毕业设计(温度采集器ad590温度控制电路设计)[管理资料]

1 引言
课题研究的目的和意义
当今社会，温度测量系统被广泛的应用于社会生产、生活的各个领域，在工业、环境监测、医疗、家庭等多方面均有应用。

同时单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。

在很多电子产品中也不免将会用到温度监测和温度控制。

目前温度测量系统种类繁多功能参差不齐，有简单的应用于家庭的如空调、电饭煲、太阳能热水器，电冰箱等家用电器的温度惊醒检测和控制，采用AT89C51单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性高等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期断等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件在日常生活中成为必不可少的器件，尤其在日常生活中发挥的作用也越来越大。

因此，单片机对温度的控制问题是一个日常生活中经常会遇到的问题。

本论文一上述问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。

以AD590为采集器，89C51为处理器，空调相应电路为执行器来完成设计任务提出的温度控制要求，设计过程流畅，所设计的电路单元较为合理。

该设计在硬件方案设计，单元电路设计，元器件选择等方面较有特色。

1 .
2 温度控制系统的现状
通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制系统很多，而且方案灵活，应用面比较广，可用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉，在日常生活中的应用也比较广泛，如热水器、室温控制，在农业中的大棚温度控制。

以上出现的温度控制系统产品，根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标，选出其中具有代表性的几种如下：
1>大棚温度控制系统
该设计使大棚内的温度保持在一定的水平，从而有利于农作物的生长，提高产量。

本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况，从而进行温度控制。

该系统有单片机、温度传感器、串口通信和计算机组成。

计算机主要用于编程，对温度进行显示、报警和控制等；温度传感器对大棚内温度进行测量、显示；
单片机是对温度传感器进行编程，去读温度传感器的温度值，并把所得温度值通过串口通信送入计算机；串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输作用。

2>电烤箱温度控制系统
该方案采用美国TI公司生产的FLASH型超低消耗16为单片机MSP430F123为核心器件,通过热电偶检测系统温度,用集成温度传感器AD590座位温度测量
器件,利用该核心内置的比较器完成高精度AD信号采样,根据温度的变化情况,通过单片机编写闭环算法,,大概在0-250之间,具有精度高,响应速度快等特点。

3>小型热水锅炉温度控制系统
该设计解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热，耗煤量大，浪费人力，温度变化大的问题。

设计方案硬件方面采用MCS-51系列8031单片机为核心，扩展程序存储器2732，AD590温度监测元件测量环境温度和供水温度，ADC0809进行模/数转换，同向驱动器7407、光电耦合器及9103的功放完成对电视的控制。

软件方面建立了供暖系
统的控制系统数学模型，本系统硬件电路简单，软件程序易于实现，它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制，可使居室温度基本恒定，节煤、节电、省人力。

温度控制系统方案
结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工程速度的估计，考虑价格因素。

选定AT89C51单片机作为系统的主要控制芯片，8
位模数转换器AD0809，采用AD590进行温度采集，温度设定范围为-10℃—45℃，通过温度采集系统，对温度进行采集并作A/D转换，再传输给单片机。

以空调为执行器件，通过单片机程序完成对室内温度的控制。

论文的主要任务和所做的工作
本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、集温度测量、显示、控制于一体的单片机温度控制系统的理论设计。

包括硬件电路和主要的软件设计。

研究的关键问题是：室温的精确测量；温度采集器AD590温度控制电路设计；单片机与A/D转换电路、显示电路以及软件设计。

根据本设计所要完成的任务本论文需要完成如下工作内容：
1 提出了符合设计要求的高精度温度控制系统方案，并阐述了其工作原理。

2 完成硬件电路的设计，它包括温度采集系统电路：包括89C51单片机，模数转换器ADC0809等芯片的接口电路；通过AD590实现的温度控制采集电路；键盘接口和LED显示电路。

3 完成软件部分设计，它包括主程序流程图，A/D转换子程序，显示子程序，主程序清单。

2单片机温度控制系统总体设计方案及原理
系统的主要要求
（1）温度设定范围在-10℃~45℃，℃，℃。

（2）用四位十进制数码管显示当前温度。

（3）能根据设定的温度自行实现加热或降温处理。

（4）设计出控制系统电路单元。

系统的工作原理
在温度系统中，需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化，选用
AT89C51单片机为中央处理器，通过温度传感器对空气温度进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。

