课程设计（论文）单片机温度采集系统

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1、1 绪论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R

2、S-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

3、场总线（Fieldbus）技术的发展，目前现场总线已经从当初的420mA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

4、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MCS51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ADC0804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 采用两位的LED数码管实现对现场温

5、度的显示。（5）串行通信过程 基于RS-485串口通信协议，实现远距离通信。2 温度采集控制系统硬件设计温度采集及串口通讯是一个综合性系统。在本设计中以AT89C51单片机为CPU控制单元的核心，同时还包括了数据采集、数据存储、数据通信、LED显示等多个功能单元。2.1 温度传感器选择传感器是测控系统前向通道的关键部件，它也称换能器和变换器，一般是指非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电量（如压力、温度等）转换成与之对应的电量或电参量（如电流、电压、电阻等）输出的一种装置。2.1.1 热电阻热电阻是利用导体的电阻率随温度变化这一物理现象来测量温度的。几乎所有的物质都具有这一特性，但作为

6、测温用的热电阻应该具有以下特性：（）电阻值与温度变化有良好的线性关系；（）电阻温度系数大，便于精确测量；（）电阻率高，热容量小，反应速度快；（）在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质；（）材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。根据以上特性，常用的材料是铂和铜。铂易于提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，因此用铂电阻作为实现温标的基准器。2.1.2 铂电阻Pt100电阻式温度传感器 (RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上

7、升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,其中以白金(Pt)做成的电阻式温度传感器,最为稳定，耐酸碱、不会变质、相当线性.,被工业界采用。 Pt100温度传感器是一种以白金(Pt)做成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数, 在0630.750温度范围内，Pt100的温度-电阻特性： Rt = R0（1+at+bt）式中：a=3.96847 X 10-3 /； b=-5.847 X 10-7 /； Rt为在温度T下的电阻值；R0为在0时的电阻值。基于以上的分析，故该设计采用性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高的Pt100铂电阻，来实现对工业现场测点较为准确的测温。2.

8、2 信号调理电路所谓信号调理就是将传感器（或变速器）所输出的电信号进行放大、隔离、滤波等，以便数据采集模块实现对数据的采集。其中传感器是将被测量（通常为非电量）转换成电信号的信号转换元件，然而由于传感器的电气特性，其产生的电信号一般不可能直接接入至PC，必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠的采集。一般而言，信号调理是基于PC机的通用数据采集系统不可或缺的组成部分。2.2.1 隔离电路隔离是指使用光电耦合器或变压器等方法，在测试系统和被测试系统之间传递信号，以避免直接的电或物理连接。因为被测量常有瞬变或冲击现象，甚至足以损坏计算机和数据采集板，将传感器信号同计算机隔离起来，使系统安全得到了保

9、证。另外，通过隔离可以确保ADC卡的读数不致受到“地”电位或共态电压差异的影响。ADC卡每次采集输入信号时，都是以“地”为基准的，如果两“地”之间存在电位差，就可能导致“地”环路的产生，从而造成所采集的信号再现不准确。如果这一电位差太大，则可能危机到数据采集系统的安全，利用隔离技术就可以消除“地”环路并保证准确的采集信号。2.2.2 放大电路最常用的信号调理形式是放大，即将输入微弱的电信号放大至与多功能ADC卡的量程相当的程度，以获得尽可能高的分辨率。信号调理电路首先应将输入的微弱电流信号通过一个精密电阻，使之转换为电压信号，在对该电压信号进行调理和数字化。另外，信号调理模块应尽可能靠近信号源

10、、传感器或变送器，这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大，使信噪比得到改善。图2-1 信号调理电路本设计的信号调理电路如图2-1所示，它采用Pt100铂电阻作为工业现场温度测试点的传感器，将温度的变化转换为自身电阻值的变化，但该信号很小，为毫伏级，这里采用了一个电压跟随器，它的作用就是对信号进行隔离，改变输入输出电阻值，使阻抗匹配。它有效的提高了输入电阻值，降低了对输入的微小信号量的要求；同时它使输出电阻值减小，提高了电路的带负载能力。输出的采样信号的电压值为毫伏级，而ADC0804的电压值为伏特级，为了在量化时能准确的将采样值量化，需要加放大电路，这里采用了两级运算放大电路，LM741为比例

