的低成本多动能的特点。按照选题要求应实现温度测量精度<0。5℃，并且能够实现数字钟和温度测量部分的通过键盘进行控制。1.2国内外测温技术及其发展趋势1.2.1国内外测温技术现状随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法。(1)利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成三大类:玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(2)利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元件之一。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。(3)利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种:电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。(4)利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计;一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。1.2.2国内外温度检测技术的发展动向随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面。(1)扩展检测范围。现在工业上通用的温度检测范围为一200^30000C，而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如IOK以下的温度检测是当前重点研究课题。(2)扩大测温对象。温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。(3)发展新型产品。利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。(4)适应特殊环境的测温。在许多场合中的温度检测器有特殊要求，例如防爆、防硫、耐磨等性能要求;又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。(5)显示数字化。温度仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无度数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。(6)标定自动化。应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展[1]。(1)继续生产量大面广的传统温度检测元件，如:热电偶、热电阻、热敏电阻等。(2)加强新原理、新材料、新工艺的开发。如近来己开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。(3)向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：(1)利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。利用此原理制成的温度计大致分成三大类:玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。(2)利用热电效应技术制成的温度检测元件。利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元件之一。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。(3)利用热阻效应技术制成的温度计。用此技术制成的温度计大致可分成以下几种:电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。(4)利用热辐射原理制成的高温计。热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计;一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。1.3单片机[1]单片机是微机发展的一个分支,是为了适应控制系统微型化、集成化的需要而生产和发展起来的。严格的说，对单片机目前还没有严格确切的定义。1.3.1单片机的历史如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段

（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

①完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

②CPU外围功能单元的集中管理模式。

③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

（4）第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。1.3.2单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

1.

通用型/专用型

这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

2.

总线型/非总线型

这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

3.

控制型/家电型

这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。1.3.3单片机的特点和应用1）单片机的特点

（1）有优异的性能价格比。单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都继承在一块芯片内，使之成为名副其实的单片机。有的单片机为了提高速度和执行效率，可是采用了RISC流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能明显优于同类型微处理器，有的单片机片内的ROM可达64KB（式中的‘B’表示为字节），片内RAM可达2KB，单片机的寻址已突破64KB的限制，八位和十六位单片机寻址可达1MB和16MB。单片机另一个显著特点是量大面广，因此世界上个大公司提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各公司竞争的主要策略

（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。单片机是电子计算机这个庞大家族中的一个特殊品种，体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次微型计算机。

（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。单片机大量应用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗的特性尤为重要。许多单片机已可在2.2V的电压下运行，有的已能在1.2V或0.9V下工作；功耗降至为μA级，一粒纽扣电池就可以长期使用。

(5)集成度及可靠性高单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。2）单片机的应用单片机的应用范围很广，可以说覆盖了所有领域。其主要在智能仪器和控制中的应用。

(1)

单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

(2)单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

(3)

单片机在实时控制中的应用

单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

(4)

单片机在分布式多机系统中的应用

在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

(5)