工作流程说明如下：
开始，先接通电源，四段数码管显示器就自动显示当前温度。

按下S1键，功能转换键，将系统由监测状态转换到设置状态，按此键则开始键盘控制。

此时可以通过键盘输入预设置的温度。

按下S2加键，。

按下S3减键，。

再次按下S1，此时系统由设定功能返回到监测状态。

就这样通过温度芯片的反馈信息，实现温度保持在设置值上，从而达到自动控制温度的功能。

系统的主要技术指标
测温范围：-55 ℃~+100 ℃
温度分辨率：℃
LED显示位数：4
系统的总体结构
系统的硬件电路有温度传感器、A/D转换器、LED显示等组成部分，总体结构方案见图2-1所示
图2-1 温度控制单元结构图
实现方案的技术路线为：用按钮输入标准温度值，用LED实时显示环境温度，用驱动电路控制完成加热和制冷调节。

用汇编语言完成软件设计编程。

3 温度控制硬件单元设计方案与选择
温度传感部分
要求对温度与温度有关的参量进行测量，应考虑用热电阻传感器。

按照热电阻的性质可分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。

方案1：采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其阻值随温度的变化有明显的改变。

负温度系数热敏电阻器通常由锰、钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成。

其特点是工作范围内电阻阻值随温度的上升而降低。

可满足40 ℃~90 ℃测温范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1 ℃的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。

方案2：，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。

在0 ℃~100 ℃℃.铂热电阻与温度的关系是：Rt=R0(1+At+Bt*t);其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0 ℃时的电阻；t为文艺温度值，A、B为温度系数。

但其成不太高，不适合做普通设计。

方案3：采用集成温度传感器，。

这种器件是以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度敏感是1uA/，使用非常方便，作为一个高阻电流源，它不需要严格考虑传输线上的电压信号损失噪声干扰问题，因此特适合远距离测量或控制用。

另外AD590也特别适用于多点温度测量系统，二不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。

由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术校准，使得AD590具有很高的精度，并且应用电路简单，便于设计。

方案选择：选择方案3。

理由：电路简单稳定可靠，无需调试，与A/D连接方便。

A/D转换部分
模/数转换器是一种将连续的模拟量转换成离散的数字量的一种电路或器件。

模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。

针对不同的采样对象，有不同的A/D转换器可供选择，其中有通用的也有专用的。

有些ADC还包括其他功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速率以外，还应考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的问题。

ADC按功能划分，可分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。

A/D转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行模拟信号极性转换等的设计。

方案1：采用分级式转换器，这种转换器采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完成“模拟—数字”信号的转换，同时可以实现较高的分辨率。

例如在利用两步分级完成n位转换的过程中，首先完成m位的粗转换，然后使用精度指示为m位的数/模转换器将此结果转换达到1/2的精度并且与输入信号比较。

对此信号用一个K位转换器（k+m<=n）转换，然后将两个输出结果合并。

方案2：采用积分式A/D转换器。

双积分型A/D转换器转换精度高，但是转换速率不是很快，若用于温度测量，不能及时地反应当前温度值，而且多数双积分型A/D转换器其输出端多不是二进制码，而是直接驱动数码管的。

所以若直接将其输出端接I/O口会给软件设计带来极大地不便。

方案3：采用逐次逼近式转换器。

对于这种转换方式，通常是用一个比较输入信号与作为基准的n位DAC输出进行比较，并进行n次1位转换。

这种方法类似于天平上用二进制码称量物质。

采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位(MSB)比较，确定DAC的最高位（DAC瞒量程的一半）。

确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上，以确定DAC的输出（0或1/2）。

逐次逼近式A/D转换器，如ADC0809、AD574等，其特点是转换速率快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接I/O口，软件设计方便。

ADC0809芯片内包含8位模/数转换器、8通道多路转换器与微机控制兼容的控制逻辑。

8通道多路转换器能直接连通8个单端输入信号中的任何一个。

由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的接口电路、智能仪器和机床控制等应用场合，并且价格低廉，降低设计成本。

方案选择：选择方案3。

理由：用ADC0809采样速度快，配合温度传感器应用方便，价格低廉，降低设计成本。

数字显示部分
通常用的LED显示器有7段或8段“米”字段之分。

这种显示器有共阳极和共阴极两种。

共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此共
阴极接地。

当两个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阴极LED显示器的工作原理也一样。

方案1：采用静态显示方式。

在这种方式下，各位LED显示器的共阳极（或共阴极）连接在一起并接地（或电源正），每位的段选线分别与一8位的锁存器输出相连，各个LED的显示字符一旦确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一字符为止，正因为如此静态显示器的亮度都较高。

