基于单片机的多路温度采集系统

基于单片机的多路温度采集系统

摘要：本文是以MCS-51单片机系统为基础的，通过热电阻的阻值随温度的变化而得到的模拟信号进行采集，连接多路模拟开关实现多路模拟信号的采集，并通过A/D转换器对模拟信号进行数模转换，把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机或把指定的那路信号送入单片机，通过单片机进行控制操作。本文通过单片机报警系统来实现热电阻传感器测量的温度范围-50-100摄氏度，若超出这个温度范围则报警。以单片机为核心完成温度检测、数据处理.显示及上下限报警功能。本系统设计简单，性能稳定，能够通过单片机灵活编程进行各种功能的设定和修改。

关键词：A/D转换器;热电阻;单片机

Abstract: It is based on MCS-51 one-chip computer system for this text to design, is it gather to go on through thermal resistance changer to analog signal that thermal resistance receive with change of temperature, join many way analog switch realize many way collection of analog signal , is it count through A/D converter to analog signal mould change to go on, Send digital signal received to change according to order into one-chip computer or designated those distance signal send into the one-chip computer separately, carry on control operation through one-chip computer. This text realizes 200~700 degrees Centigrade of temperature ranges that the thermal resistance sensor measure at the same time through the warning system of the one-chip computer, if beyond the scope of this temperature to report to the police. Regard one-chip computer as the core and finish temperature and patrol examining , data processing. Show and the warning function of upper and lower limits.

Key words: A/D converter; thermal resistance changer; an one-chip computer

目 录

1 引言 .............................................................................................................................. 1 2 硬件部分设计 .............................................................................................................. 2

i

2.1 系统总体框架结构 ................................................................................................... 2 2.2温度采样输入电路 .................................................................................................... 2 2.2.1 温度采样电路 ........................................................................................................ 2 2.2.2 A/D转换电路 .......................................................................................................... 3 2.3 键盘控制的设计 ....................................................................................................... 5 2.4 显示系统的设计 ....................................................................................................... 5 2.4.1 YH310401K三位一体数码管 ................................................................................ 5 2.4.2 LED显示电路设计 ................................................................................................. 6 2.5 报警系统的设计 ..................................................................................................... 7 2.6 系统的电源设计 ....................................................................................................... 7 3 系统软件设计 .............................................................................................................. 8 3.1 温度检测程序设计 ................................................................................................... 8 3.1.1 主程序的设计 ........................................................................................................ 8 3.1.2 定时器中断程序的设计 ........................................................................................ 8 3.1.3 数据采样程序的设计 ............................................................................................ 9 3.1.4 A/D转换程序流程图 ............................................................................................ 10 3.2 LED显示程序设计 .................................................................................................. 11 3.3 报警系统的程序设计 ............................................................................................. 11 总结 ................................................................................................................................ 13 附录1：程序清单 ......................................................................................................... 14 附录2：电路原理图 ..................................................................................................... 19

ii

1 引言

温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、烘烤、煅烧、蒸馏、结晶、空气流动以及温度漂移等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量以及生活安全等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。

本文是基于单片机的多路温度采集控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过温度传感器检测环境温度信号，再经A/D转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出I/O口，来控制继电器的闭合，达到弱电控制强电的目的，从而实现对了对环境温度的调节。 本人的主要工作是运用单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制四个开关管的接通与闭合，从而实现输出电压的变化，并通过在输出端串接一段康铜丝对输出电流进行实时检测，并输出充退磁信号，以实现远程控制。

1

2 硬件部分设计

2.1 系统总体框架结构

温度采 样电路 8051 显示 电路 报警 电路 A/D转 换电路 电源 电路 图1 系统总体框图

如图1所示本系统以AT80C51单片机为基础，通过温度采样电路对环境温度采样，然后将采样后的模拟信号送入A/D转换器转换为数字信号后送入单片机，采样后的温度信息通过单片机控制显示电路进行输出，实时显示，同时当环境温度超过系统允许值时，报警电路工作，进行报警。 2.2温度采样输入电路

