1. 基於單片機的溫度數據採集系統設計
單片機課程設計任務書
題目：基於單片機的溫度數據採集系統設計
一．設計要求
1．被測量溫度范圍：0~500℃，溫度解析度為0.5℃。
2．被測溫度點：4個，每2秒測量一次。
3．顯示器要求：通道號1位，溫度4位（精度到小數點後一位）。
顯示方式為定點顯示和輪流顯示。
4．鍵盤要求：
（1）定點顯示設定；（2）輪流顯示設定；（3）其他功能鍵。
二．設計內容
1．單片機及電源管理模塊設計。
單片機可選用AT89S51及其兼容系列，電源管理模塊要實
現高精密穩壓輸出，為單片機及A/D轉換器供電。
2．感測器及放大器設計。
感測器可以選用鎳鉻—鎳硅熱電偶（分度號K），放大器要實現熱電偶輸出的mV級信號到A/D輸入V級信號放大。
3．多路轉換開關及A/D轉換器設計。
多路開關可以選用CD4052，A/D可選用MC14433等。
4．顯示器設計。
可以選用LED顯示或LCD顯示。
5．鍵盤電路設計。
實現定點顯示按鍵；輪流顯示按鍵；其他功能鍵。
6．系統軟體設計。
系統初始化模塊，鍵盤掃描模塊，顯示模塊，數據採集模塊，標度變換模塊等。
引言：
在生產和日常生活中，溫度的測量及控制十分重要，實時溫度檢測系統在各個方面應用十分廣泛。消防電氣的非破壞性溫度檢測，大型電力、通訊設備過熱故障預知檢測，各類機械組件的過熱預警，醫療相關設備的溫度測試等等都離不開溫度數據採集控制系統。
隨著科學技術的發展，電子學技術也隨之迅猛發展，同時帶動了大批相關產業的發展，其應用范圍也越來越廣泛。近年來單片機發展也同樣十分迅速，單片機已經滲透到工業、農業、國防等各個領域，單片機以其體積小，可靠性高，造價低，開發周期短的特點被廣泛推廣與應用。傳統的溫度採集不僅耗時而且精度低，遠不能滿足各行業對溫度數據高精度，高可靠性的要求。溫度的控制及測量對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展起到重要作用。在單片機溫度測量系統中關鍵是測量溫度，控制溫度和保持溫度。溫度測量是工業對象的主要被控參數之一。本此題目的總體功能就是利用單片機和熱敏原件實現溫度的採集與讀數，利用五位LED顯示溫度讀數和所選通道號，實現熱電轉化，實現溫度的精確測量。本設計是以Atmel公司的AT89S51單片機為控制核心，通過MC14433模數轉換對所測的溫度進行數字量變化，且通過數碼管進行相應的溫度顯示。採用微機進行溫度檢測，數字顯示，信息存儲及實時控制，對於提高生產效率和產品質量、節約能源等都有重要作用。
目錄：
一、系統總體功能及技術指標的描述........................................ 5
二、各模塊電路原理描述............................................................. 5
2.1單片機及電源模塊設計...................................................... 5
2.2、AT89S51引腳說明.......................................................... 7
2.3、數據採集模塊設計........................................................ 11
2.4、多路開關......................................................................... 12
2.5、放大器............................................................................. 15
2.6、A/D轉換器..................................................................... 16
2.7、顯示器設計..................................................................... 21
2.8、鍵盤電路設計................................................................. 22
2.9、電路總體設計圖........................................................... 22
三、軟體流程圖 ...................................................................... 24
四、程序清單.............................................................................. 25
五、設計總結及體會.................................................................... 31
六、參考資料................................................................................ 32
一、系統總體功能及技術指標的描述
1. 系統的總體功能：
溫度數據採集系統，實現溫度的採集與讀書，利用五位LED顯示溫度讀數和所選通道號，實現熱電轉化的原理過程。
被測量溫度范圍：0~500℃，溫度解析度為0.5℃。被測溫度點4個，每2秒測量一次。顯示器要求：通道號1位，溫度4位（精度到小數點後一位）。顯示方式為定點顯示和輪流顯示，可以通過按鍵改變顯示方式。
2. 技術指標要求：
1．被測量溫度范圍：0~500℃，溫度解析度為0.5℃。
2．被測溫度點：4個，每2秒測量一次。