11、运放，靠调节滑动变阻器来改变运放的放大倍数，以确保输入信号经量化后得到准确的采样值，来进行后续的处理工作。2.3 数据采集接口数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理。它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数（A/D）转换，将连续的模拟信号量化。无论A/D 转换器的速度多快，A/D转换总需要时间。由此产生两个问题，第一，在 A/D转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。为减小误差，需要保持信号不变。第二，A/D转换器输出的数字量只能表明采样时刻的信号值，通过采样使输入的连续信号变成离散信号。2.3.1数据的采样与保持

12、在A/D转换过程中应该保持输入信号不变。采样/保持器（S/H）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定的时间内保持不变。采样/保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样/保持器的输出必须跟踪模拟电压；在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销为止。 图2-2 是采样/保持器的电路原理图。图中A1为高输入阻抗的场效应管组成的放大器，A2为输出缓冲器，开关K是工作方式控制开关。当开关K闭合时，输入信号Vin经放大器A1向电容充电，在此时为采样工作方式；当开关K断开时为保持方式，由于运算放大器的输入阻抗很高，因此在理想情况下，电容器保持充电的

13、最终值。图（a）图 (b) 图2-2 采样/保持器电路 2.3.2 A/D转换 所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器(Analog to Digital Converter 简称 ADC)，是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号的输入端可以是传感器（Sensor）或转换器(Transducer)的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛的应用。 该设计使用到ADC0804芯片，它是美国国家半导体器件公司生产的中速廉价8位CMOS逐次逼近型A/D转换器。它具有包括三态输出缓冲器的完整接口电路,可以直接与8位微处理器连接,在众多8 位并行输出ADC中输出特性具有相当的代表性。工作

14、状态：当和同时变低时，则转换器启动，当为0，表示转换结束。当要读数据时，和都变低，三态输出锁存器使能提供8位数字输出。连续转换：当A/D以自激模式工作时，将输入接地，输入与输出相连，和节点在电源接通以后，有一瞬间被置成低电平以保证正常工作。ADC0804芯片的引脚结构如图2-3所示： 图2-3 ADC0804引脚结构ADC0804各管脚功能：1）：芯片选择信号。2）： 外部读取转换结果的控制脚输出信号。为HI时，DB0DB7处于高阻抗；为 LO时，数字数据才会输出。3）：用来启动转换的控制输入,相当于ADC的转换开始(CS=0) 。当由HI变为LO时，转换器被清除；当回到HI时，转换正式开始。

15、4) CLK IN,CLK R：时钟输入或接振荡元件(R,C)，频率约限制在100KHZ1460KHZ,如果使用RC电路则其振荡频率为1/(1.1RC)。5）： 终断请求信号输出，低电平动作。6）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，直接加入VIN(+)、VIN(-)。7）AGND,DGND：模拟信号及数字信号的接地。8) VREF：辅助参考电压。9) DB0DB7：8位的数字输出。10）VCC：电源供电以及作为电路的参考电压。ADC0804采用+5V单电源供电，数字输入和输出满足MOS和TTL电平规范；转换时间100us，工作时钟可

16、外接，也可由芯片本身产生。A/D的时钟可以从CLK IN输入，典型值为64KHZ，或者外接RC网络构成自己的时钟（在CLK R和CLK IN之间接10K电阻，在CLK IN和地之间接150pF电容）。功能说明： ADC0804将输入模拟值转换成数字值输出到P1，使相对应的LED亮。如输入 3V，ADC0804的输出应为96H=10010110B，此数字信号送入AT89C51的P0，再由P0存入AT89C51的累加器，然后累加器再送至P1，使相对应的LED亮。 先将ADC0804的参考电压调整为2.56V。 从ADC0804的VIN接一个可变电阻器，由0V调到5V，根据其关系观察P1的LED变化

17、情形。2.4 CPU控制单元在温度采集和控制过程中，单片机是该系统的核心部件。它一方面要接收来自温度传感器的模拟信号，一方面要对这个信号进行处理、标度变换和显示，另一方面要响应串行通信中的呼叫请求。在单片机所实现的这些功能中，特别是数据采样和保持部分，需要单片机有比较快的运算速度，同时考虑选择机型的低价实用性和低功耗、低电压等性能，本设计采用Atmel公司的AT89C51芯片。2.4.1 AT89C51芯片 AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。1）主要性能：l 4KB可改编程序Flash存储器（可经受1