本文温度采样电路通过电流型温度传感器AD590采样，ADC0809集成芯片作为A/D转换电路，并对多路输入信号进行选择。 2.2.1 温度采样电路

（1）AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。其电路外形如图2所示，它采用金属壳3 脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3所示。

图2 AD590的外形 图3 AD590的电路符号

AD590的主特性参数如下：

工作电压：4～30V； 工作温度：－55～＋150℃；

2

保存温度：－65～＋175℃； 正向电压：＋44V； 反向电压：－20V； 灵敏度：1μA／K。

（2）温度采样电路如图4，在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个 10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV／K。图4所示是一个电流／电压和绝对／摄氏温标的转换电路，其中运算放大器U1A被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放U1B的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1．235V），然后将此电压放大到2．73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。U1C是一个减法器将A1与A2相减后输出。

11+9VU1A2R2500KAD590LM324413R71K10R8U1C1KU1B5R110KCW3581.235VR31K76LM324R61KLM324R51KR41K 图4 温度采样输入电路

2.2.2 A/D转换电路

ADC0809是带有8位A/D转换器、8个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态地址锁存器。启动信号为脉冲启动方式，最大可调误差为1LS。ADC0809内部设有时钟电路，故CLK时钟需要由外部输入，型值为0KHz。 引脚结构：

ADC0809采用双列直插式封装，共有2引脚。其引脚结构图如图5所示。 IN0-IN7: 模拟量通道。ADC 0809对输入模拟量要求：信号单极性,电压范围是0-5v，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模

3

fclk允许范围为500Khz-1MHz，典

拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

IC31069222324257171415818192021CLOCKSTARTENABLEALEref(+)ref(-)1216IN-7ADD-CADD-BADD-AEOCIN-4lsb2-82-72-62-52-42-32-2msb2-1IN-3IN-2IN-1IN-0IN-6IN-5321282726 图5 ADC0809引脚图

地址输入和控制线：4条。ALE 为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE现为高电平时，地止锁存与译码器将ADDA、ADDB和ADDC三条地址输入线，用于选通IN0~IN7上的一路模拟量输入。

ADC0808数字量输出及控制线：11条。START 为转换启动信号。当START上跳沿时，所有

内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。EOC位转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1,输出转换得到的数据；OE=0，输出数据线呈高阻状态。D7-D0为数字数出线。

电源线及其他：5条。CLOCK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须有外界提供，通常使用频率为500KHz的时钟信号。Vcc为+5V电源线。GND为地线。Vref(+)和Vref(-)为参考电压输入，参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

本系统中ADC0809通过单片机程序选择多路输入中的一路模拟信号，并将将采样的模拟信号转换为数字信号送入单片机。

4

2.3 键盘控制的设计

键盘按结构的不同可分为式按键和行列式键盘两类，每类按译码方式的不同又分为编码式和非编码式两种。本设计采用式按键方式，如图6所示，主要通过4个键，S1、S2、S3、S4来实现指定显示某一电路，当S1断开时，为巡回检测电路，当S1闭合时，指定显示电路的通道数与S2、S3、S4的关系见下表1。

VCCR210KR310KR410KR510KP1.3P1.4P1.5P1.6S1SW-PBS2SW-PBS3SW-PBS4SW-PB图6 键盘电路

表1 S键对应的通道数

S2

0 1 0 1 0 1 0 1

S4 0 0 0 0 1 1 1 1

S3 0 0 1 1 0 0 1 1

对应通道数

#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7

“1’”表示键闭合，“0”表示键断开。

2.4 显示系统的设计

显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的值，以便使

现场工作人员能够及时掌握生产过程。 2.4.1 YH310401K三位一体数码管

本文采用YH310401K三位一体数码管，如图7所示，采用12脚双列直插式封装，a-g、dp为段引脚，SEG1-3为位引脚，采用共阳结构。本文中的显示精度为一位小数点。

