商检技术专业毕业设计（论文）基于单片机的水塔水位控制器设计

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1、 河南质量工程职业学院毕业设计题 目：水塔水位设计 系 别：机电工程系 专业班级：商检技术 班 级： 学生姓名： 指导老师： 设计时间： 2012年3月13 日 河南质量工程职业学院毕业设计任务书班级学生姓名指导教师毕业设计题目水塔水位控制主要研究内容利用单片机设计并制作一个水塔水位控制器，可以顺利的控制水位高度，主要技术指标或研究项目1.供电电源为+5V。 2.测温范围在0100之间3.电路可插入微机（PC）的任何一个插槽，用于温度信号检测。4.报警器“BL 间歇频率约为1Hz。基本 要求1.当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备2.在实际应用中工作性能稳定，测量温度准确，精度

2、较高。3.所作的系统能够流利的控制水位的高度。主要参考资料及文献1余成波、胡新宇、赵勇传感器与自动检测技术.M 北京：高等教育出版社2杜虎林 电工电子通用元器件检测技巧.M 北京：中国电力出版社3孙津平 数字电子技术.M 西安：电子科技大学出版社4模拟电子技术.M 西安： 西安电子科技大学出版社5孙余凯、项绮明、吴鸣山轻松解读数字使用电路.M 北京：电子工作出版社摘要温度测量与控制在社会的发展而广泛的使用。利用单片机技术的温度测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。本文对该测控系统进行了分析设计。首先，设计针对系统所使用的单片机的性能和发展情况做了简单介绍；对系统使用的模/数转换芯片ADC0

3、809做了性能方面的简单说明；同时对测量温度在-55150之间的集成型恒流测温元件AD590做了介绍。其次，论文重点对测控硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计。对各部分的电路一一进行了介绍，最终实现了该系统的硬件电路。绘制了电路原理图，绘制了印制电路板图，并将制成的线路板焊接上了元件，完成了硬件调试。根据硬件的设计和测控系统所要实现的功能，本设计对软件也进行了一一设计，并经过反复的模拟运行、调试，修改简化了软件系统，最后形成了一套完整的程序系统。关键词： 单片机、ADC0809、AD590、软件系统、硬件系统AbstractThe temperature survey and the

4、 control in profession and so on industry, agriculture, national defense has the widespread application. Using monolithic integrated circuit technology temperature observation and control system by its volume small, the reliability is high but is widely used. This article has carried on the analysis

5、 design to this observation and control system.First, this article the monolithic integrated circuit performance and the development situation which used in view of the system has made the simple introduction; To system use mold/Number transformation chip ADC0809 has given the performance aspect sim

6、ple explanation; Meanwhile to surveyed the temperature to make the introduction in -55 150 between integration constant flow temperature element AD590.Next, this article key to observe and controlled the hardware, the software composition carries on the sub-item, the modulation has analyzed the desi

7、gn gradually. 11 has carried on the introduction to each part of electric circuits, finally has realized this system hardware electric circuit. Has drawn up the electric circuit schematic diagram, has drawn up the printed circuit board chart, and will make in the line board welding the part, has com

8、pleted the hardware debugging. Function must realize which according to the hardware design and the observation and control system, this design has also carried on 11 designs to the software, and after the repeatedly simulation run, the debugging, the revision simplified the software system, finally

9、 has formed set of complete software. Key words： MCU, ADC0809, AD590, software system, hardware system目录1 引言62 单片机多通道温度采集测控系统分析与设计62.1 总体分析62.2 AT89C51单片机的性能及应用62.3 控制框图的设计系统93 单片机多通道温度采集测控113.1 输入电路的设计113.1.1 集成温度传感器AD590的简单介绍123.1.2 放大电路的设计133.2 单通道，循环检测工作方式选择电路的设计133.3A/D0809与AT89C51接口电路的设计143.4

10、输出电路设计163.4.1 四位LED数码管驱动电路的设计163.4.2 超温报警电路的设计183.4.3 温度控制电路的设计183.5 电源的设计实现183.6电路板的制作与调试203.6.1电路原理图的绘制过程203.6.2 PCB板的制作223.6.3 电路的焊接244 单片机多通道温度采集测控系统的软件244.1 主程序的逐步244.2CPU抗干扰技术的程序设计244.2.1数字滤波244.2.2指令冗余和“看门狗”技术254.3程序的汇编与调试265 结束语28致 谢29参考文献、资料301 引言温度测量在各个设计有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对温度测量的精度要求愈来愈高。由