18、000次的写入/擦除）。l 全静态工作：0Hz24MHz。l 3级程序存储器保密。l 1288字节内部RAM。l 32条可编程I/O线。l 2个16位定时器/计数器。l 6个中断源。l 可编程串行通道。l 片内时钟振荡器。2）引脚功能说明：图2-4是AT89C51的引脚结构图，双列直插封装（DIP）方式封装。下面分别叙述这些引脚的功能。 (1) 主电源引脚Vcc：电源端。 GND：接地端。(2) 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的

19、输入端。 XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。 (3) 控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/，/VppRST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间

20、，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。 ：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 /Vpp：外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），则端必须保持低电平（接到GND端）。

21、然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端的状态。当端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。(4) 输入/输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7。 P0端口（P0.0P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在F

22、lash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 P1端口（P1.0P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。 P2端口（P2.0P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部

23、的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX DPTR指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。 P3端口（P3.0P3.7）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输

24、入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。复用功能如表2-1所列。表2-1 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）2.4.2 单片机的时钟电路MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡

25、电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。(1) 内部时钟方式利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激振荡器，如图2-5所示。晶振可在1.212MHz之间选择。MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体振荡器，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1和C2可在20

26、100pF之间取值，一般取30pF左右。(2) 外部时钟方式在由单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的使用外部振荡脉冲作为各单片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接引入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图2-6所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上拉电阻。CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图2-7所示。

27、图2-5使用片内振荡电路的时钟电路图2-7CHMOS型单片机的外部时钟方式图2-6 HMOS型单片机的外部时钟方式 2.4.3 复位电路和复位状态 MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。MCS-51单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位。(1) 复位电路MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位键两种方式。最简单的复位电路如图2-8所示。图2-8 简单的复位电路上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平的

28、要求一致，则可以将复位信号与之相连。(2) 复位状态复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC初始化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H0002H 3个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。P0、P1、P2、P3共有4个8位并行I/O口，它们引线为：P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7，共32条引线。这32条引线可以全部用做I/O线，也可将其中部分用做单

29、片机的片外总线。 控制线A、ALE地址锁存允许当单片机访问外部存储器时，输出信号ALE用于锁存P0口输出的低8位地址A7A0。ALE的输出频率为时钟振荡频率的1/6。B、程序存储器选择=0，单片机只访问外部程序存储器。对内部无程序存储器的单片机8031，必须接地。=1，单片机访问内部程序存储器，若地址超过内部程序存储器的范围，单片机将自动访问外部程序存储器。对内部有程序存储器的单片机，应接高电平。C、片外程序存储器的选通信号。此信号为读外部程序存储器的选通信号。D、RST复位信号输入 电源及时钟VSS端接地，VCC端接+5V，XTAL1和XTAL2接晶振或外部振荡信号源。如图 2-9 所示，本

30、设计采用内部时钟方式，在XTAL1和XTAL2之间连接了一个11.0592MHZ的晶体振荡器，与两个20PF的电容共同构成一个稳定的自激振荡器，来提供所需时钟信号。复位电路采用上电加按键复位方式，只有手动按下复位按钮电路闭合，RC回路充电，RESET引线端出现正脉冲，实现复位。图2-9 单片机时钟电路和复位电路2.4.4 总线结构单片机的引线除了电源、复位、时钟输入、用户I/O口外，其余引线都是为实现系统扩展而设置的，这些引线构成了单片机外部的3总线形式： 地址总线地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A7A0），P2口直接提供高8位地址（A15A8）。由口的位结构可知，M

31、CS-51单片机在进行外部寻址时，P0口的8根引线为低8位地址和8位数据的复用线。P0口首先将低8位的地址发送出去，然后再传送数据，因此要用锁存器将先送出的低8位地址锁存。 数据总线数据总线宽度为8位，由P0口提供。 控制总线MCS-51用于外部扩展的控制总线除了它自身引出的控制线RES、ALE、外，还有由P3口的第二功能引线：外部中断0和外部中断1输入线和，以及外部RAM或I/O端口的读选通和写选通信号和。2.5 LED数码管显示接口在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。2.

