【正文】 ............................................ 28 第六章 硬件電路調(diào)試和軟件測試 ............................................................................... 29 測溫電路調(diào)試 ................................................................................................................ 29 主電路調(diào)試 ..................................................................................................................... 31 錯(cuò)誤分析與解決方案 ...................................................................................................... 36 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................... 37 致 謝 ....................................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 39 附 錄 ....................................................................................................................................... 40 元件清單 ............................................................................................................................. 40 熱敏電阻溫度 /阻值表 .......................................................................................................... 41 程序清單 ............................................................................................................................. 42 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒 論 本課題研究意義 單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，其資源又能滿足很多應(yīng)用場合的需要，加之單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、速度快、體積小、功耗低、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、高級計(jì)算器、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。特別是當(dāng)前用 CMOS 工藝制成的各種單片機(jī)，由于功耗低，使用的溫度范圍大，抗干擾能力強(qiáng)，能滿足一些特殊要求的應(yīng)用場合，更加擴(kuò)大了 單片機(jī)的應(yīng)用范圍，也進(jìn)一步促使單片機(jī)性能的發(fā)展。 溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、化工、石油等領(lǐng)域最常用到的一個(gè)物理量。最常見到得測量溫度的工具是各種各樣的溫度計(jì)，例如：水銀玻璃溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)、熱電偶或熱電阻溫度計(jì)等。利用單片機(jī)和溫度傳感器構(gòu)成的電子式智能溫度計(jì)就可以直接測量溫度，得到溫度的數(shù)字值，既簡單方便，有直觀準(zhǔn)確?；趩纹瑱C(jī)檢測溫度的傳感元件也不斷更新如： DALLAS公司生產(chǎn)的一種新型溫度傳感器 DS18B20，其優(yōu)點(diǎn)集溫度測量、 A/D 轉(zhuǎn)換于一體，極大的簡化了整體電路，使得系統(tǒng)更加小型化、低功耗。是今年以來最廣泛運(yùn)用的，它 具有很高的工作精度和攝氏溫度線性成比例且無需外部校準(zhǔn)或微調(diào) 。因而被廣泛應(yīng)用于溫度測量、 恒溫控制、溫度補(bǔ)償?shù)纫筝^高環(huán)境中。特別是 50～ +300℃范圍內(nèi) , 在溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流、溫度檢測方面熱敏有不可替代的作用。 本課題 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)任務(wù)：本課題主要實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)溫度進(jìn)行測量并同時(shí)準(zhǔn)確顯示。 設(shè)計(jì)一種合理、可行的單片機(jī)監(jiān)控 方案 ，完成 多點(diǎn)測量、顯示和控制的 任務(wù)， 并 編寫 軟件 程序 ，進(jìn)行 Proteus仿真 。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： ① 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿 真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。 ② 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。 ③ 提供軟件調(diào)試功能。 ④ 支持大量的存儲器和外圍芯片 。其仿真界面如圖 21所示： 圖 21 proteus 仿真界面 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 Proteus 仿真過程說明 ① 選取元件，單擊如圖 22 的元件選取按鈕 “P”出現(xiàn)如圖 23 的窗口。 圖 23 選取元件 ② 放置元件，元件列表如圖 24，用鼠標(biāo)選取元件放置在原理圖編輯窗口。 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 圖 24 放置元件在編輯窗口 ③ 添加仿真程序如圖 214，元件放置好，按照原理圖開始連接。 圖 25 編輯單片機(jī)屬性 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 26 添加 HEX 文件 在如圖 26 的 Program File 里添加 KEIL 所生成的 HEX 文件，點(diǎn)擊確定 ，完成了單片機(jī)所要執(zhí)行的程序，同時(shí)在 Clock Frequency 一欄選擇單片機(jī)晶振的頻率為 12MHz ④ 開始仿真，點(diǎn)擊如圖 21 的 仿真按鈕， Proteus 開始仿真。 