单片机课程设计说明书 多点温度采集电路设计

单片机课程设计说明书题目：多点温度采集电路设计
课程设计（论文）任务书
I、课程设计(论文)题目：
多点温度采集电路设计
II、课程设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：
1．设计一个基于单片机的多点温度采集电路，至少可采集8个点。

2．测温范围:0℃-800℃。

3．采用LED数码直读显示检测点、温度。

4．温度分辨率:1℃。

5．应用protel画出原理图，给出硬件清单。

II、课程设计(论文)工作内容及完成时间：
5月21日至5月23日：查找资料，方案论证；
5月24日至5月25日：总体设计；
5月25日至5月30日：软、硬件详细设计与调试；
5月31日至6月1日：整理数据，撰写报告。

Ⅳ主要参考资料：
1.曹天汉.单片机原理与接口技术.北京:电子工业出版社,2006.
2.求是科技.单片机典型模块设计实例导航.北京:人民邮电出版社,2004.
3.李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础(修订本).北京:北京航空航天大学出版社,2001.
4.传感器电路分析与设计李道华、李玲、朱艳.武汉大学出版社,2000.
专业类班
学生：
日期：自2012年5月21日至2011年6月1日指导教师：
助理指导教师(并指出所负责的部分)：
教研室主任：
附注:任务书应该附在已完成的课程设计说明书首页。

目录
△、设计摘要 (1)
一、设计背景 (2)
1.1 课题背景 (2)
1.2 课题的目标及意义 (2)
1.3 主要研究内容 (3)
二、设计准备 (4)
2.1设计时间安排 (4)
2.2设计需求 (4)
2.2.1 所需元件 (4)
2.2.2 部分元件解析 (4)
三、设计分析 (11)
3.1 总图展示 (11)
3.2 线口说明 (11)
四、设计总结 (16)
参考文献 (17)
△设计摘要：
温度（Temperature）是表示某物体在某一环境下对冷热的反应程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度的表现。

温度量常运用于生活之中，尤其是在物理学、生物学、化学以及其相联系的产业。

本次的设计主要是针对工业中的多点温度采集，对于工业中一些测量范围不是很大但精确度中等的一些服务需求，可以运用设计的多点温度采集电路进行简单的温度界定和测量，并做出反馈。

多点温度采集电路（Collection Circuit of Multipoint Temperature Acquisition）是基于单片机基础上的温度数据采集系统，通过白热电阻作传感器通过中间芯片转换后形成数显数据。

设计出的电路具有高精度，高稳定性的输出。

同时，本设计含有AT89S51主版块，温度信号接收电路（具有滤波，平衡等功能）、信号调制电路、A/D转换电路、显示电路共四个分板块，实现了多信号智能输入，智能表达的功能。

该设计还拥有5个LED数码显示管，可以准备地表达某一路温度点的温度值，以实现多路对比的功能，更加确保数据的正确度和精准度，大大提高其精密度！
关键词：多路温度采集、AT89S51、LED数显、A/D转换
一、设计背景
1.1 课题背景
随着计算机技术的发展，工业计算机控制系统的应用已非常普及。

而智能仪表和现场总线等技术的引入则代表着一个网络时代的到来，成为工业控制的主流。

在以单片机为基础的数据采集和实时控制系统中，通过计算机中的RS-232接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传送，就可以利用计算机对生产现场进行监测和控制。

但是由于计算机上的RS-232所传送的距离不超过30m，所以，在远距离的数据传送和控制时，可以用MAX485的接口转换芯片将RS-232转换成RS-485协议进行远距离传送。

目前国际上已经出现多种现场总线通讯规范及相应的通讯接口软件，但其系统造价对国内大量中小企业来说仍显过高。

而RS-485总线技术以其构造简单、维护容易、造价低廉和硬件资源丰富等特点，仍在低成本的中小型计算机控制系统中占据重要一席。

故本设计选用基于RS-485的通讯接口规范，实现对远距离工业现场的温度信号的采集控制。

1.2 课题的目的及意义
温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，在冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的处理温度等均需要对温度严格控制。

随着现代信息技术的飞速发展和传统工业的逐步实现，由微机构成的温度测控系统已在众多领域被采用。

该课题就是解决对工业现场温度信号的采集控制和传输问题。

伴随着计算机技术和网络技术的发展，工业参数的数字采集促进了现场总线（Fieldbus）技术的发展，目前现场总线已经从当初的4~20mA电流信号加载数字信号，发展成为全数字通讯，解决了现场信号远距离高速传送问题，而且提高了抗干扰性能，增加了系统配置的灵活性，节省了硬件投资，是未来生产自动化和过程控制的发展方向。