5

图7 SR410561K数码管外形及电路符号

2.4.2 LED显示电路设计

LED的显示有静态显示方式和动态显示方式。在静态显示方式下，N块显示器件都处于选通状态；每一块显示器件的段选线和一个8位的并行口相连，只要控制显示位的段选码，就可显示出相应的字幅。由于显示器件由不同的I/O控制，所以静态显示方式中的每一位都可以显示，在同一时刻每一位显示的字符可以各不相同。

LED动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起，有一个8位I/O口控制，而位选线则有其他的I/O口控制，通过程序控制，不断循环输出相应的段选码和位选码，由于人的视觉暂留效应，就可以获得视觉稳定的显示状态。

本设计选用的是串行口动态扫描显示，其电路图如8所示。74LS1为串行输入/8位并行输出的移位寄存器。由于单片机输出的电流驱动能力较小，为此，使用了未级驱动三极管作为地址驱动。

9TXDRXD8MRCLKQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0131211106326911123810abcdeafegdbfceDPYagdbfcedpagdbcdpSEG1SEG2BA74LS114SEG321fgdpdpP10P11P12V1V25V3+5V图8 串行动态LED扫描电路

6

2.5 报警系统的设计

+5VPNPP17R224K7RQ5LED 图9 报警系统的电路图

报警系统的电路图如图9所示。报警是单片机控制系统的一项重要功能，主要用于保证设备正常运行和安全等。在工作过程中控制系统实时检测环境温度，当超出允许范围时，控制系统便会发出报警信号，引起操作者的注意以便采取相应的处理措施。 2.6 系统的电源设计

稳压电源是单片机测控系统的重要组成部分，它不仅为测控系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。近年来，传统的线性稳压电源正逐步被高效率的开关电源所取代。特别是单片开关电源的迅速推广应用，为设计新型、高效、节能电源创造了良好的条件。

线性集成稳压器分固定式输出、可调式输出两种类型，本文中选用78L05和78L09，其电路图如图10所示。此系统中除了提供主系统电源外，还需要提供+9V电源。

UA78L09C31+9V+9V11Vin7805+5VGND+5V3VinGND2T1BRIDGE13C11000uFLEDC2470uF图10 电源电路原理图

7

2220V9V4B12C3470uF

3 系统软件设计

3.1 温度检测程序设计

温度检测程序主要由以下几个方面构成：

（1） 采样周期T的确定：如果对控制系统的速度要求不高，且计算机的工作任务较少，采样周期可通过软件程序实现；否则应通过扩展时钟芯片实现。

（2）采样开关通道号的控制：控制采样开关选择要监测数据的通道。 （3）A/D转换：实现模拟量到数字量的转换。 3.1.1 主程序的设计

开始 设置中断向量 定时器初始化 中断初始化 开中断 启动定时器 等待中断 图11 主程序程序流程图

主程序流程图如图11所示，其功能为：设置定时器0、外部中断0、和外部中断1的中断程序入口；设置定时器0的工作方式为1；定时时间为100ms；设置计数单元（30H）初值。初始化程序完成后启动定时器，等待中断。此程序等待中断处为死循环，当中断程序完成后，装入定时器初始值，继续等待中断，如此一直重复下去，直到关闭主电源为止。

3.1.2 定时器中断程序的设计

定时器0中断功能：实现8秒定时，通过检测计数单元的数据判断定时事件是否到

8

8秒，8秒时间到，触发外部中断0，执行数据采样程序。定时器中断程序流程框图12所示。

开始 关中计数单元否 8秒定时到 ？ 是 触发INT0 重新加载数开中断 返回

图12 定时器中断程序流程图

3.1.3 数据采样程序的设计

数据采样程序功能：温度检测通道，控制存放数据的地址和采样次数。数据检测的方式是先对8个通道各采样一次，然后再采集第二次„„共采集五次。采样程序采用中断方式。

在设置通道初值、通道数、采样次数和存放数据的开始地址后，启动A/D转换，随后检测标志位状态。标志位被清零，标志着本通道的A/D转换已经结束，在修改通道号和数据存放地址后，对下一通道继续检测。当8个通道的检测工作完成后，判断5次采样是否全部完成，若没完成，则对8个通道继续采样，直至完成5次采样工作。数据采样程序流程框图如3-3所示。