单片机在人类生活中的应用

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。

综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。1.3.4单片机应用系统的设计[10]单片机应用系统的设计（开发）的最终目的是能把它应用到实时控制系统以及仪器仪表、家用电器、汽车制造、医疗器械等各个领域。由于它的应用领域很广，技术要求各不相同，因此应用系统的硬件设计可以是各种各样的，但总体设计方法和研制步骤基本相同。有关单片机应用系统的一般开发、研制方法论述如下：1）组成单片机应用系统的基本方法用单片机组成应用系统时，实际问题的领域很宽，要求各不相同，组成的方案也千差万别，很难有一个固定的模式适应一切问题，但考虑问题的基本方法大体相似。对一般的应用系统，大都要经历如下步骤：=1\*GB3①提出问题，了解现场，明确指标。无论是制作智能仪表还是研制工业控制系统都要对应用对象的工作过程进行深入调查和分析，了解课题的目的要求、信号的种类和数量、应用的环境等等，要把课题最终的指标明确下来。=2\*GB3②进行可行性论证，提出初步方案。分析所接受任务的技术关键，论证能否用计算机来解决，有没有别的途径，用计算机合算与否，用什么计算机等等。如果可行，应对接受的课题提出初步方案，划分软、硬件各分课题的任务。=3\*GB3③提出各分课题的设计方案。软、硬件所承担的任务明确之后，则可以分别设计出软、硬件各自的功能及实现的方案。=4\*GB3④完成总体设计，完成各分课题的任务，组成计算机应用系统。=5\*GB3⑤对系统进行调试、修改、完善。2）应用系统研制进程所谓应用系统，就是利用单片机为某应用目的而设计的单片机专用系统（在调试过程中通常称为目标系统）。单片机的应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、输入输出设备、控制设备、执行部件等组成的系统，软件是各种控制程序的总称。硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的研制过程中，软硬件的功能总是在不断地调整，以便相互适应，相互配合，以达到最佳性能价格比。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线仿真调试、程序固化等几个阶段。各个阶段所完成的主要工作概述如下：总体设计主要包括确定技术指标，机型及器件选择，软、硬功能划分等。硬件设计主要包括程序存储器和数据存储器芯片的选择和设计；I/O电路、A/D、D/A及有关外围电路的设计；系统地址译码电路、总线驱动器等的设计等。软件的主要任务是定义系统功能，软件的结构设计，画出程序结构框图及各功能的程序框图，逐个编写程序。一般采用汇编语言编程较为适合。也可采用高级语言编程。软件设计完成后，进行在线仿真调试，也即查找程序中的错误。软件调试完成后再进行软、硬联机调试直至最后生成可用的软、硬件系统。软件和硬件联调完成以后，反复运行正常则可将用户系统程序固化到EPROM中，插入用户样机，用户系统即可脱离开发系统独立工作。详细的开发过程可以参阅有关的资料。本章主要分析了国内外温度测试的发展现状及其趋势，系统的介绍了本课题主要用到单片机。在回顾了单片机发展历史，分析了其分类和特点之后，重点介绍了单片机应用系统设计，为下一步课题设计做了充分的准备。第2章多功能智能化温度测量仪设计2.1课题主要内容在掌握《传感器与传感器技术》和《单片机原理与应用》等教材内容和教学要求的基础上，分析国内外测温状况，研究分析热电偶的测温原理、热电偶的安装使用方法以及热电偶检定，确定单片机的硬件设计，制定多功能温度测量仪器设计方案，确定硬件并写出程序蓝本。再在软件上模拟实现要求的功能，调试出结果。本文介绍了该测量仪的研制，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件，其主要内容如下:1介绍了国内外温度检测技术发展现状，以及温度检测技术的未来发展方向。2根据实际测量要求制定出一次仪表一传感器的选择、使用和安装方案。3根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、温度值的实时显示和存储等。4对该仪器的功能进行了初步认定，从原理和实际意义上分析了该仪器的测量误差。5介绍本仪器的优点及不足，并对未来的发展提出了展望。2.2系统功能根据设计要求，系统的主要内容（功能）如下：（1）根据要求设计时钟并显示；（2）自动检测温度并显示；（3）用LED显示方式；（4）温度以℃为单位；2.3系统总体设计方案将集成温度传感器AD590（0℃时为0.2732mA）因温度变化，导致电流变化（0.001mA/℃），经OPA转换为电压变化输入ADC0804，输入电压Vin（0～5V之间）经过A/D转换之后，其值由8751处理，最后将其显示在D4，D3，D2，D1共四个七段显示器。其中包含了时钟显示电路。该温度测量仪可以实现温度的测量，数据的显示、储存以及日历时间的显示。2.3.1温度检测的主要方法温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。各种温度测量方法各有自己的特点和各自的测量范围，常用的测温方法、类型及特点如表2.1所示。测量方式温度计或传感器类型测量范围/℃精度/%特点接触式热膨胀式水银-50～6500.1～1简单方便，易损坏（水银污染）双金属0～3000.1～1结构紧凑，牢固可靠压力液体-30～6001耐振，坚固，价格低廉气体-20～350热电偶铂铑—铂0～16000.2～0.5种类多，适应性强，结构简单，经济方便，应用广泛。需注意寄生热电势及动圈式仪表电阻对测量结果的影响其他-20～11000.4～1.0热电阻铂-260～6000.1～0.3精度及灵敏度均较好，需注意环境温度的影响镍-150～3000.2～0.5铜0～1800.1～0.3热敏电阻-50～3500.3～0.5体积小，响应快，灵敏度高，线性差，需注意环境温度影响非接触式辐射温度计800～35001非接触测量，不干扰被测量度场，辐射率影响小，应用简便光高温度计700～30001热探测器200～20001非接触测温，不干扰被测温度场，响应快，测温范围大，适于测量温度分布，易受外界干扰，标定困难热敏电阻探测器-50～32001光子探测器0～35001其他示温涂料碘化银，二碘化贡，氯化铁，液晶等-35～2000<1测温范围大，经济方便，特别适于大面积连续运转零件上的测量，精度低，人为误差大表2.1常用的测温方法、类型及特点2.3.2单片机应用系统的研制过程[14]单片机应用系统的研制过程如图所示。