11、于AT89C51单片机的设计时间有限其精度不是很高，它的测温范围在0100之间，可以直接应用在对温度精度要求不高的各种现场。单片机多通道温度采集测控系统采用集成温度传感器满足温度测量，并将温度信号转换成电流，转换为电压信号，通过放大电路最终交由模/数转换芯片转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阳极数码管。该测量仪可实现多点（8点）不同区域测量，单通道，循环测量。还具有超温报警和自动控制功能，当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备。由以上大致分析，整个系统控制将由AT89C51单片机为核心构成。选用ADC0809作为模/数转换芯片，各个检测信号、控制信号、显示信号可由

12、单片机的I/O口进行，并由程序保证系统抗干扰的能力。 设计任务为：用单片机设计一个测温范围在0100的多通道温度测量仪。设计要求：完成该系统的软硬件设计，学习掌握单片机采集测控系统的设计方法，提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。 2单片机多通道温度采集测控系统分析与设计2.1 总体分析由于AT89C51单片机的设计时间有限其精度不是很高，它的测温范围在0100之间，可以直接应用在对温度精度要求不高的各种现场。单片机多通道温度采集测控系统采用集成温度传感器满足温度测量，并将温度信号转换成电流，转换为电压信号，通过放大电路最终交由模/数转换芯片转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电

13、路显示于共阳极数码管。该测量仪可实现多点（8点）不同区域测量，单通道，循环测量。还具有超温报警和自动控制功能，当温度超过某一设定值时，系统控制继电器来关闭加温设备。由以上大致分析，整个系统控制将由AT89C51单片机为核心构成。选用ADC0809作为模/数转换芯片，各个检测信号、控制信号、显示信号可由单片机的I/O口进行，并由程序保证系统抗干扰的能力。2.2 AT89C51单片机的性能及应用单片机是早期Single Chip Microcomputer的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展

14、成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。它不同于一般通用计算机系统结构，即程序和数据共用一个空间的冯诺伊曼(Von Neumann)结构。AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。其主要特征如下：8位CPU，内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦

15、写1000次，完全静态操作：0Hz24Hz，可输出时钟信号，三级加密程序存储器，128B8的片内数据存储器(RAM)，32根可编程I/O线，2个16位定时/计数器，中断系统有6个中断源，可编为两个优先级，一个全双工可编程串行通道，可编程串行UART通道，具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式（1）单片机的基本组成它由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。输入/输出引脚P0、P1、P2、P3的功能：图2-1为AT89C51的引脚图：P0口（P0.0-P0.7）：P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

16、在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。在EPROM编程时，由P0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证程序时，要求外接上拉电阻。P0能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P口（P1.0-P1.7）: P1口是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址。P1能驱动4个LSTTL负载。在AT89C51中，P1.0还相当于专用功能端T2，即定时器的计数触发输入端；P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2的外部控制端。

17、Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2口（P2.0-P2.7（21-28脚）：P2也是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平。在访问外部存储器时，由它输出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证时，由它输入高8位地址。P驱动4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器SFR区中R2

18、寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口（P3.0-P3.7（10-17脚）：P3口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表1-1所示：表1-1 AT89C51的P3口特殊功能口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）

19、P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（定时/计数器0外部输入）P3.5T1（定时/计数器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口还接收一些用于Flash闪速存储器和程序校验的控制信号。（2）MCS-51的寻址方式：（1）、立即寻址如：MOVA，#40H（2）、直接寻址如：MOVA，3AH（3）、寄存器寻址如：MOVA，Rn（4）、寄存器间接寻址如：MOVA，Rn（5）、基址加变址寻址如：MOVCA，A+DPTR（6）、相对寻址如：SJMP08H（7）、位寻址MOV20H，C （3）指令：MOV：片内RAM传送MOVX：片外RAM传送