9

开始 置标志设置通道初始值 采样次数； 数据存放地址； 启动A/D转换 等待中标志位改否 是 置通道初， 数据存放首置标志修改通道号数据存放地否 8各通道均采 样？ 是

5次采样完成 否？ 是 返回 图13 数据采样程序流程图

3.1.4 A/D转换程序流程图

A/D转换完成中断功能：将标志位清零，读取转换后的温度数据并存放在RAM中。

A/D转换完成中断程序流程图如图14所示。

程序说明：程序实现5次采样，每次检测8个通道。

10

开始 读入数据 存储数据 标志位清零返回 图14 A/D转换完成中断程序流程图

3.2 LED显示程序设计

动态显示程序流程图如图15所示。

开始 设置显示数据区首设置位选字输出位选读显示数查段选输出段选延时10ms 否 显示完4位数据否 ？是 返回 图15 动态显示程序流程图

3.3 报警系统的程序设计

报警处理程序一般都需要根据系统的要求编写，如有的报警系统要求能够发出声光报警信号、记录报警时间参数或进行自动处理等。虽然不同的系统的报警处理程序是不一样的，但报警程序的设计基本思想是相同的。报警程序主要有以下几个步骤组成：

（1） 采样被测参数。

11

开取报警上是 采样值超上限否 取报警下采样值超下限否 设置采样正常标是 上次采样正常否 允许连续采样异是 次数否 允许连续采异常次数是 重置允许续异常次报警处设置采样异常标结束 图16 报警程序流程框图

（2）比较采样值和给定的上下限。

（3）根据比较结果执行相应的处理程序。报警程序的设计思想是预设允许的连续异常的次数为N，将采样值和预先设定的报警值进行比较，如果发现采样值超过报警值，则判断上一次采样值是否正常。如果正常，则重置允许的连续不正常的次数N，并设置本次采样不正常标志，然后继续采样。如果上一次采样值不正常，则判断是否连续N次采样异常，不是则设置本次采样不正常标识以及计算允许的连续异常次数，然后继续采样；否则发出执行报警处理程序。设上限报警值存放在Amax单元，下限报警值存放在Amin单元，采样值存放在SAMP单元，允许的连续异常次数存放在NUM单元。FLAG为上次采样异常标志位，FLAG=0,上次采样正常；FLAG=1,上次采样异常。报警程序流程框图16所示。

12

总结

本文以MCS-51单片机系统为基础，通过热电阻AD590的阻值随温度的变化而得到的模拟信号进行采集，连接ADC0809实现多路模拟信号的采集，并通过A/D转换器对模拟信号进行数模转换，把转换得到的数字信号送入单片机,通过单片机进行控制操作。本文测量的温度范围为零下40到120摄氏度，若超出这个温度范围则报警。以单片机为核心完成温度检测、数据处理.显示及上下限报警功能。本系统设计简单，性能稳定，能够通过单片机灵活编程进行各种功能的设定和修改。

参考文献：

[1] 余锡存, 曹国华. 单片机原理与实用技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2007.9. [2] 王为青, 程国刚. 单片机Keil Cx51应用开发技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.12:223-226. [3] 陈学平. protel2004快速上手[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2005.9.. [4] 康华光. 电子技术基础摸拟部分[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.1. [5] 康华光. 电子技术基础数字部分[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.1.

[6] 郁有文等. 传感器原理及工程应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2008.7:215-238.