较有影响的总线有：CAN.LONWORKS.PROFIBUS.FF等。

虽然这些总线无主从方式工作，速度较快、网络支持较完善，但系统造价高，应用受到限制。

而RS-485总线主机调度网以其制造容易、造价低、软硬件丰富、配置灵活等特点，得到了广泛的应用。

它不仅具有良好的抗噪声干扰性，较远的传输距离，而且它可以实现多点互联，还可以实现全双工通信，因此对远程温度
采集控制系统的研究具有现实的意义和实际的价值。

1.3 主要研究内容
本设计是针对MCS—51型AT89C51系列单片机在采样、比较和控制方面的应用。

本课题研究的主要内容是：
（1）温度检测过程
该环节使用铂电阻Pt100为测温元件，Pt100具有性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高等优点，可以实现较为准确的测温。

（2）数据的采集和转换过程
数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理，采用AD1674实现由模拟量到数字量的转换。

（3）温度控制过程
采用中断的方式，当A/D转换结束，发出中断请求，单片机响应请求，驱动继电器动作，进行加热或冷却的处理。

（4）显示过程
采用5位的LED数码管实现对现场温度的显示（2位为通道显示，3位为温度显示）。

二、设计准备
2.1 设计时间安排
A、5月22日接受课程设计任务及说明书；
B、5月23日~25日寻求需要的资料和软件，学习Protel 99 SE画图软件；
C、5月26日收集硬件需求信息，并且标清硬件芯片上的线口信息；
D、5月27日~28日进行初阶段的联线，并进行校核验算；开始画图
E、5月29日，硬件最后分析检查，交予老师审核；
F、5月30日，完成最后的图纸和设计说明书；
G、6月1日，完成课程设计。

2.2 设计需求
2.2.1 所需元件
AT89S51芯片一块，AD1674芯片一块，CD4051芯片两块，12MHz晶振一片，传感元件（热电阻）、放大器、电阻、电容、导线若干。

2.2.2 部分元件解析
A、AT89S51
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes
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，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

管脚说明：
VCC：电源电压输入端。

GND：电源地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入）
P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。

除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

RST：复位输入端，高电平有效。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，
此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：外部程序存储器访问允许。

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。

B、AD1674
在需要高精度的数模转换的应用领域, 采用10位或12位的A /D转换器与采用8位的A /D 转换器的接口技术是完全不同的. 在12 位A /D 转换器中AD1674 应用比较普遍. AD1674是12 位逐次逼近型ADC, 它是ANALOG DEVICES公司在其原有的12位A /D转换器AD574、AD674和AD774系列的基础上改进而来的, 除了在转换速度上有很大提高外, 还增加了采样保持器的功能. 正确设计8位单片机与12位A /D 转换器AD1674的接口电路是能否实现高精度A /D转换的前提.
引脚展示：
C、CD4051
CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V 的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。

只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。

其中VEE可以接负电压，也可以接地。

当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。

三、设计分析
3.1 总图展示（如上图） 3.2 线口说明
3.2.1 测温电路
该电路采用的是利用多个热敏电阻进行多个间断段的温度信号采集，这里只画出一个，一共有16个相类似的测温电路单
元。

测温电路主要包括三个部分：传感器电路、滤波电路和信号放大电路。

传感器电路就是热电阻测温电路，（每个单元都一样）其主要由热敏电阻一片、辅助电阻三片（四电阻构成平衡电桥，稳定输出），稳定直流电压、平衡电阻
一个，通过平衡电桥作用稳定输出。

滤波电路则是用于对测量得到的电压进行过滤，主要由四个单向二极管和两个平衡电容组成，这个电路可以有效屏蔽部分杂合的电压流。

最后就是放大电路，把接受过来的微弱信号（电流）通过整流放大，使信号达到0^5V左右，能够被CD4051识别。

主要的元件则是放大芯片。

Vcc = 5V。

3.2.2 数模转换电路
数模转换电路主要由两个
部分组成：CD4051×2（多路
控制芯片）、AD1674（模拟信
号转换为数字信号）。

CD4051是多路控制开关。

由于我们从测温电路中获取
的电压范围值为0~5V，信号相
对较多，因此，为了确保显示
的准确性，我们需要把信号通
过多路控制开关进行调配。

首先需要一个稳定的直流
电压输入，VDD为稳定12V电
压输入口；1、3、4、6、7、8、9、10,8个为信号通道口，可以进行电信号的输入和输出（两芯片共16个线口均与AD1647的10V输入口串联（AD1647图的25
号端口））；12、14、16口为
信号控制口，可以用于对信
号通道的选择（与AT89S51
的P1.2、P1.3、P1.4、P2.0、
P2.1、P2.2信号控制口相
连）；3号口用于控制信号的
是进还是出（与AT89S51的
信号控制口相连）；11号口
控制点信号的中断（与
AT89S51的P1.0、P1.1信号
控制口相连）；13、15接地。