接受设计任务接受设计任务明确任务、归并要求选机，划分软硬件硬件设计软件设计联机仿真调试排除故障，修改程序固化程序应用系统独立运行研制完成图2.2单片机应用系统的研制过程2.4各模块的方案设计2.4.1选择温度传感器器件[1]常用的热电传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感器等。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：式中，k—波尔兹常数； q—电子电荷绝对值。集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种，其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。电压型集成温度传感器一般是三线制，其温度系数约为10mV/℃，电流型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为0.001mV/K，常用的有LM134/234、TMP17、AK590、AD592等，电流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。本次设计用到电流型两线制集成温度传感器AD590（0℃时为0.2732mA）。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：Ir/T=1mA/K式中：Ir—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4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，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±AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。2.4.2选择单片机器件单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。选择器件时应考虑其性能是否满足设计需求，是否具有良好的技术支持和文档支持，是否具有良好的性价比等，其核心是单片机的选型。在大多情况下，理应选择性价比高的单片机及其它器件，但在某些特殊场合，当性能成为决定因素时，应以性能优先原则选择所需的单片机或其它器件。单片机一般分为51系列和52系列，本次设计用到的是52系列即8051单片机。在微机控制系统中，工业生产过程的被测控参数，如温度、压力、流量、液位、成份、速度等都是连续变化的量，习惯上称为模拟量，而计算机所需要的则是离散的数字量。因此，在过程控制及微机进行数据处理的系统中，必须首先把模拟量变成数字量。这样才能送到微机进行处理和运算，然后显示打印结果，或通过控制电路对现场进行控制。单片机控制的一般模式如图2.2。需测需测量现场集成温度传感器共射极放大器多路开关转换采样保持A/D单片机系统显示打印控制图2.3单片机用于测量控制系统原理示意图2.4.3时钟电路设计、接口设计在许多的单片机系统中，通常进行一些与时间有关的控制，这就需要使用实时时钟。若再要求记忆用户的一些设置，还需要使用存储器。本系统采用一片DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302和两片Intel公司的E2PROM2864芯片。DS1302是一个实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，可通过简单的串行总线与单片机进行通讯，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可自动调整，包括闰年，有效期至2100年。可采用12h或24h方式计时，采用双电源(主电源和备用电源)供电，可设置备用电源充电方式，芯片为8引脚小型DIP封装包括A/D接口、D/A接口、LED显示器接口等。单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的2.4.4放大器的设计温度传感器的输出电压经过ISO100隔离放大(单增益)后，将输出电压送给测量放大器进行放大，以便放大后的输出电压和A/D转换器的量程相匹配。测量放大器的输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压、输入失调电流及输入偏置电流小，时间漂移小，因而稳定性好。它的共模抑制比大，适用于在大的共模电压背景下对微小差模信号的放大。它是一种高性能的放大器，常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其它有较大共模干扰下的本质上是直流缓变的微弱差模信号放大。本设计中选用了AD521，它是美国AD公司生产的第二代单片集成精密仪表放大器。AD521的特性参数如下(1)可调范围为0.1～10000(2)温度稳定性为士(3士0.05G)PPM/℃(3)失调电压为0.5mV(4)差模输入电阻为3×109W(5)共模输入电压为6×109W(6)温漂系数为1.5uV/℃2.4.5A/D和D/A转换器设计[21]通常嵌入式单片机（MCU），由于设计用途的不同，并不是每一种都有A/D转换，即使有的带A/D转换，一般都是8位或10位分辨率，用户在使用这些芯片而又需要较高分辨率的A/D功能时，一般要外接专用的A/D芯片，如MAX110等。这些芯片虽然具有精度好、分辨率高，使用方便等优点，但价格很高，增大了系统成本，为此可使用各种A/D转换技术构成廉价的A/D。一般A/D转换常用以下四种方式：计算式A/D。速度慢，结构简单，价格低。双积分式A/D。精度高，速度慢，能消除干扰和电源噪声。逐次逼近式A/D。速度高。并行转换A/D。速度最快，但成本高。在与计算机相配接时，逐次逼近式A/D转换器使用最多，常用的有8位、10位、12位、16位等。位数越多，精度越高，价格也越高，应用时根据精度要求选用。