智能温度传感器设计毕业设计论文

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1、吉林电子信息职业技术学院毕业设计（论文）摘要现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。智能传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是智能温度传感器。本文介绍了智能集成温度传感器MAX6675与AT89s51及MAX7219等芯片设计的智能温度传感器。最新的数字式K型热电偶冷端温度补偿及转换器MAX6675芯片，它不但能完成对温度的测量，具有冷端温度进行自动补偿及对温度进行数字处理并具有自诊断、量程自动转换等功能，并通过SPI总线接单片机构成测温系统。由于MAX6675内部自带A/D转换器，故不需进行数字处理，还有内部消噪电路能滤除从热电偶引入

2、的噪声电压，能自动检测电偶的开路故障。由于芯片MAX6675自身具备了如冷端补偿及非线性转化、AD转换的功能，因此可以尽可能的简化了器件的数量。AT89S51具有了相对AT89C51更强大的功能和端口数量，因此具有了更大的兼容和更多的选择余地，同时它还支持在线的编程。键盘的设计用了四个键，由这样的键盘来调整在功能上和其他键盘没有多大差异，还有它的优点就是在程序上较少。这样一来在系统维护及出现误码的几率就减少了很多。在编程方式上，采用了最新较为流行的嵌入式开发方式，主要应用C51语言进行编程。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而在系统中采用了C语言来编制程序。

3、根据当前的智能仪器的标准来衡量，具有体积小，重量轻，价格廉价的特点。同时它还具有了扩展的能力，可以升级。因此也具有了较好的市场前景。关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。关键词：单片机 智能温度传感器 K热电偶 冷端补偿Intelligent Tempurature SensorAbstractIt is gathered (namely sensor technology ) that three major foundations of the modern informa

4、tion technology are the information , information transmission (communication technology ) and information processing (the technology of computer ). The sensor belongs to the front highly sophisticated products of the information technology, especially temperature sensor . The introduction to this t

5、ext is with such intellectual temperature changers that is designed of device as integrated temperature sensor MAX6675 and AT89s51 and MAX7219 ,etc. We chose latest Type-K Thermocouple with the Cold-Junction Compensation and converter implementMAX6675, It can measure temperature,compensate the Cold-

6、Junction temperature automatically and have the digital handle function, the converter of measure function and measuring temperature system composed of the microprocessor and MAX6675 with SPI. Because of the MAX6675 taking the A/ D to converter, so it dont need to proceeding of digital handle, and e

7、lectric circuit of noise elimination can filtrate voltage from the thermocouple and examine the malfunction of thermocouple automatically.During the period of designing, we noticed that hardware integrate with software reasonably. Commbining to increase the system function and lowing the complicated

8、 extent.Whole system was composed of data collection module, data handle, control calculate module, PWM output and filter the waves module .In each module and the whole system embody features such as using less component, high integration degree, the lower cost, the simple method of compiling proced

9、ure, the abundant function, the simple operation and applied parallel port replace serial port to output sampling etc.We adopted the latest popular embedded exploitation technique, using C51 language to compile pared with microprocessor language editor, and the C language has obvious predominance in

10、 the function, construction, readability, so we adopted the C language to compile procedure in the system.Key Words：One-chip computerIntellectual temperature sensorElectric thermocoupleCold-Junction temperature automaticallyWeigh according to the standard of the present intellectual instrument, smal

11、l, light, characteristic of low-priced price. At the same time it also had ability to expand , can upgrade . So have better market prospects.- 53 -目录摘要1Abstract2引言31智能仪器的概述41.1智能仪器的特点41.2智能仪器的应用52智能温度传感器的设计方案62.1智能温度传感器的设计思想62.2智能温度传感器的设计步骤62.2.1确定任务、拟制设计方案62.2.2硬件和软件的研制73智能温度传感器的功能及技术指标83.1功能83.2技术