若用I/O口接口，这需要占用N*8位I/O口（LED显示器的个数N）。

这样的话，如果显示器的个数较多，那使用的I/O口就更多，因此在显示位数较多的情况下，一般都不采用静态显示
方案2：采用动态显示方式。

当多位LED显示时通常将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。

而各位的共阳极或者共阴极分别有相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。

其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口（LED显示器的个数N）。

由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位段选都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。

若要各位LED能显示出本为相同的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。

这种显示方式占用的I/O口个数为8+N（N为LED显示器的个数），相对静态显示少了很多，但需要占用大量的CPU资源，当CPU处理别的事情时，显示可能出现闪烁或者不显示的情况。

方案3:采用以为寄存器扩展I/O口，只需要占用3个I/O口即数据（DATA）、时钟（CLOCK）、输出使能（OUTPUT ENABLE），从理论上讲及可以无限制地扩展I/O口，而且显示数据为静态显示，几乎不占用CPU资源。

采用扩展口后，又能采用静态显示，这样，既解决了静态显示占用I/O口多的问题，也解决了动态显示不稳定、容易闪烁、占用CPU资源过多的问题。

方案选择：选择方案3。

理由：非常节约I/O口，又有静态显示的特点，亮度高，节约CPU的使用率。

加热降温驱动控制电路
采用光耦合双向可控硅驱动电路。

它能够达到加热效果，开关量控制容易，驱动简单，驱动系统的抗干扰能力强。

双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同。

图1为双向可控硅的基本结构及其等效电路，它有两个主电极T1和T2，一个门极G，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，
所以双向可控硅在第1和第3象限有对称的伏安特性。

双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通，因此有四种触发方式。

键盘输入部分
常用的键盘接口分为独立式键盘接口和矩阵式键盘接口。

方案1：采用4*4矩阵键盘输入，这种接口方式适用于按键数量较多。

由行线盒列线组成，按键位于行、列的交叉点上。

矩阵键盘的工作原理是按键设置在行、列交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。

行线通过上拉电阻接到+5V上，平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态由与此电平相连的列线电平决定。

列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高，这是识别矩阵键盘是否被按下的关键所在。

由于矩阵键盘中行、列线为多键使用，各按键均影响该键所在行和列的电平，因此，各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来作适当处理，才能决定闭合键位置。

对于矩阵式键盘，矩阵的键盘由行号和列好唯一决定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。

但这种编码对于不同行的键，离散性大，并且编码的复杂度与与键盘的个数成正比，因此不适合在出入量较小的设计中。

方案2：采用独立式按键接口，这种方式是各种键盘相互独立。

每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。

独立式按键电路配置灵活，软件简单。

但每个按键占用一根输入线，在按键数量较多时需要较多的输入线且电路结构复杂，故此种按键用于按键较少或操作速度较高的场合。

独立式按键电路按键直接与单片机的I/O口线相接，通过读I/O 口，判定各I/O口线的电平状态，即可识别出按下的按键。

方案选择：选择方案2。

理由：减少单片机的I/O口德使用，设计简单，配置灵活，软甲简单。

虽然每个按键需要占用一根输入线，但该设计所用按键较少。

4 温度控制系统的单元电路设计
温度采集电路
本设计选用的传感器是AD590。

一、AD590简介
AD590是美国模拟器件公司生产的单片机集成两端温感电流源。

它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（uA ）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
IT/T=1uA/K
式中：IT —流过器件(AD590)的电流，单位为uA;
T —热力学温度，单位为K 。

2、AD590的测温范围是-55℃~+150 ℃ 。

3、AD590的电源电压范围是4V~30V 。

电源电压可在4V~6V 范围变化，电流IT 变化1uA,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710M Ω
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， ℃。

二、AD590 的应用电路
电路分析
1、 AD590的输出电流I=（273+T ）μA （T 为摄氏温度），因此测量的电压V 为（273+T ）μA ×10K=（+T/100）V 。

为了将电压测量出来又务须使输出电流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 。

2、 由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳图
4—1
温度采集系统电路
二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，
3、接下来我们使用差动放大器其输出V o为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28℃，，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。

A/D转换电路
选用AT89C51作为中央处理器，A/D转换器选用ADC0809。

用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方式。

查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经完成，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。