常用的8位A/D转换器有ADC0801、0803、0804等型号，有的还带8位多路开关，如ADC0808、0809等。转换方式可分为两种：软件转换方式——用A/D器件加上软件实现A/D转换。其特点是价格较低、速度慢、软件复杂。硬件转换方式——直接用A/D器件，其特点是速度快、价格高、硬件简单。8位A/D启动转换转换结束P18位A/D启动转换转换结束P1单片机803180518751P20INT锁存器VINN图2.4A/D转换器硬件与单片机连接的方式若A/D转换器中带锁存器，可与单片机直连；若A/D片中不带锁存器，则在单片机与A/D之间要家锁存器（如图2.3中显示），如74LS373等。至于进入单片机后的信号如何处理，则要根据测试控制要求来决定。控制可用位控方式，也可用D/A转换方式等。图2.5A/D转换与51单片机的接口2.4.6显示器及键盘的设计[7]单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器LED(LightEmittingDiode);液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay);近年也有配置CRT显示器的。LCD和CRT器可进行图形设计，但接口比较复杂，成本也较高;LED显示器，价格便宜，配置灵活，与单片机接口方便，因此本设计中采用的是LED显示器。在电路中为8279扩展工/0控制的8位共阴极LED动态显示接口电路。由于所有8位段选线皆由一个1/0口控制，因此，在每一瞬间，8位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，记载每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制T/0口输出相应字符段选码(字型码)，而位选则控制工/0口在该显示为送入选通电平(因为LED为共阴，故应送低电平)，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。逐位轮流点亮各个LED，每一位停留lms，在10-20ms之内再一次点亮，重复不止，这样，利用人的视觉暂留好像六位LED同时点亮了。在此仪器的设计中，LED显示器的显示方式采用的是动态显示方式。在本设计中采用8279可编程键盘、显示器接口芯片。8279芯片是一种专用于键盘、显示器的接口器件，它能对显示器自动扫描，能识别键盘上闭合键的键号，提高CPU的工作效率。8279包括键盘输入和输出两部分。键盘部分提供扫描工作方式，可以和具有64个按键和传感器的阵列相连。能自动消除抖动以及对n键同时按下采取保护。显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号可显示多达16位的字符或数字由于显示所需电流比8279输出的电流要大，所以在显示器前端用7407驱动器对8279的输出电流进行放大。8279的中断请求信号线IRQ经反向驱动器74F04接至8031外部中断，这样，可通过中断方式对按键进行处理2.4.7抗干扰措施单片机应用系统的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，为提高系统的可靠性。抗干扰措施在硬件电路设计中显得尤为重要。根据干扰源引入的途径，抗干扰措施可以从以下方面考虑。1）电源供电系统为了克服电网以及自本系统其他元件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。2）电路上的考虑为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施：(1)大规模IC芯片电源供电端都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级供电节点还应加足够容量的退藕电容；(2)开关量I/O通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连接的通道，一定要采取隔离措施；(3)可采用CMOS器件提高工作电压（如+15V），这样干扰门限也相应提高；(4)传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强；(5)电路应有合理的布线及接地方法；(6)与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。本章中确定了系统的设计总体方案，温度检测所用到的方法，单片机应用系统的研制方案。还具体介绍了各模块设计方案，初步明确了系统研制方法。此外还考虑到了系统设计中所遇到的干扰和消除干扰的方式，为系统进一步的设计做好了准备。第3章系统的硬件设计3.1系统总体原理框图系统总体原理框图如图3.1图3.1系统总体原理框图3.2信号输入部分总体设计信号输入部分总体设计如图3.2图3.2信号输入部分总体设计3.3信号输入部分设计3.3.1集成温度传感器[1]常用的热电传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感器等。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：（3.1）式中，k—波尔兹常数； q—电子电荷绝对值。集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种，其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。电压型集成温度传感器一般是三线制，其温度系数约为10mV/℃，电流型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为0.001mV/K，常用的有LM134/234、TMP17、AK590、AD592等，电流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。本次设计用到电流型两线制集成温度传感器AD590（0℃时为0.2732mA）。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：a、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：Ir/T=1mA/K式中：Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。