32、5.1 LED数码管介绍LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图2-10(a)为LED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应ag七段构成“”字形另一只发光二极管Dp作为小数点的显示。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数数码。图2-10 LED数码管LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共阳型两大类，如图2-10 (b)、(c)所示。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，ag、Dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端为低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。控制几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将

33、各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。2.5.2 LED数码管编码方式当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、g、Dp按某一顺序接到MCS51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、D7，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。例如要使共阳极LED数码管显示“0”，则a、b、c、d、e、f各笔段引脚为低电平，g和Dp为高电平，如表2-2所示。表2-2 共阳极LED数码管显示数字“0”时各管段编码D7D6D5D4D3D2D1D0字段码显示数Dpgfedcba11000000C0H0C0H称为共阳

34、LED数码管显示“0”的字段码，不计小数点的字段码称为七段码，包括小数点的字段称为八段码。LED数码管编码方式有多种，按小数点计否可分为七段码和八段码；按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；按a、b、g、Dp编码顺序是高低位的前后位置的不同，又可分为顺序字段码和逆序字段码。表2-3为共阴极常用字符段码表。表2-3 共阴极常用字符段码表字符Dp g f e d c b a段码（共阴）段码（共阳）00 0 1 1 1 1 1 13FHC0H10 0 0 0 0 1 1 006HF9H20 1 0 1 1 0 1 15BHA4H30 1 0 0 1 1

35、1 14FHB0H40 1 1 0 0 1 1 066H99H50 1 1 0 1 1 0 16DH92H60 1 1 1 1 1 0 17DH82H70 0 0 0 0 1 1 107HF8H80 1 1 1 1 1 1 17FH80H90 1 1 0 1 1 1 16FH90H2.5.3 LED数码管显示方式和电路设计LED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。 静态显示方式在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个8位I/O口控制，而且该I/O口须有锁存功能，N位显示器就需要N个8位I/O口，公共端可直接接+5V（共阳）或接地（共阴）。显示时，每一位字段码分

36、别从I/O控制口输出，保持不变直至CPU刷新显示为止。也就是各字段的亮灭状态不变。静态显示方式编程较简单，但占用I/O口线多，即软件简单、硬件成本高，一般适用显示位数较少的场合。 动态扫描显示方式当要求显示位数较多时，为了简化电路、降低硬件成本，通常采用动态扫描显示电路。所谓动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起，每一位的a段连在一起，b段连在一起g段连在一起，共8段，由一个8位I/O口控制，而每一位的公共端（共阳或共阴COM）由另一个I/O口控制。这种连接方式由于将多位字段线连在一起，当输出字段码时，由于多片同时选通，每一片将显示相同的内容。因此，要想显示不同的内容。必须采取轮

37、流显示的方式。即在某一瞬间时，只让某一片的字位线处于选通状态（共阴极LED数码管为低电平，共阳极为高电平），其他各片的字位线处于开断状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位暗。同样在下一瞬时，单独显示下一片，这样依次轮流显示，循环扫描。由于人的视觉滞留效应，人们看到的是多位同时稳定显示。本设计LED采用共阴极接法，如图2-11所示，显示器的8段码通过8个1K的限流电阻和7406型反相驱动器接到AT89C51的P1口， 1K的电阻起到了限流作用，使LED在额定电流内正常工作，7406型反相驱动器作为字位锁存器，来增加数码管的显示驱动能力，以提高显

38、示亮度。这里采用动态扫描方式，将显示各位的所有相同字段线连在一起，由74LS138来实现位选，位选端分别接到Y2和Y3引脚上，由单片机的P2.4、P2.5、P2.6控制Y2、Y3的选通。在某一瞬间，只让一片字位线处于被选通状态，循环扫描，轮流显示。 图2-11 LED显示电路2.6输出驱动电路2.6.1 光电耦合器集成隔离放大器的输入“地”、输出“地”、电源“地”之间有极好的隔离性能。一般具有极高的抗共模电压能力和极高的共模抑制比。所谓隔离，就是切断前面所讲的三个“地”之间一切电流或电阻的联系。集成隔离放大器按隔离手段分成两种类型，一种是变压器隔离放大器，另一种是光电隔离放大器。集成隔离放大器