20、MOVC：ROM传送XCH：交换（和A交换）SWAP：A内半字节交换ADD：不带进位加ADDC：带进位加SUBB：带进位减INC：加1 DEC：减1 MUL：乘法DIV：除法DAA：调整（4）计数初值的计算定时或计数方式下计数初值如何确定，定时器选择不同的工作方式，不同的操作模式其计数值均不相同。因为AT89C51的两个定时器均为加1计数器，当初到最大值（00H或0000H）时产生溢出，将TF位置1，可发出溢出中断，因此计数器初值X的计算式为：X=M-计数值式中的M由操作模式确定，不同的操作模式计数器的长不相同，故M值也不相同。而式中的计数值与定时器的工作方式有关。（a）计数工作方式计数工作方

21、式时，计数脉冲由外部引入，是对外部冲进行计数，因此计数值根据要求确定。其计数初值：X=M-计数值例如：某工序要求对外部脉冲信号计100次，X=M-100(b)定时工作方式定时工作方式时，因为计数脉冲由内部供给，是对机器周期进行计数，故计数脉冲频率为fcont=fosc1/12 (式1-1)计数周期T=1/fcont=12/fosc定时工作方式的计数初值X等于： X=M-计数值=M-t/T=M-（fosct）/12 (式1-2)式中：fosc为振荡器的振荡频率，t为要求定时的时间。 定时器有两种工作方式：即定时和计数工作方式。由TMOD的D6位和D2位选择，其中D6位选择T1的工作方式，D2位选

22、择T0的工作方式。=0工作在定时方式，=1工作在计数方式。并有四种操作模式：1、模式0：13位计数器，TLi只用低5位。2、模式1：16位计数器。3、模式2：8位自动重装计数器，THi的值在计数中不变，TLi溢出时，THi中的值自动装入TLi中。4、模式3：T0分成2个独立的8位计数器，T1停止计数。MCS-51有5个中断源，可分为2个中断优先级，即高优先级和低优先级，中断自然优先级：外部中断0；定时器0中断；外部中断1；定时器1中断；串行口中断；定时器2中断（a）同级或高优先级的中断正在进行中；（b）现在的机器周期还不是执行指令的最后一上机器周期，即正在执行的指令还没完成前不响应任何中断；（

23、c）正在执行的是中断返回指令RET1或是访问专用寄存器IE或IP的指令，换而言之，在RETI或者读写IE或IP之后，不会马上响应中断请求，至少要在执行其它一要指令之扣才会响应。(5)中断响应的条件CPU响应中断的条件有：（a）有中断源发出中断请求；（b）中断总允许位EA=1，即CPU开中断；（c）申请中断的中断源的中断允许位为1，即没有被屏蔽。(6)串行口工作方式及帧格式MCS-51单片机串行口可以通过软件设置四种工作方式：方式0：这种工作方式比较特殊，与常见的微型计算机的串行口不同，它又叫同步移位寄存器输出方式。在这种方式下，数据从RXD端串行输出或输入，同步信号从TXD端输出，波特率固定不

24、变，为振荡率的1/12。该方式是以8位数据为一帧，没有起始位和停止位，先发送或接收最低位。方式2：采用这种方式可接收或发送11位数据，以11位为一帧，比方式1增加了一个数据位，其余相同。第9个数据即D8位具有特别的用途，可以通过软件搂控制它，再加特殊功能寄存器SCON中的SM2位的配合，可使MCS-51单片机串行口适用于多机通信。方式2的波特率固定，只有两种选择，为振荡率的1/64或1/32，可由PCON的最高位选择。方式3：方式3与方式2完全类似，唯一的区别是方式3的小组特率是可变的。而帧格式与方式2-样为11位一帧。所以方式3也适合于多机通信。随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的C

25、PU、RAM、ROM、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，直译为单片机。(7)掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器SFR的内容在终止掉电模式前被冻结，退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。2.3 控制框图的设计系统主要包括对A/D0809的数据采集，检测单通道、循环检测工作方式，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入

26、输出电路经单片机处理。此外还有复位电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有通道选择键、温度设置键、自动方式键、A/D转换芯片。执行机构有4位数码管、继电器等。系统框图如图2-2：图2-2 控制框图3单片机多通道温度采集测控，系统分析与设计的硬件在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。在第二章中已分析了系统并绘制了框图，下面将根据框图分别设计各部分电路。3.1 输入电路的设计温度信号的采集电路。放大电路输入口连接温度传感器AD590的两个引脚。AD590是一种具有良好温度特性的电压输入/电流输出型温度传感器。可以