b、AD590的测温范围为-55℃～+150c、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，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。d、输出电阻为710MW。e、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±集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它除了与半导体热敏电阻一样有体积小反应快的优点外，还具有线形好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点，虽然由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测150℃以下的温度，但在许多领域得到了广泛应用。其工作原理如下：AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流很容易变成电压，因此这种传感器应用十分方便。要指出的是，AD590集成温度传感器的输出电流是整个电路的电源电流，而这个电流与施加在这个在这个电路上的电源电压几乎无关。图3.3是简化的电流型集成温度传感器的基本原理图，图中晶体管、、、是最关键的元件，管子旁边标注的数字是发射区的等效个数，如PNP管和的发射区面积是管发射区的2倍。NPN管的发射区的面积NPN管和发射区的面积的8倍。、的工作电流来自二极管接法的晶体管。图3.3简化的电流型集成温度传感器的基本原理图由于和的等效发射区个数都是2，基极又连在一起，因此，它们的集电极电流都是I。与的几何尺寸相同，VT11的集电极电流数值上等于的集电极电流。这就意味着和的总工作电流亦为。因的发射区面积为管的一半，则流过的集电极电流（VT6管电流）为I/2，显然流过管的集电极电流亦为I/2。由图2可写出：（3.2）又因（3.3）（3.4）式中（）——分别为（）管发射结电压降；k、q——常数；T——绝对温度；（）管发射结反向饱和电流。由上（3.2）、（3.3）、（3.4）式可以得到（）(3.5)由以上分析可得到，芯片总工作电流为或(3.6)式中，上式表明：总电流I0与绝对温度成正比。如果取，,则温度系数值得注意的是管的作用，管为、、、管的基极电流提供了一个通路，使它们不影响左、右两支管的电流对称性，为了得到良好的温度特性，应采用小温度系数的材料电阻。3.3.2ADC0804所谓的ADC0804就是模拟/数字转换器，就是将模拟信号转换为数字信号，信号输入端可以是传感器或转换器的输出，而ADC的数字信号提供给微处理器，因而的到广泛的应用。分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。ADC0804的规格及引脚图：8位CMOS依次逼近型的A/D转换器三态锁定输出存取时间：135US分辨率：8位转换时间：100US总误差：正负1LBS工作温度：ADC0804LCN-0～70引脚图 如3.4图图3.4ADC0804引脚图/CS：芯片选择信号/RD：外部读取转换结果的控制输出信号。/RD为HI时，DB0DB7处理高阻抗 ，/RD为HO时，数字数据才会输出。/WR：用来启动转换的控制输入。相当于ADC的转换开始（/CS=0），当/WR由HI变为HO时，转换器被清除：当/WR回到HI时转换正式开始。CLKINCLKR：时钟输入或接振荡元件（R，C），频率限制在100KHZ-1460KHZ，如果使用RC振荡电路则其振荡频率为1/1.1RC。/INTR：中断请求信号输出，低电平动作。VIN-VIN+：差动模拟电压输入，输入单端正电压时，VIN-接地：而差动输入时，直接加VIN-，VIN+。AGNDDGND：模拟信号以及数字信号的接地。VREF：辅助参考电压。DB0～DB7：8位数字输出。VCC：电源供应以及作为参考电压。在使用时应注意以下几点：(1)转换时序当CS与WR同时为低电平A/D转换器被启动切在WR上升沿后100模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。如CS、RD同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态。(2)零点和满刻度调节。ADC0804的零点无须调整。满刻度调整时，先给输入端加入电压，使满刻度所对应的电压值是，其中是输入电压的最大值，是输入电压的最小值。当输入电压与值相当时，调整端电压值使输出码为FEH或FFH。(3)参考电压的调节在使用A/D转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。如输入电压动态范围较小，则可调节参考电压，以保证小信号输入时ADC0804芯片8位的转换精度。(4)接地模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以至影响转换结果的准确性。A/D、D/A及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）的引脚。在线路设计中，必须将所有的器件的模拟地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连。3.4单片机及其扩展I/O的设计采用TTL电路扩展I/O口是一种最常见的微机I/O扩展手段。图3.5单片机与I/O接口原理图3.4.1地址锁存器由于8051单片机的PO口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。74LS373是带三态缓冲输出的八D锁存器，将它的锁存控制端G直接与8031的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。由8031单片机时序分析可知，有效地址信号是在ALE(地址锁存允许)信号变高的同时出现的，并在ALE由高变低时，将出现在PO口的地址信号锁存到外部地址锁存器中，直到下一次ALE变高时，地址才发生变化。3.4.2程序存储器程序存储器的扩展包括三组总线的连接及地址译码等。MCS-51系列单片机程序存储器可扩展64KB。