39、应用于信号采集系统可以起到非常好的抗干扰作用。可以实现从高共模电压中采集到微弱的低电平信号。另外也可以实现将传感器检测的信号与计算机或数字系统隔离保护以保证系统安全工作。光电耦合器在电路中的主要作用是把高压电路和控制电路进行电气隔离。典型的光电耦合器内部等效电路如图2-12（）所示，图2-11（）为光电耦合器的基本电路，由内部等效电路可知，光电耦合器主要由光源（即发光二极管）和光敏器件（即光电池、光敏晶体管、光敏晶闸管等）组成。最通用的光电耦合器是把一个发光二极管LED和一个光敏晶体管VT封装在一个完全与外界光线隔离的外壳中。光电耦合器的工作过程简述如下：当有电流流过LED时，便产生一个光源，

40、光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的光敏晶体管VT上后，控制VT产生一个与LED正向电流成正比的集电极电流。图2-12光电耦合电路光电耦合器的基本特性如下：1) 共模抑制比在光电耦合器内部，由于发光管和光敏管之间的耦合电容很小(2pF以内)，所以共模输入电压通过级间耦合电容对输出电流的影响很小，因而，共模抑制比很高。2) 输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所置偏压VC与输出电流IC之间的关系。当IF0时，发光二极管开始发光，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VC无关，IF和IC之间的变化成线性关系。当在集电极或发射极串接一个负载电阻RL后，即可

41、获得输出电压。3) 电流传输比光电耦合器光敏管的集电极电流IC与发光二极管的注入电流IF之比称为电流传输比CTR。对于微小变量输出电流IC与注入电流IF之比称为微变电流传输比。对于线性度比较好的光电耦合器，以上两者近似相等。晶体管输出光电耦合器的CTR可达150。4) 隔离性能光电耦合器的发光二极管和晶体管之间的隔离电阻为10101011，隔离电压为5001000V，有的可达10KV，隔离电容小于2pF。光电耦合器可线性工作，也可工作于开关状态。在电源的驱动电路中，光电耦合器一般用来传递脉冲信号，所以光电耦合器工作于开关状态。在光电耦合器的电路中，负载电阻RL的大小影响光电耦合器的相应时间，R

42、L越小，光电耦合器的响应时间越短，所以在实际应用中，在光电耦合器允许的集电极电流范围内，应尽量减小负载电阻以提高光电耦合器的响应速度。2.6.2 继电器输出继电器是利用电磁原理、机电原理或热电等方法实现自动接通、断开一个或一组触点，完成电路的通断功能。继电器的种类和型号很多，且有不同的分类方法，按继电器的原理或结构特征分，有电磁继电器、热继电器、舌簧管继电器、固体继电器等几十种。且有些类别的继电器又可分为不同种别，如电磁继电器按其控制电流的不同可分为：直流型、交流型和磁保持型三种。电磁继电器是最常见的也是应用最广泛的一种继电器，工作原理如下：电信号通过线圈产生磁场，该磁场将衔铁吸合，衔铁带动触

43、点使两触点断开或吸合，当电信号消失后，线圈磁场消失，衔铁在弹簧作用下恢复到原来位置，触点也随之复原。电磁继电器的特点：1） 开关阻比大。触点闭合时，其接触电阻一般都在0.1一下，非常小；其断开 时的绝缘电阻达10M以上，因而，它的绝缘电阻与接触电阻比（开关阻比） 比其他类型的继电器大。所以电磁继电器有良好的通断性能。2）负载特性好。负载特性是指当工作气隙不变时，继电器衔铁吸力和安匝间的关系。因电磁继电器的输入部分和输出部分无电磁方面的直接联系，所以输入电路不受负载电路变化的影响。3） 热稳定性好。因为输入回路的线圈参数受温度变化的影响小，故热稳定性好。4） 功率放大系数大。因电磁继电器可以用很