12、指标84智能温度传感器硬件电路设计94.1温度传感器部分94.1.1温度传感器选择94.1.2单片K型热电偶放大器与数字转换器MAX6675芯片94.1.2.1MAX6675性能特点94.1.2.2 MAX6675引脚功能及说明104.1.2.3 MAX6675工作原理104.2微处理器的选择144.2.1微处理器的选择原则144.2.2 AT89S51芯片164.2.3 S51与C51的区别184.3 显示部分194.3.1 MAX7219内部逻辑结构204.3.2引脚排列及功能204.3.3 8279与MAX7219的区别224.4键盘接口技术235智能温度变送器的软件系统设计255.1智

13、能温度变送器的温度采集255.2智能温度变送器的键盘程序275.3 LED显示程序设计296智能温度传感器程序设计语言及开发环境316.1Keilc51程序设计语言316.1.1C51语言程序设计的基本技巧316.1.2单片机C语言与标准C语言的区别326.2开发环境32结论39参 考 文 献40附录A程序清单41附录B硬件原理图47附录C译文资料47致谢52引言在人类社会高度发达的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求愈来愈迫切，而作为信息提取的功能器件传感器与人类的关系也愈加密切。由于计算机技术突飞猛进的发展和微型计算机的兴起，国民经济中任何一个部门中需要提取的各种信息都有可能通

14、过计算机进行正确及时地处理。如在档案馆、仓库、大酒店、影剧院等大型场所中需要对温度进行较为准确的测量和控制，温度传感器在这里就起着至关重要的作用。本智能式温度传感器是在已有的普通温度传感器的基础上，经过单片机处理而成的新一代测量变送装置。它巧妙地将温度物理量处理输出，不仅良好地实现了智能传感器的通用性，具备了体积小、精度高、价格低等优点，而且还留有通信端口，可将温度以数字信号的形式进行远距离传输。同时能完成对温度的检测并具有自诊断、量程自动转换、自动清零、非线性、零点补偿、冷端补偿等。1智能仪器的概述仪器仪表所采用的电子器件经历了真空管、晶体管和集成电路三个时代。从组成结构、工作原理和功能特点

15、等方面考察，仪器仪表则经历了模拟式、数字式和智能化三个发展阶段。智能仪器属于第三代，智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。概括地说微处理器在智能仪器中的作用主要体现在对测试过程的控制和对测试数据的处理两个方面。随着智能仪器核心部件的单片计算机技术和传感器接口电路集成化的发展，出现了具有模糊判断、故障诊断、容错等功能。智能仪器也向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展。近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够实

16、现数字PID 和各种复杂控制规律的智能式调节器。智能仪器是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有类似人智能特性或功能的仪器。1.1智能仪器的特点与传统的电子仪器相比较，智能仪器具有以下几个主要特点：1、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋扭式或琴键式切换开关来实现对仪器的控制，从而使，仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。2、微处理器的运用极大的提高了仪器的性能。例如智能仪器利用微处理器的运算和逻辑判断能力，按照一定的算法可以方便的消除由于飘移，增益的变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。3、智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便的实现量程自动转

17、换，自动调零，自动校准，自诊断等功能，有利地改善了仪器的自动化测量水平。4、智能仪器具有友好的人机对话能力。基于集成芯片的智能温度变送器，采用专用集成电路，电路结构简单，工作稳定可靠。大致可分解为三个部分：(1)数据的采集；(2)数据的分析与处理；(3)存储、显示和输出。其设计开发过程采用流行的嵌入式开发方式，选用高级Keil51语言编程。1.2智能仪器的应用智能仪器由于功能强大、性能优越、体积小、操作方便等，在传统的测量领域得到广泛应用，并涌现出诸如分析仪、医疗监护仪、在线检测仪等众多的新型仪器，进一步扩大了应用领域。智能仪器的发展使得其硬件结构及软件内涵越来越复杂，对其工作状态的检验及故障