由于大规模的集成电路的扩展，单片存储器的存储容量越来越大，因此，在程序存储器芯片使用的数量上一般采用一片就够了。对于单片机片内有程序存储器时，硬件设计时管脚EA接+5V，CPU在取指令时，PC值小于片内程序存储器的容量时读取片内的程序指令，而当PC值大于片内存储器容量时读取片内程序存储器指令，此时PSEN作为片内存储器的读选通信号。如果单片机EA脚接在GND，则单片机内部的程序存储器全部不用而用外部程序存储器。此时设计的外部程序存储器必须从0000H地址开始。程序存储器的作用是存放单片机的执行程序，虽然现今的单片机具有片内的程序存储器，但是，当程序量超过单片机的片内程序存储器时，将采用片外扩展程序存储器，通常采用EPROM、E2PROM、Flash存储器等芯片。EPROM是一种用紫外线光照擦除的只读存储器，通过专用编程器将程序固化在芯片中，可反复多次擦除及编程。失电后芯片内部的程序保持不变。常用的EPROM芯片有2764、27128、27256、27512等芯片。它们的存储容量分别是8K×8bit、16K×8bit、32K×8bit、64K×8bit。在本次设计中用到的是27256芯片。27256是32K×8位EPROM器件，它有15根地址线A14-AO输入，能区分15位二进制地址信息215=32768种状态，即存在32768个存储单元。这15根地址线分别与8051的PO口和P2.0-P2.6连接，当8031发出巧位地址信息时，可分别选中27256片内32K字节存储器中任一单元。2725620引脚CE为片选信号输入端，低电平有效。3.4.3数据存储器扩展扩展的数据存储器空间地址同外扩程序存储器一样，由P2口提供高8位地址，PO口为分时提供低8位地址和8为双向数据总线。由8031的RD(P3.7)和WR(P3.6)信号控制，，而片外程序存储器EPROM的输出允许端(OE)由读选通信号PSEN控制即使与片外数据存储器RAM的读和写EPROM共处一地址空间，但由于控制信号即使用的数据传输指令不同，故不会发生总线冲突3.5键盘和显示的设计键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。由于本设计中键的数量不是很多，所以在此我们选用独立式键盘控制。单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器LED(LightEmittingDiode);液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay);近年也有配置CRT显示器的。LCD和CRT显示器可进行图形设计，但接口比较复杂，成本也较高;LED显示器，价格便宜，配置灵活，与单片机接口方便，因此本设计中采用的是LED显示器。显示器显示接口按驱动方式可分成静态显示和动态显示两种显示方式，动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成；按CPU向显示器接口传送数据的方式则可分成并行传送和串行传送两中显示数据传送方式；按显示器接口是否带译码器可分成译码和非译码两种显示数据方式。动态显示时，N个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间为1/N。动态显示的优点是节省硬件电路（如I/O口、驱动器等）；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，如采用硬件扫描时将增加硬件成本。除此之外，当动态显示位数较多时，显示器亮度将受到影响。在此电路中为8279扩展I/0控制的8位共阴极LED动态显示接口电路。由于所有8位段选线皆由一个I/0口控制，因此，在每一瞬间，8位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，记载每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/0口输出相应字符段选码(字型码)，而位选则控制I/0口在该显示为送入选通电平(因为LED为共阴，故应送低电平)，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。逐位轮流点亮各个LED，每一位停留lms，在10-20ms之内再一次点亮，重复不止，这样，利用人的视觉暂留好像六位LED同时点亮了。在此仪器的设计中，LED显示器的显示方式采用的是动态显示方式。LED动态显示器接口（用8255作接口电路的连接）对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任何一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。为了实现LED显示器的动态扫描。除了要给显示器提供段（字形代码）的输入之外，还有对显示器选择位的控制，这就是通常所说的段控和位控。因此，多位LED显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线（含有小数点显示）；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。图3.6使用8255作LED显示器动态显示的接口电路3.6模拟信号输出部分设计3.6.1信号输出部分总体设计系统经过数据采集、数据处理之后，获得被测对象的温度值，但在有些时候需要控制被控对象的温度，因此，要由单片机系统发出控制信号，进行系统控制。但是由8031输出的控制信号是数字信号，需将其经过数/模转变为模拟信号，再经功率放大，才能控制加热炉、热处理炉等。这一功能由一片DAC0832来完成，由于DAC0832是一种电流输出型D/A芯片，因此其后端接一片运算放大器构成反相输出电路以实现电压信号输出，然后再接入1片多路模拟开关CD4051，将输出扩展为8路。由上述可知，该部分具有8路模拟信号输出能力。3.6.2芯片的选择(1)D/A转换器选用DAC0832该芯片是8位分辨率的D/A集成芯片，与微处理机完全兼容，具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，主要有如下特点A)可单缓冲或双缓冲数字输入;B)只需在满量程下调整其线性度;C)低功耗，200mW;D)内部无参考电压源，须外接参考电压源;E)为电流输出型数模转换器，要获得模拟电压输出时，需外加转换电路；F)有5根控制线;图3.7DAC0832的管脚功能CS:片选线，当其为低电平时，本片被选中工作;ILE:允许数字输入线，当ILE为高电平时，允许数字量输入;XFER:控制输入线，低电平有效;WR1和WR2:写命令输入线，WRI用于控制数字量到输入寄存器，若WR2为`1',CS为‘0’和WR1为‘0’同时满足，则接收信号;若上述条件有一个不满足，则锁存数据。