44、小的输入功率直接控制被控回路的 输出功率，故输出功率与输入功率之比大。电磁继电器使用注意事项：1）电磁继电器的动作电流一般为几十毫安，应注意对它的驱动。利用晶体管等进行驱动时，必须在线圈两端反向接钳位二极管，以保护驱动器件。2）电磁继电器选用时应考虑触点所带负载的性质与容量，其次要考虑驱动线圈的电源电压及驱动能力。3）电磁继电器触点动作时有时会产生火花，必须注意此干扰对系统的影响，必要时应采取屏蔽等相应的抗干扰的措施。图2-13所示电路为输出电路 图2-13 输出电路上图为本设计的输出电路，由单片机的P3.4引脚来实现输出控制，当P3.4为低电平时，发光二极管两端加上正向电压，发光二极管有电流

45、通过发光，使光敏三极管内阻减小而导通。给9031型三极管的基极提供了一个正向电压，使发射结处于正向偏置状态，继电器得电，其常开触点吸和，继电器动作，使外围加热设备进行加热。当P3.4为高电平时，发光二极管两端不加正向电压或所加的正向电压很小，发光二极管中无电流或通过电流很小，发光强度减弱，光敏三极管内阻增大而截止。9031型三极管处于截止状态，继电器不得电，其常开触点断开。图中二极管D1起到了限流的作用。2.7串行通信接口 “串行通信”是指外设和计算机使用一根数据线（另外需要地址线，可能还需要控制线），数据在数据线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据

46、线少，在远距离通信中可以节约成本，但传输速度比并行传输慢。2.7. RS485电气特性RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线的电压差为（26）V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为（26）V表示。在RS-485中有一个“使能”端，“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态。收、发端通过平衡双绞线将A、A与B、B对应相连，当在收端AB之间有大于220mV的电平时，输出正逻辑电平，小于220mV时，输出负逻辑电平。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS-485的数据

47、最高传输速率为10Mbps。RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。RS-485接口的最大传输距离为1200米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便的建立起设备网络。RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS-485接口组成的半双工网络，一般只需要两根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。平衡传输方式都需要在传输线上接终端电阻等。RS-

48、485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备（RS-422是10个）。2.7.电平转换MAX485芯片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。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，采用RS-485协议进行远距离传送。RS-485是串行通信接口标准，它是

49、美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发制定的通信协议。由于EIA-RS-485采用负逻辑，且EIA电平与TTL电平不一样。因此，为了能使计算机接口或终端的TTL器件连接，需要进行电平转换。本设计采用MAX485接口转换芯片，将RS-232转换成RS-485协议进行远距离传送。MAX485是用于RS-485和RS-422通信的小功率收发器，含有一个驱动器和一个接收器。收发器的工作电流在120500A之间。MAX485是为半双工应用设计的。工作电源为单一方式5V。具有限流和热敏控制电路为驱动器，提供过载保护。在这两种过载情况下，都将使驱动器的输出端置于高阻状态，接收器亦具有安全特性，

50、以便当输入端开路时接收器的输出保持为高电平。MAX485引脚结构如图2-14所示： 图2-14MAX485引脚结构MAX485引脚说明如下：1）RO： 接收器输出端。若A大于B200mV, RO为高；若A小于B200mV, RO为低。2）：接收器输出使能端。当为低时，EO有效；当为高时，EO为高阻状态。3）DE： 驱动器输出使能端。当DE为高时，启动器输出有效；DE为低时，为高阻态。如果DE有效，器件将作为线驱动器，若A、B为高阻状态且为低，器件将作为线接收器。4）DI： 驱动器输入端，DI为低时，则输出A低，输出B高；DI为高时，输出A高，输出B低。5）GND：地。6）A：同相接收器输入和同

51、相驱动器输出端。7）B：反相接收器输入和反相驱动器输出端。8）Vcc：正电源输入端4.755.25V。MAX485驱动器、接收器功能表见表2-4，表2-5：表2-4 MAX485发送功能表发送功能输入输出DEDIBAX1101X101000X高阻高阻10X高阻高阻 表2-5 MAX485接收功能表接收功能输入输出DEABRO000.2V100-0.2V000输入开路110X高阻MCS-51单片机串行接口为全双工，即它可以同时发送和接收。两个串行寄存器通过特殊功能寄存器SBUF来访问，即写入SBUF装入发送寄存器。读SBUF访问物理上分开的接收寄存器，两个缓冲器共用一个地址99H。在发送和接收端