18、诊断显得非常重要，而又十分困难。为了解决此类问题，人们还研制了面向智能仪器的故障诊断仪，它不仅可以确定智能仪器的故障性质及作用范围，还可精确定位到故障元件。PC仪器、VXI仪器、自动测试系统、虚拟仪器、现场总线仪器、智能传感器系统和近来出现的网络化仪器等，大大扩展了智能仪器的内涵和应用领域。随着人类文明的进步和科学技术日新月异的发展，新型的智能仪器还会不断产生，应用领域还将继续扩大，智能仪器的发展前景光明灿烂。2智能温度传感器的设计方案2.1智能温度传感器的设计思想工业现场中常用热电偶或热电阻来测量温度，热电偶和热电阻的输出信号微弱，且在各自的测温范围内都存在明显的非线性，因此这些信号常需经过

19、放大、线性化以及模数转换后才能与CPU通讯。对于热电偶，还需要设计冷端补偿电路来抵消热电偶参考端的温度变化。这些都使测温系统成本高，开发周期长，因此严重影响了它们的广泛使用。随着微电子技术和计算机技术的发展，传统的测量电路正在向传感器与测量电路一体化、测量电路与信号处理电路一体化的方向发展。具有以上特征的测量电路被称为“传感器接口电路”。传感器接口电路一般应达到如下要求：（1）可提高传感器和接口电路整体工作效率；（2）具有一定的信号处理能力（如MAX6675芯片具有冷端温度补偿等功能）；（3）能够提供传感器所需要的驱动信号源。（4）有较为完善的抗干扰和抗高压冲击保护机制。这种机制包括输入端的保

20、护、前后级电路的隔离、模拟和数字滤波等等。现有的许多传感器接口电路将某项信号处理功能，甚至几项功能全部集成到一个芯片中，传感器接口集成电路的出现，将简化智能仪器的设计和制造，提高测量精度及智能仪器的整体性能。本设计中选用了美国MAXIM公司近期推出了数字输出型的K 型热电偶信号处理集成芯片MAX6675，其测温范围为0102375。由于使用K型热电偶作为温度传感器，因此由其组成的测温系统可应用在各种恶劣的工作环境下，MAX6675在继承了集成温度传感器使用方便、电路简单、性能稳定等诸多优点的基础上，有效解决了集成温度传感器测温范围小和使用环境受限制的缺点。由MAX6675进行温度采样，其内部具

21、有冷端温度自动补偿及对温度的简单数字处理，通过SPI总线接单片机AT89S51构成测温系统的前端数据采集部分。MAX7219是美国MAXIM（美信）公司推出的多位LED显示驱动器，采用3线串行接口传送数据，可直接与单片机接口，用户能方便修改其内部参数，以实现多位LED显示。它内含硬件动态扫描显示控制，每枚芯片可驱动8个LED数码管。2.2智能温度传感器的设计步骤2.2.1确定任务、拟制设计方案（1）、根据要求确定仪器的功能、指标及设计任务；明确仪器实现的功能，考虑被测信号的特点，被测量的数量，输入信号的通道数、被测量、类型、变化范围；测量速度、精度、分辨率、误差；测量结果的输出方式，显示器的类

22、型；输出接口的设置，如通信接口、打印机接口等。（2）、进行总体设计。通过调查研究对方案进行论证，以完成微机化仪表总体设计工作。完成总体设计之后，可将仪表的研制任务分解成若干子任务，再去做具体的设计。2.2.2硬件和软件的研制（1）、硬件电路的设计、功能模板的研制和调试根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块，分别设计各个电路，如输入输出通道、信号处理电路、接口单片机及其外围电路等。.在完成电路设计之后，即可制作相应功能模板。在设计、研制功能模板时，要保证技术上可行、逻辑上正确并注意布局合理、连线无差错，才能制成布线图，在加工成印刷电路板后须仔细校核。（2）、软件框图的设计、等距离程序的编制和调