WR2用于控制D/A转换时间:若XFER和WR2同时为低电平，则输出跟随输入，否则锁存数据。WRI和丽厄的脉冲宽度要求不小于DAC0832工作于直通方式。DAC0832工作于直通方式时一般将控制信号CS、XFER、WR1、WR2直接接地，ILE管脚接高电平，则两个寄存器都处于常通状态，寄存器中的数据跟随输入数据的变化而变化，D/AZ转换器的输入也同时跟随变化。图3.8DAC0832工作于单缓冲方式(2)放大器的选用放大器选用OP-07，其主要特征是开环增益和共模抑制比很高(一般为MOM)，而失调电压和失调电流、温漂以及噪声又很小。主要用于稳定积分、精密加法比较、闽值电压检测、微弱信号精确放大等场合。其电源电压范围为13-士18V，输入电压范围为0一土14V。在该电路连接中，放大器输出端直接反馈到Rfb，其产生的模拟输出电压是单极性的。第4章时钟电路的设计4.1单片机的选择本次设计用到的是8051。该单片机在以上报告中已重点说明，在此就不做过多说了。4.2时钟与复位电路的设计单片机工作的时间基准是有时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一个晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。电路中，电容器C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围为（20～40）pF。石英晶体选择6MHz或12MHz都可以，起结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值。单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。单片机的复位方式有上点自动复位和手工复位两种。只要VCC上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态。电阻电容器件的参考值为R1=200W，R2=1KW，C3=22mA。RET按键可以选择专门的复位按键，也可以选择轻触开关。4.3LED显示电路设计与器件选择单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。显示器、键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。LED显示器的驱动是一个非常重要的问题。显示电路由LED显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能够正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。LED显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流相匹配即可，而且一般只需考虑段的驱动；动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。图4.1动态扫描显示电路的原理框图4.3.1LED显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此生产厂家就生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED显示器。在我们的设计中，选择4位一体的时钟型LED显示器，简称“4-LED”，如图9-4所示。用“：”前的2位显示“小时”的十位和个位，用“：”后的2位显示“分”的十位和个位。图4.2所示是一个共阴极接法的4位时钟型LED显示器。其中管脚a、b、c、d、e、f、g为4位LED各段的公共引出端；D1、D2、D3、D4分别是每一位的共阴极输出端；dp是小数点引出端。对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合我们的设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部接在一起，所以必须使用动态扫描方式。4位一体的时钟型LED显示器的内部结构是由4个单独的LED和一个“：”LED组成，每个LED的段输出管脚在内部并联后引出到器件的外部。121110987117421105D1afD2D3babcdefg:dp:dpeddpcgD4D1D2D3D4dp123456129863(A)4位LED管脚排列图(B)4位LED原理图图4.24-LED显示器管脚4.3.2LED的段驱动芯片的选择LED的段驱动电路有很多种，在本设计中可以选择BCD-7段锁存/译码/驱动器作为段驱动器。这类芯片的型号有74LS47、74LS48、74LS247、74LS248等。该类芯片具有锁存、译码、驱动的功能。即在输入端输入要显示字形的BCD码，在输出端就可以得到具有一定驱动能力的7段显示字形码。图5.3所示为74LS48的管脚图和结构原理图。管脚图中大写字母A、B、C、D为BCD码的输入端，小写字母a、b、c、d、e、f、g为字型码输出端，LT为灯测试输入端，RBI为消隐输入，RBO为消隐输出。1BVdd1614g2cf15D6BCD码BCD码15f3LTg14C29e4BI/RBOa13驱动器10d5RBIb12B111c6Dc11锁存器译码器12b7Ad10A7138VSSe9（A）管脚功能（B）结构原理图图4.374LS48的电路结构原理及管脚图表4.4给出了74LS48BCD-7段锁存/译码/驱动器的输入与输出信号的对应关系，详细内容可查阅数字电路芯片手册。在使用是，将该芯片的输入端管脚A、B、C、D与单片机的P1口或者P3口连接，该芯片输出端的7个管脚与LED显示器的7个段码管脚相连接。74LS48的作用是接受来自单片机的BSD码型的输入信号。经过锁存、译码和放大后，输出7段字形码到LED显示器，完成对BCD码到7段字形码的锁存、译码和驱动的功能。