52、都进行协议转换后，RS-485协议对数据传送来说是相对透明的，所以依然可以使用计算机中的RS-232进行远距离的数据传送和控制。在最简单的RS-232直接传送通信系统中，只要发送和接收双方同时准备好，仅用信号发送端(TXD)，信号接收端(RXD)和信号地(GND)3根线即可进行通信；若以应答方式进行数据通信，可使用请求发送(RTS)、清除发送(CTS)或数据终端准备(DTR)、数据装置准备(DSR)进行硬件握手。在AT89C51单片机系统中，分别从P3.0和P3.1引出串口线RXD和TXD通过专用的电平转换芯片转换成RS-232接口标准的电平，这样，二者之间就可以通过RS-232接口进行数字信

53、号的传送。单片机也可以以直接传送或应答握手的方式进行数据通信，但由于握手方式占用其他的端口，而单片机的端口数量有限，所以，计算机与单片机的通信常采用直接传送的方式。2.7.3 RS485的可靠性注意问题实践证明，在构成RS-485总线网时，要使系统有高可靠性，通常需要考虑下列几个问题。1） 传输线的选择和阻抗匹配在差分平衡系统中，一般选择双绞线作为信号传输线。双绞线价格低廉，使用方便，两条线基本对称，外界干扰噪声主要以共模方式出现，对接收器的差动输入影响不大。信号在传输线上传送时，如果遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象。传送的数字信号包含丰富的谐波分量，如果传输线阻抗不匹配，高次谐波可以通过

54、传输线向外辐射形成电磁干扰（EMT）。双绞线的特性阻抗一般在110130之间，通常在传输线末端接一个120电阻进行阻抗匹配。2） 隔离RS-485总线在多站连网时，相距较远的不同站之间的地电位差可能很大，各站若不加隔离地直接连网很可能导致接口芯片的损坏，尤其是接收器芯片。解决这一问题的一种简单有效的办法是将各站点的串行通信接口电路与其他站进行电气隔离，如图2-15所示。实践证明，这是一种有效的办法。图示电路可以用分离的高速光耦合器件、带隔离的DC/DC电源变换器与RS-485收发器组合而成，也可以采用专门的带隔离的收发器芯片。MAXIM生产的MAX1480B是具有光耦合的RS-485接口芯片，

55、片内包括收发器、光电耦合器及隔离电源，单一的+5V电源供电，使用十分方便。 图2-15 光电隔离的 RS-485 总线3） 抗静电放电冲击RS-485接收器差分输入端对地的共模输入电压范围-7+12V，超过此范围时器件可能损坏。接口芯片在安装使用过程中，可能受到静电放电冲击，例如人体接触芯片脚引起的静电放电，其电压可以高达+35KV。静电放电会影响电路的正常工作或导致电器件损坏。解决的办法是选用带静电放电保护的RS-485接口器件，例如MAX1487E、MAX483E491E、SN75LBC184等。这些器件对于抗其他类型的高共模电压干扰也有效，例如雷电干扰。解决这一问题的另一个办法是在传输信

56、号线上加钳位电路。4） 传输线的铺设及屏蔽在系统安装时，应尽量做到传输线单独铺设，不与交流功率线一起铺设在同一条电缆沟中。强信号线与弱信号线避免平行走向，尽量使二者正交。如果这些要求很难实现，也要尽量使信号线离干扰线远一些，一般认为两者的距离应该为干扰导线内径的40倍以上。如果采用带有屏蔽线的双绞线，将屏蔽层良好的接大地，也会得到良好的效果。3 温度采集控制系统软件设计 在本设计中软件要解决的主要问题，就是传感器输出信号转换成温度值控制输出的过程。程序开始执行时最先进入的是初始化子程序，这部分实现的功能包括各种I/O口输入输出状态的设定，串口工作状态的设定，有关中断使能的设定，各存储器地址的定