中断控制是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序。

当ADC转换结束并向单片机发出中断请求时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到原程序。

这种方法单片机无需进行转换时间管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。

本设计采用查询方式进行数据收集。

由于ADC0809内没有时钟，故运用89C51提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。

因为ALE信号的频率是单片机的1/6，如果时钟频率为6MHz，则ALE信号的频率为1MHz，经二分频后为500KHz，与ADC0809时钟频率典型值吻合。

由于ADC0809具有三态输出锁存器，故其数据输出引脚可直接与单片机的总线相连。

地址码引脚ADDA~C分别与地址总线的低3位Ａ０、Ａ１、Ａ２相连，以选通ＩＮ０～ＩＮ７中的一个通道。

（地址总线最高位A15）作为A/D的片选信号。

并将A/D的ALE和START脚连在一起，以实现在锁存通道地址的同时启动ADC0809转换。

在读取转换结果时，。

编写的软件按下列顺序动作：=A15=0，并用A0、A1、A2的组合指定模拟通道的地址：执行一条输出指令，启动A/D转换；然后根据所选用的查询方式去执行一条输入指令，读取A/D转换结果。

ADC0809是一个8路8位逐次逼近的A/D转换器。

ADC0809的转换时间为100us。

在CPU启动A/D命令后，便执行一个固定的延时程序，延时时间应略大于A/D的转换时间；延时程序一结束，便执行数据读入指令，读取转换结果。

一、ADC0809主要性能如下：
A、分辨率为８位；
B、精度：ADC0809小于±1LSB（ADC0808小于±1/2LSB）；
C、单+5V供电，模拟输入电压范围为0～＋5V；
D、具有锁存控制的８路输入模拟开关；
E 、可锁存三态输出，输出与TTL 电平兼容；
F 、功耗为15mW ；
G 、不必进行零点和满度调整；
H 、转换速度取决于芯片外接的时钟频率。

时钟频率范围：10～1280KHz 。

典型值为时钟频率640KHz ，转换时间约为100μS 。

二、ADC0809的内部结构及引脚功能
图4-2 ADC0809的内部结构与引脚
1、IN0～IN7，８路模拟量输入端。

2、D7～D0，８位数字量输出端。

3、ALE ， 地址锁存允许信号输入端。

通常向此引脚输入一个正脉冲时，可将三位地址选择信号A 、B 、C 锁存于地址寄存器内并进行译码，选通相应的模拟输入通道。

4、START ，启动A/D 转换控制信号输入端。

一般向此引脚输入一个正脉冲，上升沿复位内部逐次逼近寄存器，下降沿后开始A/D 转换。

5、CLK ，时钟信号输入端。

6、EOC ，转换结束信号输出端。

A/D 转换期间EOC 为低电平，A/D 转换结束后EOC 为高电平。

7、OE ，输出允许控制端，控制输出锁存器的三态门。

当OE 为高电平时，
IN7
IN0
C B A
OE
IN3IN4IN5IN6IN7START EOC D3OE CLK VCC V R (+)GND D1
IN2IN1IN0A B C ALE D7D6D5D4D0V R (-)D2
转换结果数据出现在D7～D0引脚。

当OE为低电平时，D7～D0引脚对外呈高阻状态。

8、C、B、A，８路模拟开关的地址选通信号输入端，3个输入端的信号为000～111时，接通IN0～IN7对应通道。

9、VR（＋）、VR（－）：分别为基准电源的正、负输入端
三、ADC0809与单片机接口电路
图4-3 单片机与A/D转换连接电路
显示电路
采用74LS164与单片机相连，如图4-4所示。

进行I/O口扩充，并通过74LS164与LED连接达到显示的目的。

74LS164是8位串入并出移位寄存器，当单片机串行口工作在方式0的发送状态时，（RXD）送出，（TXD）送出。

在移位时钟的作用下，串行口发送到缓冲器的数据一位一位的移入74LS164中。

需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入的过程中，其输出端的状态会不断地变化，故在某些固定的场合，在74LS164的输出端应加接输出三态控制。

其传输方式采用串行口方式0的数据传送，可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。

串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据，或者通
过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据，在串行接收时，则由RI查询来确定何时接收下一帧数据。

无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制寄存器SCON进行初始化。

在方式0中，将00H送SCON就可以了。

显示采用四位共阴极LED静态显示方式，显示方式有温度值的十位、个位、小数位以及负位，（RXD）口来输出显示数据，从而节省单片机端口资源，（TXD）的控制下通过74LS164来实现4位静态显示。

就是每一个显示器都占用单独的具有锁存功能的I/O口用于笔画段字形代码。

只要把显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形代码，因此，使用这种方式单片机中CPU的开销较小。

图4-4 数码管与单片机的接口电路
4.4驱动控制电路
双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同。

图1为双向可控硅的基本结构及其等效电路，它有两个主电极T1和T2，一个门极G，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，所以双向可控硅在第1和第3象限有对称的伏安特性。

双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通，因此有四种触发方式。