输入端电平输出端电平字形输出端电平输出端电平字形DCBAgfedcbaDCBAgfedcba000001111110010111010115000100001101011011110116001010110112011100001117001110011113100011111118010011001104100111011119表4.174LS48BCD-7段译码器的输入/输出端信号对照表4.3.3LED的位驱动芯片的选择[14]LED位驱动较常用的芯片有ULN2003A和ULN2803。前者是具有7个达林顿电路的集成芯片，后者是具有8个达林顿电路的集成芯片。此种芯片集电极可以收集最大达500mA的电流，耐压为30V，能驱动常规的LED显示器。图4.5所示是UNL2803芯片的管脚图和电路原理图。2803芯片的电路原理和2003完全相同，只是在结构上2803比2003多一路驱动器。图4.5中的IN0～IN7管脚是输入端，OUT0～OUT7管脚是输出端，第9脚接有续流二极管。输出与9脚配合，可驱动感性负载，如打印头等。1IN0OUT0182IN1OUT1173IN2OUT2164IN3OUT3155IN4OUT4146IN5OUT5137IN6OUT6128IN7OUT7119IN8OUT810图4.4ULN2803芯片的管脚图在本次设计中选用ULN2003作为位驱动电路，将该芯片的输入端管脚IN0，IN1，IN2，IN3与单片机的P1口或者P3口连接，该芯片的输出端管脚OUT0，OUT1，OUT2，OUT3与LED显示器的4个位码管脚D1～D4相连接。ULN2003的作用是接受来自单片机的位码输入信号，经过反相放大后输出，送到LED显示器的位码管脚，完成对位码信号的反相和驱动的功能。4.3.4LED驱动电路与单片机的连接采用单片机的P1口作为与LED的输出接口，用P1口的低四位作为LED的段码输出信号，P1口的高四位作为LED位码的输出控制信号。硬件电路连接如图1所示。RP是上拉电阻，作用是保证LED可靠导通与截止，可以选择阻值为8×100W的排电阻。该电路的工作原理是：当P1口的低四位输出短码信号的BCD码后，通过74LS48芯片的锁存、译码和驱动作用，输出具有一定驱动能力的7段字形码，由于4-LED的段码输入管脚是并联在一起的，所以每一位LED的段码输入管脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位LED被点亮，必须靠位码信号在每一时刻只有一位是“1”，其他位全为“0”，然后按时间顺序改变输出“4.4按键电路设计与器件选择电子时钟应用系统工作时应具备两项基本功能，一是随时输入定时（闹钟）时间，二是随时对当前时间进行调整。要实现这一功能，可以接入键盘输入电路。4.4.1键盘结构的选择在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用得最多的是非编码键盘。键盘结构又可以分为独立式键盘和行列式键盘（矩阵式）两类。本例只需要4个按键，因此选择独立式键盘。如图1所示，电路由按键和4个电阻组成，按键可以采用轻触开关，按键分别命名为SET、ALM、+1和RET键，电阻可以采用5脚排电阻，阻值为4×1kW。4.4.2键盘与单片机的接口电路设计电路如图4.4所示，将键盘直接与单片机的P3口连接，有P3.2、P3.3口线通过两个按键SET、ALM接入两个外部中断的请求信号INT0、INT1；P3.0、P3.1管脚作为I/O口使用。四个按键功能的设计思路如下：(1)SET键功能设置当前时间，即当电子时钟的时间有误差时，需要随时对它进行调整，使用SET键与+1键、RET键配合来完成这一个功能。①当SET键被按下时，在单片机的INT0管脚产生一个低电平触发中断请求信号，CPU响应中断请求是，就转移到INT0中断服务程序的入口地址，执行INT0的中断服务程序。②设计INT0的中断服务程序的功能是调整当前时间，程序的标号地址为INTA。图4.5独立式键盘输入接口(2)ALM键功能设置定时（闹钟）时间，即当需要电子时钟进行定时（闹钟）服务时，可以通过该键的功能来输入定时（闹钟）时间，使用ALM键与+1键、RET键配合来完成这一个功能。当ALM键被按下时，在单片机的INT1管脚产生一个低电平触发中断请求信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT1中断服务程序的入口地址，执行INT1的中断服务程序。INT1的中断服务程序的功能是输入定时（闹钟）时间，程序的标号地址为INTB。(3)+1调整键的功能分别对时间值的小时十位、分的十位、分的个位进行+1调整，即该键每按下一次，对应的时间调整位+1。该信号与P3.0管脚连接，当P3.0工作在I/O接口方式时，为了保证能正确输入外部信息，在初始化程序中用指令“SEIBP3.0”对它进行编程，即将P3.0管脚作为输入口使用。(4)RET确认键的功能确认，即对+1调整位进行确认，该键按下时，说明被调整位的值已经确定，转去调整下一位。该信号与P3.1管脚连接，与P3.0类似，用与I/O接口方式时，在初始化程序中用指令“SETBP3.1”对它进行编程，即设置P3.1管脚作为输入口使用。键盘的硬件电路设计只是完成4个按键信号可靠输入，要想实现键盘的输入功能，还要靠软件编程来具体实现。设置当前时间与闹钟时间的中断服务程序，请参考软件设计一节中的INTA、INTB子程序设计。4.4.3按键去抖动的处理开始有键闭合吗？开始有键闭合吗？调延时12ms子程序有键闭合吗？确定闭合的键NYNY图4.6键盘扫描程序流程图4.5蜂鸣器电路的设计设计要求定时（闹钟）时间到时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器（H）作为三级管VT的集电级负载，当VT导通时，蜂鸣器发出鸣叫声音；VT截止时，蜂鸣器不发声。R是限流电阻。蜂鸣器电路与单片机的接口：VT的基极接到单片机P3口的P3.7管脚，P3.7管脚作为输出口使用。当P3.7=0时，VT导通时，使蜂鸣器的两个管脚间获得将近5V的支流电压，蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣音；当P3.7=1时，VT截止，蜂鸣器的两个管脚间的直流电压接近于0V，蜂鸣器不发声。蜂鸣器有长声和短声良种，可以根据需要进行选择，本设计选择短声蜂鸣器。蜂鸣器报警时间的长短，通过软件编程控制，请参看主程序设计。通过前面的设计过程，可