27、在-55150温度范围内正常工作。当输入从+4V+30V的宽范围电压时，将按1A/的比例输出反映当前温度的电流信号。如当感应温度为0时，输出的电流为273A。本设计中给AD590提供了 12V的电压，以保证其能正常工作，温度监控范围可在0100范围内由控制部分自定义。3.1.1 集成温度传感器AD590的简单介绍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。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的

28、输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为0，温度25时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。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。式中：流过器件（AD590）的电流，单位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。

29、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0.3AD590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。图3-1 中的图(a)是AD590的封装形式，图(b) AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输入电压V0随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差

30、，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器，使V0=273.2mV。或在室温下(25)条件下调整电位器，使V0=273.2+25=298.2(mV)。但这样调整可保证在0或25附近有效高精度。图3-1 AD590的封装形式与基本应用电路3.1.2 放大电路的设计在许多需要A/D转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，这种情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表器的选型很多，在这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，其实就是典型的差动放大器

31、。它只需三个廉价的普通运算放大器和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量、医疗器械及其它数字采集的系统中。电路原理并不复杂。要使电路满足平衡，则R1=R2、R3=R4、R5=R6，因为每个运放的特性不可能完全一致，在A和A2的Pin1、Pin8增设了调零电位器VR1和VR2，这在实际的应用中是非常有用的。假设A1、A2的失配、失调电压和电流均为零的情况下，其差模电压增益为： 整个电路采用正负两组电源供电，这样可对正或负输入电压进行放大。电源电压一般可取515V，但对其稳定度有一定的要求。图3-1中的电容C用于除抖动和抗干扰，其取值应以实际的用途，

32、根据放大的信号特性决定。可选用的运算放大器相当多，如OP-07，OP-725，如果要求不高，甚至可选价廉的uA741等通用运算放大器。本设计的放大电路采用高精度集成运放OP-07做放大元件。OP-07的电源电压范围 3 18V，输入电压范围为0 14V，其引线图如图3- 2。OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大。如果使用双电源，能达到最好的放大效果。3.2 单通道，循环检测工作方式选择电路的设计 通道选择工作方式由独立式按键实现。独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状不会影响其它输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状

33、态可以很容易判断哪个健被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量多时，输入口浪费大，电路结构显得很繁杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的合。用查询方式的独立式按键工作，按键直接与AT89C51的IO口线相接，通过读IO口，判定各IO口线的电平状态，即可识别按下的按键。 独立式按键电路中，各按键开关均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各IO口线有确定的高电平，当然如输入口线内部已有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可省去。对独立按键盘进行编程，采用软件消抖的方法，以查询工作方式检测各按键的状态。当有且仅有一键按下时才予以识别，如有两个或多个

34、键同时按下将不予以处理。通道选择由按键选择，由P3.5、P3.6扫描实现。3.3 A/D0809与AT89C51接口电路的设计 ADC0809是美国国家半导体公司（National Semiconductor Corporation）产品。是逐次逼近型芯片，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR，控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8

35、通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。1主要特性1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。 2内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近 3外部特性（引脚功能） 图3-3 ADC0809的内部结构及引脚图ADC0809芯片有28条引脚，采用双

36、列直插式封装，如图3-3所示下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc

37、：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。不必进行零点和满刻度调整，外部时钟频率范围为10KHz1280KHz, ADC0809和AT89C51的硬件接口有三种方式：查询方式，中断方式，等待延时方式。此测量

38、仪采用中断方式。虽然ADC0809走过了自己的辉煌时期，已经不是目前功能最好的模数转换器件，但是他的廉价和品质在许多领域被广泛使用。AD转换器ADC0809与单片机的连接如图3-4所示。ADC0809的8个模拟量输入都用了，分别连接温度传感器的测量和放大电路的输出。ADC0809的时钟由AT89C51的ALE图3-4 ADC0809与AT89C51的接口线路信号提供，根据ACD0809对工作时钟的要求和控制器对漏电和短路信号的反应速度的要求，ADC0809时钟频率通过4024分频器分频，这样，若AD转换的时间为01ms，则控制器循环采样完8个仿真输入信号需要08ms时间。这样的采样速度足够满足