圖 27 仿真結(jié)果 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 第三章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 方案一：利用鎖存器，觸發(fā)器擴(kuò)展 P0 口 圖 31 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖一 方案二：利用 8255A 擴(kuò)展 I/O 口 圖 32 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖二 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 方案原理說明 方案一如圖 31 所示 ，采用單片機(jī)的 P0 口連接 ADC0809， P1 口連接按鍵對單片機(jī)實(shí)時(shí)控制，用 D 數(shù)據(jù)鎖存器 74HC373 將 P0 口的低三位值傳送給 A/D 轉(zhuǎn)換器的地址選擇端口，同時(shí)用兩個(gè) D 型觸發(fā)器 74HC273 將 P0 口輸出的值顯示在 LED 上。 其工作原理以 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，利用熱敏電阻設(shè)計(jì)成測溫電路。此信號送人單片機(jī)系統(tǒng)，將最后的測量結(jié)果送入 L E D 數(shù)字顯示模塊顯示溫度數(shù)據(jù)。 方案二如圖 32 所示 ，利用 8255A 擴(kuò)展單片機(jī)的 I/O 口，其工作原理大致與方案一相同，不同的是用 P2 口控制 ADC0809，測溫電路測得的電壓值送至 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送給 8255A 的 A 口， A 口有輸入鎖存功能。單片機(jī)的指針轉(zhuǎn)向 B 口和 C 口，將轉(zhuǎn)換后的值在 LED 顯示。 ② 由于芯片多所造成連線交叉，產(chǎn)生干擾信號。 ④ 器件多不易于模塊調(diào)試和出錯(cuò)檢查。既解決芯片問題又使得接線清晰。不能發(fā)揮單片機(jī) 集成度高、功能強(qiáng)、速度快、體積小、功耗低、使用方 便、價(jià)格低廉等特點(diǎn) 。 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 第四章 硬件電路的設(shè)計(jì) 測溫電路的設(shè)計(jì) 熱敏電阻的選擇 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的阻值隨溫度變化這一特性而制成的，分為 NTC（負(fù)溫度系數(shù) Negative Temperature Coefficient）熱敏電阻、 PTC（正溫度系數(shù) Positive Temperature Coefficient）熱敏電阻兩大類 [10]。 PTC 熱敏電阻的制造材料是以BaTiO3 或 SrTiO3 或 PbTiO3 為主要成分的燒結(jié)體，并摻入微量的 Nb、 Ta、 Bi、 Sb、 Y、La 等氧化物進(jìn)行原子價(jià)控制而使之半導(dǎo)體化，常將這種半導(dǎo)體化的 BaTiO3 等材料簡稱為半導(dǎo)（體）瓷；同時(shí)還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的 Mn、 Fe、 Cu、 Cr 氧化物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫?zé)Y(jié)而使鈦酸鉑等及其固溶體半導(dǎo)化，從而得到正溫度特性的熱敏電阻材料。 NTC 熱敏電阻 是指電阻值隨溫度上升而減小，具有負(fù)溫度 系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料。所以選用 NTC 熱敏電阻是本設(shè)計(jì)的最佳溫度傳感元件 [10]。 NR ：在額定溫度 TN （ K ）時(shí)的 NTC 熱敏電阻阻值。 K：開爾文溫度 B： NTC 熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。 關(guān)系式 (41)是經(jīng)驗(yàn)公式，只在額定溫度 TN 或額定電阻阻值 RN 的有限范圍內(nèi)才具有一定的精確度，因?yàn)椴牧铣?shù) B 本身也是溫度 T 的函數(shù)。 ℃，適合制作高精度的溫度傳感器。 圖 41 恒壓式測溫系統(tǒng)框圖 輸出端 V2 的電壓為 : VRRTRTV22 ?? (42) 當(dāng) RT 發(fā)生 R? 變化時(shí)，輸出電壓 39。2 (43) 輸出端 V2 的誤差 2V? : ? ?? ? VRRRTRRT RRTVVV ???? ????? ? 2239。 輸出電壓 0V VRTR RTRR RAV ttV ????????? ????? 210 (47) 基于 STC89C52 單片機(jī)的多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 方案二：恒流式測溫系統(tǒng) 恒流式測溫系統(tǒng)框圖如圖 42 所示，主要由恒流源、 NTC 熱敏電阻 RT、取樣電阻R、 A/D 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。 圖 42 恒流式測溫系統(tǒng)框圖 NTC 熱敏電阻輸出電壓 V? 為： RTIV ??? (48) 經(jīng)放大器輸出的電壓 0V 為： VARTIV ???0 (49) 取樣電阻的輸出電壓 refV 為： IRVref ? (410) A/D 轉(zhuǎn)換器輸 出數(shù)字量 Code 公式為： ? ?REFn VA INC ode /2 ?? (411) AIN 為輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器電壓的模擬量。該系統(tǒng)精度達(dá) ℃ [1]。測溫系統(tǒng)的要求溫度精度為177。所以選擇方案一是可行的 [1]。位數(shù)越高其分辨率就越高，價(jià)格也就越貴。 方案一： 采用 逐漸逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器： 它是一種速度快、精度較高、成本較低的直接式轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾微秒到幾百微秒之間 ，常用最典型的為 ADC080 AD1674。 方案三： 采用 并行式 A/D 轉(zhuǎn)換器： 它又被稱為 flash（快速）型，它的轉(zhuǎn)換數(shù)度很高，但它采用了很多個(gè)比較器，而 n位的轉(zhuǎn)換就需要 2n1 個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也很貴，只適用于視頻 A/D轉(zhuǎn)換器等數(shù)度特別高的領(lǐng)域 ，常用有 AD7846 等 。 鑒于上面三種方案，在價(jià)格、轉(zhuǎn)換速度等多種標(biāo)準(zhǔn)考慮下，本 次 設(shè)計(jì)選用的是逐漸逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 —ADC0809。 對于該八路通道輸入信號，八位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其精度為： 8 %2? ? 輸入為 0~5V 時(shí)，分辨率為： 85 0 .0 1 9 61122FsN Vv ???? 其中： Fsv —A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程值 N —ADC 的二進(jìn)制位數(shù) 量化誤差為： A D D A ～ A D D C