23、试将软件总框图中各个功能模块具体化，逐级画出详细的框图，作为编制程序的依据。编写程序一般用汇编语言建立用户源程序，但是现代多用c语言。在开发系统机上，利用keilc51软件对输入用户源程序进行编写，变为可执行的目标代码。在程序设计中还必须进行优化工作，即仔细推敲、合理安排，利用各种程序设计技巧使编出的程序占用内存空间较小，而执行的速度快。3智能温度传感器的功能及技术指标3.1功能（1）温度的测量和显示（2）硬件故障自检（3）冷端温度补偿（4）非线性补偿（5）通信功能3.2技术指标（1） 测量精度 0.5级（2） 测量范围 01024（3） 键盘设定报警上、下限设定（4） 温度补偿 20+85数

24、字式温度自动补偿（5） 显示内容实时温度值() （6） 报警方式通过声光报警电路接扬声器、指示灯4智能温度传感器硬件电路设计4.1温度传感器部分4.1.1温度传感器选择热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题：(1)、非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。(2)、冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。(3)、数字化输出：与嵌入式系统接

25、口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器、非线性及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。4.1.2单片K型热电偶放大器与数字转换器MAX6675芯片MAX6675是美国MAXIM公司生产的一种

26、具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器，是基于SPI总线的专用芯片，它们不仅能对K型热电偶进行冷端温度补偿，还能对热电势信号作数字处理，可广泛用于工业、仪器仪表、自动化等领域。4.1.2.1MAX6675性能特点(1)、简单的SPI串行口温度值输出；(2)、0+1024的测温范围；(3)、12位0.25的分辨率；(4)、片内冷端补偿；(5)、高阻抗差动输入；(6)、热电偶断线检测；(7)、单一+5V的电源电压；(8)、低功耗特性；(9)、工作温度范围-20+85；4.1.2.2 MAX6675引脚功能及说明该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列如图4.1所示，引脚功能如表4.1所列。图

27、4.1 MAX6675引脚排列表4.1 MAX6675引脚功能引 脚名 称功 能1GND接地端2T-K型热电偶负极3T+K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选端，CS为低时、启动串行接口7SO串行数据输出8N.C.空引脚4.1.2.3 MAX6675工作原理MAX6675的内部结构如图所示。该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感器和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。图4.2 MAX6675内部结构框图GND为地。UCC接电源电压的正极，该端需经外部0.1F电容器接地。T接K型热电

28、偶的冷端，并从外部接地。T接热电偶的热端。SCK为串行时钟输入端，SO为串行数据输出端。为片选端，当0（低电平）时，串行接口有效。NC为空脚。内部电路主要包括8部分：(1)、低噪声电压放大器A1；(2)、电压跟随器A2；(3)、冷端温度补偿二极管；(4)、基准电压源；(5)、数字控制器；(6)、12位ADC；(7)、SPI串行接（SCK、SO、）；(8)、模拟开关（S1S5）。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电（e）经过A1、A2得到放大后的热电势信号U1，再经过S4送至ADC。有公式 （公式1）式中，T为K型热电偶的电压温度系数。T41V/。T 和T 0分别为被测温度、冷端的环境温度。与此

29、同时，冷端温度补偿二极管将T 0转换成补偿电压U2，有公式 （公式2）U2通过S5送至ADC。在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量，再将U1与U2相加并除以T，即获得输出电压UO的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T 。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。R1R5为低噪声电压放大器A1的外部电阻。C1为输入信号通道的消噪电容，C2可滤除电源噪声。模拟开关S1S5受数字控制器所控制，改变其通、断状态，即可改变电路的接线方式。当S3断开、S1和S2闭合时，ADC进行自动调零。当S2断开、S3和S1闭合时，转入正常测量状态。由基准电压源产生的基准电压UREF，