39、漏电和短路的保护要求。3.4 输出电路设计3.4.1 四位LED数码管驱动电路的设计在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED(Light Emitting Diode)，液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display)；荧光管显示器。近年来也开始使用简易的CRT接口，显示一些汉字及图形。前三种显示器都有两种显示结构；段显示(7段，“米”字型等)和点阵显示(5X?，5X8，8X8点阵等)。而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。三种显示器中，以荧光管显示器亮度最高，发光二极管次之，而液晶显示器最弱，为被动显

40、示器，必须有外光源。LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有8字段和“米”字段之分。显示块都有dp显示段，用于显示小数点。7段LED的字型码，由于只有7个段发光二极管，所以字型码为一个字节。“米”字段LED的字型码由于有15个段发光二极管，所以字型码为两个字节。这种显示块有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某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，共阳板LED显示块的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。由N片LED显示块可拼接成N位LED显示器。本设计是4位LED显示器的结构。N位LE

41、D显示器有N根位选线和8XN(或16XN)根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同。段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗； LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式，一是LED静态显示方式、二是动态显示。 LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极(或共阳极)连接在一起并接地(或+5v)，每位的段选线(adp)分别与一8位的锁存输出相连。之所以称为静态显示，是由于显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。本设计用的是阳极驱动。图3-5所示为一个四

42、位动态态LED显示器电路。该电路各位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。由于各位分别由一个8位输出口控制段选码，故在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。这种显示方式接口，编程容易，管理也简单，付出的代价是占用口线资源较多。如图3-4电路所示，若用I/O口线接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器(如74LS244)接口，则要用1片74LS244芯片。而如果用“米”字段的LED显示器，则静态显示方式需要更多的硬件资源。如果显示器位数增多，则静态显示方式更是无法适应。因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。图3-5 4位显示器的构成3.4

43、.2 超温报警电路的设计 声音是由震动所产生的， 一定频率的震动就产生了一定频率的声音。这个实验是喇叭里发出滴答一长一短的报警声音,送出的端口是p2.7，输出1khz,2khz变频信号报警,每一秒交换一次。接线方法： 用一根1PIN数据线一端插入CPU部分JP53（P2口）的P2.7另外一端插入小喇叭部分的输入端JP16。3.4.3 温度控制电路的设计 利用P2.6输出高低，控制继电器的开合，实现对外部装置的控制。现代自动控制设备中，都存在一个电子电路与电气电路的互相连接问题，一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机，电磁铁，电灯等），另一方面又要为电子线路的电气电路提供

44、良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全。电子继电器便能完成这一桥梁作用。1、继电器的工作原理与分类 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在大多数的情况下，继电器就是一个电磁铁，这个电磁铁的衔铁可以闭合或断开一个或数个接触点。当电磁铁的绕组中有电流通过时，衔铁被电磁铁吸引，因而就改变了触点的状态。继电器一般可以分为电磁式继电器、热敏干簧继电器、固态继电器等。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要

45、在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测

46、和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。在此，我们以电磁继电器为例，介绍其用法。 2、继电器的控制电路 在单片机系统中继电器的控制一般通过一个三极管来驱动，典型的驱动电路

47、如图3-7所示： 图3-7（a）图3-7（b）图3-7继电器的一般驱动电路继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电时产生的反电势，防止干扰。上图中AB为常开触点，AC为常闭触点。图（a）中当控制信号为高电平时，继电器常开触点吸合（AB导通），当控制信号为低电平时，继电器常开触点断开常闭触点吸合（AC导通）。在图（b）中控制信号极性正好与图(a)相反，本书配套实验板上就是采用这个电路。3、单片机控制继电器 从实验板原理图中，我们可以看到，单片机RD6脚与一个PNP型三极管基极相连，经三极管电流放大后，直接驱动继电器，继电器的开和关完全由三极管的基极电平进行控制。当单

48、片机RD6口输出高电平，PNP型三极管截止，这时继电器不工作；反之为低电平的话，PNP型三极管导通，继电器得电吸合。 3-8单片机控制继电器3.5 电源的设计实现电源要对单片机和各种芯片提供5V,要对运放及传感器提供正负12V。电源通过对220V的交流电源降压，出12V交流；再通过全波整流，输出12V直流。3.6电路板的制作与调试PCB板的制作在protel 99 se中进行，Protel 99SE采用数据库的管理方式。Protel 99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32