13

附录1：程序清单

初始化程序清单：

ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP SAMPLE ORG 0013H AJMP EOC

START：MOV TMOD，#01H MOV TH0, #3CH MOV TL0, #0B0H MOV 30H, #00H SETB IT0 SETR IT1 SETB EX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0

HERE：AJMP HERE 定时器中断程序程序清单：

TIME0：CLR EA

INC 30H MOV A, 30H XRL A, #50H JZ S_8 AJMP RECOUN S_8：SETB P3.2

NOP CLR P3.2 NOP

RECOUN：MOV TH0, #3CH

14

MOV TL0, #0B0H SETB EA RET1

数据采样程序程序清单：

SAMPLE：SETB 00H

MOV DPTR, #0F00H MOV R6, #08H MOV R7, #05H MOV R0, #40H TRANS： MOVX @DPTR,A WAIT： JB 00H,WAIT SETB 00H INC DPTR INC R0 INC R0 INC R0 INC R0

INC R0 DINZ R6,#TRAN_S MOV DPTR,#0F00H INC R0 DJNZ R7,TRAN_S …… …… RETI

A/D转换完成中断程序程序清单：EOC中断处理程序 EOC：MOVX A,@DPTR MOV @R0,A CLR 00H RETI

15

串行显示的程序清单：

ORG0100H MOV SCON,#00 H MAIN:MOV R3,#OOH LOOP:MOV R4,#0E8H DELAY:ACALL DISPLAY DJNZ R4,DELAY INC R3

CJNE R3,#0AH,LOOP AJMP MAIN DISPLAY:CLR P3.2 CLR P3.3 ACALL DISP ACALL DELAY1 SETB P3.2 ACALL DISP ACALL DELAY1 SETB P3.3 CLR P3.2 ACALL DISP

16

ACALL DELAY1 SETB P3.2 SETB P3.3 ACALL DISP ACALL DELAY1 DISP:MOV A, R3 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR MOV BUFF, A WAIT:JNB TI,WAIT CLR TI RET

DELAY1:MOV R6,#10H LOOP1:MOV R7,#38H LOOP2:DJNZ R7,LOOP2 DJNZ R6,LOOP1 RET

TABLE:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H, DB 92H,82H, 0F8H,80H,90H END

17

报警程序清单：

MOV NUM,#03H

CHECK: CLR C MOV A,Amax SUBB A,SAMP JC ABNORMAL MOV A,Amin SUBB A,SAMP JNC ABNORMAL AJMP RETU

ABNORMAL: JB FLAG,ABNOR-L MOV NUB,#03H SETB FLAG AJMP RETU

ABNOR-L: MOV A,NUM JZ ALARM DEC NUM SERB FLAG AJMP RETU

ALARM1: … … RETU: RET

18

NAND1NAND2IC3IC2ref(+)ref(-)5OUT7OUT6OUT5OUT4OUT3OUT22726IN-0OUT1OUT043212816CLOCKSTARTENABLEALEIN-7ADD-CADD-BADD-AIN-6IN-5EOCIN-4IN-3IN-2IN-112106922+5VIC1Q5LEDQ5R227P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07232425111OELE74LS373VCCD0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q712345678P10P11P12P13P14P15P16P173938373635343332D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D73478131417182569121516194K7附录2：电路原理图

PNP1312INT1INT0+5VC41514T1T020PNOT31EA/VPC028P1918ADC0808P20P21P22P23P24P25P26P27D7D6D5D4D3D2D1D0lsb2-82-72-62-52-42-32-2msb2-11714158181920212122232425262728C5X1X2IN7IN7.SCHIN6IN6.SCHIN5IN5.SCHIN4IN4.SCHIN3IN3.SCHIN2IN2.SCHIN1IN1.SCHIN0IN0.SCH9RXDTXDALE/PPSEN3120PRESETR11716RDWR10RXD11TXD3029UA78L09CVinGND+19V+9V11Vin7805+5VGND+5V310K8051

DPYagf2bS1SW-PBT1BRIDGE13dfgdpeC72.2uFBA21gfbgfbCLK8C60.01uFcdecdecabcdeTXDRXD220VB1C11000uFLED2aaMR99V42C2470uFC3470uFSEG3SEG2SEG1dpdpdp26911123810Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q074LS1R31KCW3581.235VR41KU1B675LM32441312111063VCCP13P14P15P16VCC+9V11

V2P10P11P12V1R110KR61K98U1AAD590R2500K312LM324R71K10RL8M3241KOUT1R51KU1C+5VR2S110KR3SW-PBS210KR4SW-PBS3V310KR5SW-PBS410KSW-PB+5V1

19