30、经过R4、R2分压后接A1的同相输入端。取R4300k、R230k时，同相输入电压U0.1UREF。利用上述电路还能检查热电偶是否发生开路故障。假定在正常测量过程中热电偶开路损坏，致使T端悬空，A1就变成电压跟随器，其输出电压 UO10.1 Urefe。利用数字控制器检测被测温度数据有无异常变化，即可确定热电偶是否开路。SPI总线串行接口有三个引脚：SCK、SO和。将片选端设置成低电平时，该片MAX6675即被选中，在串行时钟SCK的下降沿，即可从SO端读取12位的温度转换数据。读取一个完整数据需要16个时钟周期。串行接口的时序如图4.3所示。图4.3 串行接口的时序图读数过程是从最高位（D1

31、5）开始，到最低位（D0）结束。其中，D15是标识位，它总为0。D14D3为温度转换数据，该数据全部为0时，说明被测温度是0；全部为1时，表示被测温度为1023.75。D2为热电偶开路检查位，当D21时表明热电偶开路。D1位代表MAX6675的产品序列（ID）号，该位恒等于0。D0为三态输出位。(1)、 温度变换MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T+和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值

32、转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41V/，电压可由线性公式 (公式3)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），Tr是测量点温度；Tamb是周围温度。（2）、 冷端补偿热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0+1024范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-20+85范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。表4.2 MAX6675

33、SO端输出数据的格式位空位标志12位温度读热电阻输入设备身份状态位15141312111098765432100MSBLSB0三态该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。（3）、 热补偿在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依

34、赖于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。（4）、 噪声补偿MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。（5）、 测量精度的提高热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高： 1尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线； 如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线； 避免受能拉紧导线的机械和振动； 当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线； 在温度额定范围内使用热电偶导线； 避

35、免急剧温度变化； 在恶劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线； 仅在低温和小变化率区域使用扩展导线； 保持热电偶电阻的时间记录和连续记录；MAX6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上解决，简化了将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计，因而该器件是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域的理想选择。4.2微处理器的选择4.2.1微处理器的选择原则微处理器是智能仪器的核心部件，它的结构、特性对所研制仪表的性能有很大的影响。所以，要成功的研制一台智能仪表，首先应选择合适的微处理器。在选择微处理器时，应考虑如下主要特性。（1）用途微处理器是一

36、种通用器件，数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。（2）字长微处理器的字长取决于并行数据总线的数目。通常使用4位、8位或16位的微处理器来研制智能仪表及应用系统。4位字长的微处理器一般设计成简单的控制器；8位微处理器则设计成既可用于数据处理、也可用于控制的智能仪表；16位微处理器的运算精度适合于大多数的数据处理工作，因此，多用于复杂的数据处理和控制。（3）寻址范围和寻址方式微处理器的地址长度反映了微机可寻址的范围，（4）指令功能一般来说，指令条数越多的微处理器，其操作功能要强些，这可使编程灵活。所选取的微处理器的指令功能应该面向所要处理的问题。用于控制的仪表，要特别注意访问外部设备指令的功能

37、；（5）执行速度微处理器的执行速度可用时钟周期或机器周期来表示。大多数微处理器需要多个乃至十多个时钟周期才能执行一条指令。不能单从时钟速率来衡量微处理器的执行速度，因为不同类型的微处理器以不同的方法执行指令，指令的执行时间应从时钟速率和执行该指令所需的周期数算得。（6）功耗功耗由器件工艺、器件的复杂性和时钟速率来决定。字长较宽的微处理器，因器件电路复杂，其功率比字长较窄而工艺相同的微处理器要大；从器件工艺来说，CMOS的微处理器所消耗的功率最少；时钟速率也影响某些微处理器的功耗，较慢时钟速率的微处理器功率较小。（7）中断能力和DMA能力在实际应用中，外部设备常要求微处理器暂时停止当前工作，转去

38、执行一个为中断服务的程序。为了满足这一要求，微处理器必须具有较强的中断能力。对于快速、多通道的实时处理的对象，应选择中断功能丰富的微处理器。（8）成本智能仪器的成本是优先考虑的指标之一，特别是成批量生产仪表时更是如此。当然，估计成本应从整台仪表考虑，而不仅仅是微处理器的成本。但是，是否能正确选择微处理器，又直接影响到整个仪表的成本。因此，必须仔细权衡，全盘考虑。基于以上的选择原则，在本次设计中选用的CPU为AT89S51.4.2.2 AT89S51芯片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