通过这两个芯片，可以把采集的温度分为16个线口，可实现对16个点位的温度信号采集。

可以大大减缓处理器的解调压力，为AD1674提供更稳定的模拟信号。

AD1674一共含有28个针口，它有12位数字传输通道，可以输出212（4096）个8421BCD码数据，满组我们的设计需求。

首先，4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26共12个通道口与AT89S51（P0.0~0.7+P2.3~2.6）相连，形成交互数据端；STS接入AT89S51的读写控制口；5、23、25、28接地；3口接AT89S51控制通道输出，常为1；7、9、11口接低电平。

总控制芯片为AT89S51单片机，除了以上接线外，在左下角要补充接一个晶振给单片机；4、6、8、10、12、14、16、18为对LED显示屏的熟虑输出口；26、28、30、32、34为对LED显示屏的选择信号通道口。

在这里AT89S51中需要注入程序，通过程序可以直接实现程序的自动控制和采集信号，很大程度实现了自动调节、自动梳理的功能。

当写入程序后，RST、RXD、TXD端口可以直接通过程序的定时设计时间，不再需要通过端口控制（当然，也可以外加一个时间控制芯片来控制AT89S51，不过就加大了设计的复杂性和不稳定性，因此这里不使用）。

分别为DS001~DS005五个LED数码显示管，我们用DS001和DS002作为通道显示，DS003、DS004、DS005作为温度的显示管道。

此外，由于我们采用的是动态的数码显示，可以采用单通道多线口输出，利用通道控制线端来选择通道输送数据，达到类静态显示的效果（利用人肉眼光线接受的反应时间差），因此，各个数码
管的a\b\c\d\e\f\g线可以对应相连，
达到一个输出线口对应5个输入线口。

四、设计总结
做了两周的课程设计，有很多的心得体会，有关于单片机方面的，更多的是关于人与人之间关系方面的。

我们组一共有24个人，但其我们还分了3个小组的，每个小组又有自己具体的分工。

第一组的主要任务是LED数码管的显示，第二组是A/D转换控制那块，第三组也就是我那小组主要任务就是连接A/D转换和数码管，组长陈新源负责统筹，当然他的任务是最重的了。

因为是是以小组为单位来开展和完成实习的，所以，在团队中相互协调是极为重要的，当然团队精神也是不可或缺的部分。

我们这大组的实训任务主要是用protel软件画电路图和设计出硬件结构。

但是由于我们没有接触过protel画图软件，因此在实习的前断时间我们是要学习这软件的应用，以便画出硬件图。

实习开始的前两天我们主要是接受课程设计任务以及去图书馆和网络上查找相关资料，最后就是小组任务分配。

我是以在网络寻找资料为主，当然也是在看单片机课本的，由于课程时间的原因，老师没有讲解《单片机原理及应用》（张毅刚第二版）的第10章AT89S51单片机与输入/输出外部设备的接口是没讲解的，因此我们在指导老师梁老师的指导下，自学第一节LED数码管的显示原理部分，复习了A/D转换器接口部分。

在梁老师的指导和根据课程设计要求的前提下，我们选择的是AT89S51型单片机和在需要高12 位A /D 转换器中AD1674 选择了5个8段LED数码显示管。

课程设计主要是在寝室完成的，因为我们需要用电脑绘图，再则我们不需要调试。

所以我课程设计任务书下发第二天就下载了protel电气绘图软件，并且观看视频学习。

之后就Protel绘图软件安装，汉化，开始绘图。

结果遇到了问题，只能画出一些线条和不规则图形，而元件库无法调出使用！
经过找组员求解以及百度知道，得知win7系统是无法打开protel绘图软件元件库的。

所以我就放弃了protel绘图了，让xp系统的队友去画了。

我继续看书学习、以及查找资料直到完成。

我觉得我们组的团队精神是很不错的，只要安排了任务，大多都会尽力而为的，组员之间也是很和气相处，不会因为谁少做了点而忿忿不平，也不会因为自己多做了事情而骄傲狂妄。

总之，我认为这次课程设计我们小组是成功的，不管是管理组织上还是任务完成，亦或是小组成员之间的和谐。

这两周收获颇多，不但是知识上的收获，还有组长、组员的为人处世都有很多我学习的地方。

参考文献
1、高等教育出版社《单片机原理及应用》（第二版）
张毅刚彭喜元彭宇编著
书号：ISBN 978-7-04-029090-5
2、清华大学出版社《微型计算机控制技术》（第2版）
于海生丁军航潘松峰吴贺融编著
书号：ISBN 978-7-302-20238-7
3、高等教育出版社《传感器与自动检测技术》
余成波主编
书号：ISBN 978-7-04-027306-9
4、咸宁学院晚报第26卷第3期2006年6月
《12位A/D转换器AD1674的单片机接口技术》
钱灿荣聂东
文章编号：1006-5342（2006）03-0080-03
5、百度文库，百度百科
17。