49、个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel 99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。3.6.1电路原理图的绘制过程在PCB板制作之前，先进行了原理图的绘制。1、新建设计数据库文件双击Protel 99SE 图标，点击File(文件)中new项，新建设计数据库。新建设计文件，有两种方式：一种为MS Access Database方式，全部文件存储

50、在单一的数据库中，同原来的99文件格式。另一种为Windows File System方式，全部文件被直接保存在对话框底部指定的磁盘驱动器中的文件夹中，在资源管理器中可以直接看到所建立的原理图或PCB文件。在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击OK即可建立自己的设计数据库。然后新建文档，给文档取与设计相同的文件名。双击打开，这样就可以开始工作了。2、原理图图纸设计打开“设计”、“选项”、“图纸选项”就可以设定图纸了，由于本设计原理图不是太大，所以选用A4纸，便于安放器件，所以抓取和可视都选用“5”。图纸放大就可以进行下一步的器件安放了。3、器件的安放器件的安放先要添加库，库文件在系

51、统盘下，在99 se下的lib文件夹下。具体路径为“设计” “添加/删除库”然后对话筐打开就可以直接添加了。库添加完后，就寻找器件，找到后单击，然后“放置”，在器件浮动的状态可以对器件进行旋转，“空格”顺时针旋转90度，“x”左右翻转180度，“y”上下翻转180度。然后根据电路需求进行安放。由于电子产品的日新月异，不是每个都也有图库了，所以有的需要自己建。当器件按需要安放完后就开始连线了。4、原理图连线设计确定起始点和终止点，Protel99 SE就会自动地在原理图上连线，从菜单上选择“Place/Wire”后，按空格键切换自动连线方式。观察状态栏就可以看出“Auto Wire”Protel

52、99 SE 自动连线、任意角度、45连线、90连线，使得设计者在设计时更加轻松自如。只要简单地定义Auto Wire方式。自动连线可以从原理图的任何一点进行，不一定要从管脚到管脚。5、同步设计在Protel99SE中使得原理图与PCB同步是容易的。Protel99SE包含一个强大的设计同步工具，使得非常容易地在原理图和PCB之间转移设计信息。同步设计是更新目标文件的过程，它基于参考文件中上一次的设计信息。当你执行同步时，通过以下选择告诉它要转换的方向：同步设计执行设计信息的初始化转移，还有正向和反向标注处理、替换创建的网络表加载网络表顺序、反向标注在PCB设计中习惯使用的重标注顺序。6、在原理

53、图上标注汉字或使用国标标题栏在原理图上放汉字，可以直接点击“Place”选乡下的“Annotation”放置汉字。如果想要使用国标图纸做标题栏，选择“Design”下的“Template”里的“Set Template File”，找到国标标题栏所在的目录，打开图纸的标题栏将被切换为国标形式。3.6.2 PCB板的制作1、将原理图中的选择传递到PCB中在原理图中选择一组器件，点击ToolSelect pcb components选项，PCB中相同的元件也将被选中。2、生成网络表当设计好原理图，在进行了ERC电气规则检查正确无误后，就要生成网络表，为PCB布线做准备。网表生成非常容易，只要在“D

54、esign”下选取“Create Netlist”对话框，设置为那种格式的网络表。网表生成后，就可以进行PCB设计了。3、板框导航当设计了原理图，生成了网表，下一步就要进行PCB设计。首先要画一个边框，可以借助板框导航，来画边框。在“File”下选择“New”中的“Wizards”,在选取“Printed Circuit Board Wizard”，点击“OK”即可，按照显示对话框的每一步提示，完成板框设计。4、建立PCB文件要进行PCB设计，必须有原理图，根据原理图才能画出PCB图。按照上述板框导航生成一张“IBM XT bus format”形式的印制板边框。选择PCB设计窗口下的“Des