39、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，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S5

40、1设计和配置了振荡频率可为0-33MHz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。4.2.2.1主要特性表4.3 AT89S51特性兼容MCS-51指令系统4K可反复擦写（1000次）ISP Flash ROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线128*8bit内部RAM2个外部中断源低功耗空

41、闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗(WDT)电路软件设置空闲和省电功能灵活的LSP字节和分页编程双数据寄存器指针4.2.2.2管脚图及管脚功能Vcc：供电电压 GND：接地P0口：P0口为一个8个位滤波开路双向I/O口，作为输出口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0口当用于连接外部程序/数据寄储器，它可以被定义为数据/地址的低8位。在这个方式下，P0口有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口。当FLASH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8位双向I/O口。P1口缓冲器能接受或输

42、出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，并可用做输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。另外，P1.0与P1.1可作为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）或作为定时/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。详见表4.3表4.4引脚交替功能P1.0T2（外部计数输入到定时/计数器2）时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕捉/再装载触发和方向控制）P2口：P2口为带内部上拉的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接受或输出4个TTL门电流，当P2口被写入1时，其管脚被内部上拉电路拉高，且作为输入。并因此用做输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部

43、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8位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部8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编程和校验时接受高8位地址信号和其他控制信号。图4.4 AT89S51管脚图 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉的双向I/O管脚。可接受输出4个TTL门电流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口将输出电流这是上拉的缘故。P3口也可用作AT89C52的一些特殊功能口。如表4.5所列：表4.5管脚备选功能P3.0RXD（串行输

44、入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（计数器0外部输入）P3.5T1（计数器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）4.2.3 S51与C51的区别在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用

45、AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。4.2.3.1 89S51相对于89C51增加的新功能包括（1）新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！ （2） ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 （3）最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 （4）具有双工UART串行通道。 （5

46、）内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。 （6）双数据指示器。 （7）电源关闭标识。 （8）全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 （9）兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。4.2.3.2 89S51针对89C51的明显的几个升级（1）程序存储器写入方式：二者的写

47、入程序的方式不同，89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。89S51则支持ISP在线可编程写入技术！串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要45V即可。 （2）电源范围：89S5*电源范围宽达45.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作。 （3）工作频率：目前89S1*的性能远高于89C5*,89S5*系列支持最高高达33MHZ的工作频率，而89C51工作频率范围最高只支持到24M。 （4）市场价格：由于89C51已经全面停产,所以在市场价格方面，库存的89C5*的批发价格要比89S5*贵将近一倍！ （5）兼容型：89S5*向下兼容89C5*

48、，就是说用89S5*可以替代89C5*使用，同样的程序，运行结果相同。就是说89S5*也同样兼容目前所有的教科书范例程序。 （6）加密功能：89S5*系列全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 （7）抗干扰性：内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单 元电路。 （8）烧写寿命更长：89S5*标称的1000次，实际最少是1000次10000次，这样更有利初学者反复烧写，减低学习成本。综合上面的一些区别，个人认为89C51的停止使用只是时间问题而已，就象当年的8031。 4.3 显示部分MAX721

49、9是集成的串行输入/输出共阴极显示驱动器，这种接口微处理器可驱动八位七段数字型的LED。其工作温度范围是0+70。4.3.1 MAX7219内部逻辑结构它主要由8个数位寄存器和6个控制寄存器组成：（1）数位寄存器70：它决定该位LED显示内容。（2）译码方式寄存器：它决定数位寄存器的译码方式，它的每一位对应一个数位。其中，1代表码方式；0表示不译方式。若用于驱动LED数码管，应将数位寄存器设置为B码方式；当用于驱动条形图显示器时，应设置为不译码方式。 （3）扫描位数寄存器：设置显示数据位的个数。该寄存器的D2D0（低三位）指定要扫描的位数，支持07位，各数位均以1.3KHz的扫描频率被分路驱动