3．顯示器要求：通道號1位，溫度4位（精度到小數點後一位）。
顯示方式為定點顯示和輪流顯示。
4．鍵盤要求：
（1）定點顯示設定；（2）輪流顯示設定；（3）其他功能鍵。
二、各模塊電路原理描述
2.1單片機及電源模塊設計
如圖所示為AT89S51晶元的引腳圖。兼容標准MCS-51指令系統的AT89S51單片機是一個低功耗、高性能CHMOS的單片機，片內含4KB在線可編程Flash存儲器的單片機。它與通用80C51系列單片機的指令系統和引腳兼容。
AT89S51單片機片內的Flash可允許在線重新編程，也可用通用非易失性存儲編程器編程；片內數據存儲器內含128位元組的RAM；有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）埠;具有兩個16位可編程定時器；中斷系統是具有6個中斷源、5個中斷矢量、2級中斷優先順序的中斷結構；震盪器頻率0到33MHZ，因此我們在此選用12MHZ的晶振是比較合理的；具有片內看門狗定時器；具有斷電標志POF等等。AT89S51具有PDIP、TQFP和PLCC三種封裝形式[8]。
圖5.1-1 AT89S51引腳圖
上圖就是PDIP封裝的引腳排列，下面介紹各引腳的功能。
2.2、AT89S51引腳說明
P0口：8位、開漏級、雙向I/O口。P0口可作為通用I/O口，但須外接上拉電阻；作為輸出口，每各引腳可吸收8各TTL的灌電流。作為輸入時，首先應將引腳置1。P0也可用做訪問外部程序存儲器和數據存儲器時的低8位地址/數據匯流排的復用線。在該模式下，P0口含有內部上拉電阻。在FLASH編程時，P0口接收代碼位元組數據；在編程效驗時，P0口輸出代碼位元組數據(需要外接上拉電阻)。
P1口：8位、雙向I/0口，內部含有上拉電阻。P1口可作普通I/O口。輸出緩沖器可驅動四個TTL負載；用作輸入時，先將引腳置1，由片內上拉電阻將其抬到高電平。P1口的引腳可由外部負載拉到低電平，通過上拉電阻提供電流。在FLASH並行編程和校驗時，P1口可輸入低位元組地址。在串列編程和效驗時，P1.5/MO-SI，P1.6/MISO和P1.7/SCK分別是串列數據輸入、輸出和移位脈沖引腳。
P2口：具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P2口用做輸出口時，可驅動4各TTL負載；用做輸入口時，先將引腳置1，由內部上拉電阻將其提高到高電平。若負載為低電平，則通過內部上拉電阻向外部輸出電流。CPU訪問外部16位地址的存儲器時，P2口提供高8位地址。當CPU用8位地址定址外部存儲時，P2口為P2特殊功能寄存器的內容。在FLASH並行編程和校驗時，P2口可輸入高位元組地址和某些控制信號。
P3口：具有內部上拉電阻的8位雙向口。P3口用做輸出口時，輸出緩沖器可吸收4各TTL的灌電流；用做輸入口時，首先將引腳置1，由內部上拉電阻抬位高電平。若外部的負載是低電平，則通過內部上拉電阻向輸出電流。在與FLASH並行編程和校驗時，P3口可輸入某些控制信號。P3口除了通用I/O口功能外，還有替代功能，如表5.3-1所示。
表5.3-1 P3口的替代功能
引腳
符號
說明
P3.0
RXD
串列口輸入
P3.1
TXD
串列口輸出
P3.2
/INT0
外部中斷0
P3.3
/INT1
外部中斷1
P3.4
T0
T0定時器的外部的計數輸入
P3.5
T1
T1定時器的外部的計數輸入
P3.6
/WR
外部數據存儲器的寫選通
P3.7
/RD
外部數據存儲器的讀選通
RST：復位端。當振盪器工作時，此引腳上出現兩個機器周期的高電平將系統復位。
ALE/ ：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）是一個用於鎖存地址的低8位位元組的書粗脈沖。在Flash 編程期間，此引腳也可用於輸入編程脈沖（）。在正常操作情況下，ALE以振盪器頻率的1/6的固定速率發出脈沖，它是用作對外輸出的時鍾，需要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如果希望禁止ALE操作，可通過將特殊功能寄存器中位地址為8EH那位置的「0」來實現。該位置的「1」後。ALE僅在MOVE或MOVC指令期間激活，否則ALE引腳將被略微拉高。若微控制器在外部執行方式，ALE禁止位無效。
：外部程序存儲器讀選取通信號。當AT89S51在讀取外部程序時， 每個機器周期 將PSEN激活兩次。在此期間內，每當訪問外部數據存儲器時，將跳過兩個信號。
/Vpp：訪問外部程序存儲器允許端。為了能夠從外部程序存儲器的0000H至FFFFH單元中取指令，必須接地，然而要注意的是，若對加密位1進行編程，則在復位時，的狀態在內部被鎖存。
執行內部程序應接VCC。不當選擇12V編程電源時，在Flash編程期間，這個引腳可接12V編程電壓。
XTAL1：振盪器反向放大器輸入端和內部時鍾發生器的輸入端。
XTAL2：振盪器反相放大器輸出端[9]。
電源模塊設計
在影響單片機系統可靠性的諸多因素中，電源干擾可謂首屈一指，據統計，計算機應用系統的運行故障有90％以上是由電源雜訊引起的。為了提高系統供電可靠性，交流供電應採用交流穩壓器，防止電源的過壓和欠壓，直流電源抗干擾措施有採用高質量集成穩壓電路單獨供電，採用直流開關電源，採用DC-DC變換器。本次設計決定採用MAXim公司的高電壓低功耗線性變換器MAX 1616作為電壓變換，採用該器件將輸入的24V電壓變換為5V電壓，給外圍5V的器件供電。MAX1616具有如下特點：
1.4~28V電壓輸入范圍。
2.最大80uA的靜態工作電流。
3.3V/5V電壓可選輸出。
4.30mA輸出電流。
5.2％的電壓輸出精度。
電源管理模塊電路圖如下：
本電路採用該器件將輸入的24V電壓變成5V電壓，給外圍5V的器件供電，其中二極體D1是保護二極體，防止輸入電壓接反可能帶來的對電路的影響和破壞。