57、义等的设置等。3.1 主程序3.1.1 程序说明这是一个综合硬件设计控制系统。利用显示电路、A/D转换电路、单片机实现温度过程控制的系统。加热电机用加热电阻代替,制冷采用自然冷却。本设计可以实现将模拟温度信号，转换成数字信号，并经过计算处理后通过LED动态显示电路以十进制形式显示出来，同时显示电路还将显示设定的恒温值。设恒温值为在50，该系统可以对温度进行实时过程的监控。当实际温度低于设定的恒定温度2时，单片机发出指令信号，继电器吸合，加热电阻开始加热。当温度超过设定的恒温值2时，单片机发出指令信号，继电器断开，加热电阻停止加热；制冷过程采用自然冷却。3.1.2 流程图主程序框图如图3-1所示

58、。开始开CPU中断显示程序系统初始化 图 3-1 主程序流程图3.2 模数转换程序标度变换说明:本设计是模拟温度的显示，温度经过热敏电阻转换为电压信号，经放大器放大后进入单片机进行A/D转换成数字量后输出到动态显示部分，显示其温度值。 其中温度范围的计算原理：首先选取两个温度状态T1T2，分别测量出其模拟输出电压V1V2，根据ADC0804的输入范围在0到5伏，即可计算出温度极限。0伏时对应的温度TL：T1-（V1-0）（T2-T1）/（V2-V1）5伏时对应的温度TH：T1-（V1-5）（T2-T1）/（V2-V1）本设计中近似计算TH为100，TL为0。程序中温度的计算原理：首先用温度范围

59、除以0到256（即每个十六进制数的温度增长率），然后乘以模拟转换的数字量，即得到升高的温度，再和最低温度相加，就可以得到实际的温度值。其公式为：TL+AX（TH-TL）/256关中断开中断读A/D转换保存到缓冲区结束A/D转换中断TL：显示的最低温度TH：显示的最高温度AX：模拟电压所转换的数字量标度变换图示，见图3-2图3-2 标度变换图示A/D转换过程的流程图如3-3所示图3-3 A/D转换流程ADC0804的与AT89C51 的P3.2脚及INT1相连，当A/D转换结束时，发出中断申请，单片机响应中断读取A/D转换结果。 3.3 LED显示程序 本设计采用2位LED数码静态显示，显示温度

60、范围从0到99，字段码放在LEDLAB中，采用查表方式，偏移量加首址查得对应的字形代码。当定时器T0定时时间到，采样电路进行采样，采样结果经信号调理电路处理后，送入A/D转换，经标度变换后显示。整个过程见图3-4所示：关中断赋定时器初值标度变换送显示缓冲区控制输出开中断返 回启动A/D转换定时器T0中断 图3-4 LED显示3.4 输出驱动程序本设计是对工业现场温度的采集和控制，设现场恒温值为在50，当实际温度低于该设定的恒定温度2时，单片机发出控制命令信号，继电器动作吸合，外部加热电阻开始加热。当温度超过设定的恒温值2时，单片机发出命令信号，继电器断开，加热电阻停止加热；制冷过程采用自然冷却

61、。3.5 串口通信程序 串行通信的信息传输在一个方向上只占用1根线。在1根通信线上既传输数据又传输联络控制信息是串行通信的特点。因此，串行通信有着一系列通信协议和规程。3.5.1 串行通信协议通信协议是对数据传输方式的规定，通信双方必须遵从统一的通信协议。AT89C51串口与各智能模块的通讯按各自定义的通讯协议进行通讯，其过程如下：1) 首先使所有从机的SM2位置，以使其处于只接收地址帧的状态。2) 控制卡先发一地址信息，其中8位为地址，第9位为地址/数据信息的标志位，该位置1表示该帧位地址信息。3) 从机接收到地址帧后，各自将接收到的地址与从本机的地址比较。对于地址相符的从机，使SM20，以接收主机随后发来的所有信息；对于地址不相符的从机，使SM2=1,继续执行采集和其他任务。4) 当从机发送数据结束后，发送一帧校验和,并置第9位（TB8）为1，作为从机数据传送的结束标志。5) 控制卡接收数据时先判断数据结束标志（RB8）,若RB8=1,且校验和正确，则回送正确信号00H，此信号可令该从机复位，重新采集数据，等待地址帧。若校验和出错，则送0FFH，令该机重发数据，如果重发5次还不行，则认为失败，转其它地址。若接收帧RB8=