50、。 （4）亮度控制寄存器：该寄存器通常用于数字控制方式，利用其D3D0位控制内部脉冲宽度调制DAC的占空比来控制LED段电流的平均值，实现LED的亮度控制。D3D0取值可从00001111，对应电流占空比则从1/32变化到31/32，共16级，D3D0的值越大，LED显示越亮。而亮度控制寄存器中的其他各位未使用，可置任意值。 （5）显示测试寄存器：它用来检测外挂LED数码管各段的好坏。当D0置为1时，LED处于显示测试状态，所有8位LED的段被扫描点亮，电流占空比为31/32；若D0为0，则处于正常工作状态。D7D1位未使用，可任意取值。（6）关断寄存器：用于关断所有显示器。当D0为0时，关断

51、所有显示器，但不会消除各寄存器中保持的数据；当D0设置为1时，正常工作。剩下各位未使用，可取任意值。（7）无操作寄存器：它主要用于多MAX7219级联，允许数据通过而不对当前MAX7219产生影响。4.3.2引脚排列及功能MAX7219的外形采用24脚封装,有窄24脚和宽24脚DIP。MAX7219的引脚排列如图示：图4.5 MAX7219引脚功能排列表4.6 MAX7219的引脚功能简介引脚名称 功 能1DIN串行数据输入。在CLK的上升沿，数据被加载到内部16位移位寄存器中3,4,58,10,11DIG0-DIG7八位数字驱动线。它从共阴极显示器吸收电流4, 9GND地。二引脚必须连接起来

52、12LOAD(CS)对于7219为装载数据输入，在LOAD的上升沿，串行数据的最后16位被锁定。13CLK时钟输入，最高频率为10MHz。在CLK的上升沿，数据被移入到内部移位寄存器中；在CLK的下降沿，数据从DOUT输出。14172023SASG七段驱动器和小数点驱动器。它供给显示器源电流。对MAX7219，当一段驱动器被关掉时，它被接地。18ISET通过一个电阻和Vcc相连，来调节最大段电流19Vcc电源电压。接+5V 24DOUT串行数据输出。输入到DIN的数据在16.5个时钟周期后，在DOUT端有效。此信号常用于几个MAX7219级联MAX7219工作时序图：图4.7MAX7219时序

53、图4.3.3 8279与MAX7219的区别4.3.3.1 MAX7219主要性能参数串行接口频率： 10MHz（典型值）低功耗停机电路： 150uA（保存数据）连续功耗（+85）： 窄DIP封装约0.87W，宽SO封装约0.76W，窄CERDIP封装约1.1WDIG0DIG7吸收电流： 320mA4.3.3.2 8279与MAX7219的不同（1）8279可与8位或16位LED显示器连接，MAX7219最多可与64只独立的LED显示器连接（采用多片级联电路）。（2）8279能同时执行键盘和显示器的操作，MAX7219只是集成的串行输入/输出共阴极显示驱动器。（3）此外MAX7219内置有BC

54、D码译码器、多路扫描电路、段及数字驱动器和用于存储每一位8*8静态RAM。（4）MAX7219内有一个150A的低功耗掉电模式，模拟和数字光控，一个允许用户从一位数显示到八位数显示选择的扫描界限寄存器和一个强迫所有LED接通的测试模式。还允许用户为每一位选择BCD译码或不译码。数字和模拟亮度控制，上电时显示空白。该器件可广泛应用于条形图显示,七段显示,工业控制,仪表控制面板和LED模型显示等领域. MAX7219的外形采用24脚封装,有窄24脚和宽24脚DIP。4.4键盘接口技术该智能传感器依实际要求只设立了四个按键，因此，采用独立式连接的非编码键盘方式设计键盘。非编码键盘是说键盘上闭合键的识