55、ign”中的“Add/Remove Library”,在对话框上选择“4 Port Serial Interface.ddb”,在“Design Explorer 99SEExamples”文件夹中选取，点取“Add”,然后“OK”关闭对话框。在左侧的导航树上，打开“4 Port Serial Interface.prj”原理图文件，选择“Design”下的“Update PCB”，点取“Apply”,“Update Design”对话框被打开，点取“Execute”选项。对话框“Confirm Component Associations”对话框将被打开，网络连接表列出，选择应用“Apply

56、”更新PCB文件，由于Protel99SE采用同步设计，因此，不用生成网表也可以直接到PCB设计。这时，一个新的带有网络表的PCB文件将生成。5、布局设计布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。“Room”定义规则，可以将指定元件放到指定区域。Protel99 SE在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动倒板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。6、 布线设置在布线之前先要设置布线方式和布线规则。Protel99 SE有三种布

57、线方式：忽略障碍布线，避免障碍布线，推挤布线。可以根据需要选用不同的布线方式，在“Tools”工具菜单下选择“Preferences”优选项中选择不同的布线方式。也可以使用“SHIFT+R”快捷键在三种方式之间切换。接着选择布线规则，在“Design”下选择“Rules”对话框，选择不同网络布线的线宽，布线方式，布线的层数，安全间距，过孔大小等。有了布线规则，就可进行自动布线或手动布线了。如果采用自动布线，选择“Auto Route”菜单，Protel 99SE支持多种布线方式，可以对全板自动布线，也可以对某个网络、某个元件布线，也可手动布线。手动布线可以直接点击鼠标右键下拉菜单“Place

58、track”，按鼠标左键一下确定布线的开始点，按“BackSpace”取消刚才画的走线，双击鼠标左键确定这条走线，按“ESC”退出布线状态。用“Shift”加空格键可以切换布线形式，“45”“90”弧形布线等方式之间切换。Protel99 SE提供了很好的在线检查工具“Online DRC”随时检查布线错误（在工具菜单的优选项下面）。如果修改一条导线，只需重画一条线，确定后，原来的导线就会自动被删除。7、电气规则检查当一块线路板已经设计好，要检查布线是否有错误，Protel99 SE提供了很好的检查工具“DRC” 自动规则检查。只要运行“Tools”下的“Design Rlue Check”，

59、计算机会自动将检查结果列出来。8、可以在PCB中修改元件封装。操作步骤：增加焊盘，将焊盘设置为被选中状态；将需要增加的元件恢复原始图素；选ToolsCovertAdd Selected Prmitives to Component；提问要增加焊盘的元件，确认即可。9、建立新的PCB器件封装由于硬件厂家发展速度非常快，器件的不断更新，经常需要从库里增加器件封装，或增加封装库。Protel99 SE提供了很好的导航器，帮助完成器件的添加。根据文件产生PCB封装库打开“LCD Controller.ddb”设计数据库，选中“LCD Controller.pcb”并打开。在“Tools”下选择“Mak

60、e Libray”，建立一个新库文件“LCD controller.lib”,所有PCB中的器件封装被自动抽取出来，保存在库文件中。在这个新库文件中建立器件封装，点击左侧导航树上的“Browse PCBlib”,可以浏览这个库里现有的元件，创建一个新的元件选择“Tools”下的“New Component”，弹出一个器件封装模板，按照提示，生成需要的器件封装。10、打印预览在Protel 99SE中可以观看打印效果，通过FilePrint/Preview控制打印参数，修改打印结果。可以在打印预览中任意添加层或删除层。这样，一张完整的pcb图就可以打印出来了。3.6.3 电路的焊接当电路板腐蚀出

61、来后，先检查，然后打磨，再搽上松香水。就可以开始按原理图焊接了。焊接时要注意虚焊和短路情况出现。焊接是要先焊单片机的主电路，以便于对各部分电路的测试。当焊完一部分子电路后，要先输入子程序进行检测，看是否有输入或输出。焊完后，就可以进行电路总体性能测试了。在测试之前，一定要先对电路检测，看是否有短路情况出现，以免芯片损坏。电源输入电压也是关键因素，在供电之前先量量。这样，完整的电路就出来了。4 单片机多通道温度采集测控系统的软件4.1 主程序的逐步 主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理AD590的测量温度值，温度测量每1s进行一次，4.2 CPU抗干扰技术的程序设计 尽管采取了硬件抗干扰措施, 但由于干扰信号产生的原