55、别靠软件来现。独立连接是指每一个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的状态。当没有键按下时，与之对应的输入线为0，任何一个键按下时，与之相连的输入线被置成1，用查询指令可方便地判断哪个号按下。这种键盘的优点是简单，软件识别方便。管脚连线如图示5.2所示：图4.6 键盘接口电路在键盘输入中，因按键是机械结构，在键闭合与弹开的时候，往往产生抖动如图4.7，克服按键抖动常用的方法有两种：（1）. 是用硬件消除，既在每个键上加RC滤波电路或用一个RS触发器组成防抖的电路。（2）. 是用软件廷时程序，待按键状态稳定后再去读键的信息，防止误判断。一般按键抖动时

56、间约为了1020 ms。因此，处理程序应在按键稳定后再检查键的信息。键被按下前沿抖动键稳定后沿抖动图4.7 键盘波形5智能温度变送器的软件系统设计智能仪器被看成是专用计算机系统，其软系统可分为系统软件和应用软件两部分。硬件电路确定之后，仪表的主要功能将由软件来实现。对同一个硬件电路，配以不同的软件，所实现的功能也就不同，而且有些硬件电路功能都可用软件来实现。“微机扩展式”智能仪器是在通用微机系统平台上开发的专用计算机系统，通用微机配置的操作系统即是智能仪器主要的系统软件；对于“微机嵌入式”智能仪器，则需要专门设计管理各部分工作的监控程序。所以智能温度传感器的软件由监控程序，仪器自身检测和故障诊

57、断处理，数据处理程序，PID控制程序和通信程序等组成。图5.1为智能温度变送器的整体设计软件流程图。5.1智能温度变送器的温度采集根据MAX6675的通讯协议，当CS引脚置为低电平时，它便将此刻与其相连的热电偶所测温度转换为12位温度数据，保存在该芯片内的存储器中。在SCK引脚发送脉冲信号时，在每一个脉冲信号的下降沿，MAX6675通过SO引脚向单片机发送1位数据。 AT89S51单片机的串行模块应设为同步串行通信方式。在双方的数据交换过程中，单片机作为主机、MAX6675作为从机，因此单片机的工作模式须为从出主进方式，即MAX6675向单片机发送数据，单片机为接收MAX6675中的数据，MA

58、X6675必须向其发送缓存UTXBUF写入数据来启动数据接收过程，接收和发送数据是在时钟脉冲的两个反向沿处一起发生的，此时发送的数据位没有任何意义，MAX6675温度数据读取的过程如图5.2所示。图5.1 智能温度变送器的整体软件流程图图5.2 读MAX6675温度数据流程图5.2智能温度变送器的键盘程序键盘程序必须妥善解决键盘扫描、去抖动、多键同时按下等。（1）、软件去抖动处理：按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，我们采用软件延时的方法来避开抖动阶段。延时时间为10ms。（2）、按键连击的处理：由于单片机的速度较快，这种情况很容易发生。连击在很多情况下是不允许

59、的，它使操作者很难准确地进行操作。解决连击的关键是一次按键只让它响应一次，该键不释放就不执行第二次。（3）、键盘扫描首先单片机初始化，设置定时器/计数器0每隔20ms中断一次，开中断。然后进行扫描，若有键按下则延时10ms，然后判定是哪个键按下，并执行相应的命令，并等待该按键释放。若没有键按下，则重新设置行扫描。下面是键盘程序:图5.3移位键流程图图5.4移位键流程图图5.5加键流程图5.3 LED显示程序设计MAX7219的编程非常简单，只占用系统的3个普通I/O口，P0.0，P0.1，P0.2分别连接到MAX7219的DI，CLK，CS(LOAD)引脚，通过P0口的这些引脚来模拟7219串行工作时序达到实现LED显示接口的目的。图5.6 MAX7219显示流程图6智能温度传感器程序设计语言及开发环境6.1Keilc51程序设计语言作为一种结构化的程序设计语言，C语言的特点就是可以使你尽量少地对硬件进行操作，具有很强的功能性、结构