1、 基于 51 单片机的温度测量仪 摘要 ： 单片微型计算机 (Single Chip Microcomputer)简称单片机 ,又称 MCU(Micro Controller Unit),是将计算机的基本部分微型化 ,使之集成在一块芯片上的微机 .片内含有CPU、 ROM、 RAM、并行 I/O、串行 I/O、定时器 /计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。 随着科技的发展，单 片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单 片机单芯片的微小体积和低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家
2、用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。 本文所涉及的是市场占有率最高的是 MCS 51 系列，因为世界上很多知名的 IC 生产厂家都生产 51 兼容的芯片。生产 MCS 51 系列单片机的厂家如美国 AMD 公司、 ATMEL 公司、INTEL 公司、 WINBOND 公司、 PHILIPS 公司、 ISSI 公司、 TEMIC 公司及南韩的 LG 公司、日本NEC、西门子公司等。到 目前为止， MCS 51 单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。 关键字： 单片机
3、 A/D 温度测控 MCS-80C51 目 录 一 . 选题背景 1 1.单片机的历史 1 2.MCS-51 单片机应用 4 3.芯片的介绍 4 二 . 方案论证 6 1 A/D 转换原理 6 （ 1）逐次逼近式转换原理 6 （ 2）积分转换原理 6 2 A/D 转换器的主要性能指标和参数 8 （ 1）分辨率 (Resolution) 8 （ 2）量化误差 (Quantizing Error) 8 （ 3）线性度 (Linearity) 9 （ 4）绝对精度 (Absolute Accuracy) 9 （ 5）转换时间 (Conversion Time) 9 3 A/D 转换器的基本工作原理及
4、器件介绍 9 三 . 过程论述 11 1.数据定标 11 2.信号放大 13 四 . 结果分析 14 五 . 总结 15 六 . 致谢 16 七 . 附录 17 八 .参考文献 . 20 一 背 景 1 单片机的历史 自 1971 年美国 INTEL 公司制 造出第一块 4 位微处理器以来，其发展十分迅猛，到目前为止，大致可分为以下五个阶段： （ 1） 4 位单片机（ 1971 1974） （ 2） 低档 8 位单片机（ 1974 1978） （ 3） 高档 8 位单片机（ 1978 1982） （ 4） 16 位单片机（ 1982 1990） （ 5） 新一代单片机（ 90 年代以来） 2
5、单片机的应用 因单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器等领域均得到广泛的应用。按照单片机的特点，单片机可分为单机应用和多机应用。 在一个应用系统 中，只用一个单片机，这是目前应用最多的方式，主要应用领域有： （ 1）单机应用： 测控系统。用单片机可构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。例如，温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统、车辆检测系统、机器人轴处理器等 2。 智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能迥数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度
6、等的测量、显示及仪表控制。通过采用单片机软件编程技术，使测量仪表中长期存在的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。 机电一 体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化。这类产品如：简易数控机床，电脑绣花机，医疗器械等。 智能接口。在计算机控制系统（特别是较大型的工业测控系统）中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，因单片机与主机是并行工作，故能大大提高了系统的运行速度。例如：在大型数据采集系统中，用单片机对 ADC 接口进行控制不仅可提高采集速度，而且还能对数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。 智能民用产品。在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤
7、、收银机、办公设备、厨房设备等产品 中引入单片机，不仅使产品的功能大大增强，而且获得了良好的使用效果。 （ 2）多机应用：单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。 功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。例如：一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱动等结构。 并行多控制系统。并行多控制系统主要解决工程应用系统的快速问题，以便构成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图像处理系统等。 局部网络系统。单片机网络系统的出现，使单片机应用进入了
8、一个新的水平。目前该网络系统主要是分布式测控系统，单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测控子级系统。 典型的分布式测控系统有两种类型：树状网络系统与位总线网络系统。 单片机是现代计算机、电子技术的新兴领域，无论是单片机本身还是单片机应用系统设计方法都会随时代不断发生变化。 综上所述，单片机已成为计算机发展和应有的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的 大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是对传统控制技术的一次革命。 3 设计的各种
9、芯片介绍 先对本次设计需要用到的芯片进行大致介绍。 第一块芯片： 图 1 80C51 的内部结构 图 2 80C51 芯片 P0RTO :P0.0-P0.7(3932)端口 0 是一个 8 位宽的漏极开路双向输入输出端口，共有 8位， P0.0 表示位 0， P0.1 表示位 1。 （ 1）其他三个 I/O 端口 (Pl、 P2、 P3)则不具有此电路结构，而是内部有一提升电路，P0 在当作 y0 用时可以推动 8个 L S的 ITL 负载。如果当 EA 引脚为低电位时 (即取用外部程序代码或随机存储器 )， P0 就以多工作方式提供地址总线 (A0 A7)及数据总线 (DO-D7)。设计者必
10、须外加一 个锁存器将端口 O 送出的地址锁存为 AM，再配合端口 （ 2）所送出的 A8-A15 合成一个完整的 16 位地址总线而寻址到 64K 的外部内存空间。 P1.0-P1.7（ 1-8）： P1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。对 EPROM 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址。 P1 能驱动 4 个 LS TTL 输入。 P2.0-P2.7(21-28)： P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部存贮器时，它送出高 8 位双向地址。在对 EPROM 编程和程序验证期间，它接收高位地址。 P2 可以驱动 4 个 LS TTL 输入。 P3
11、.0-P3.7(10-17)： P3 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在 MCS-51 中，这8 个引脚还用于专门功能。这些功能见表 1 4。 P3 能驱动 4 个 LS TTL 输入。（如图 3） P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RxD，串行通信输入。 TxD，串行通信输出。 INTO 外部中断 o 输入。 INT1，外部中断 1 输入。 T0，计时计数器 0 输入。 T1，计时计数器 I 输入。 WR，外部随机存储器的写入信号。 RD，外部随机存储器的读取信号。 图 3 第二块芯片 74LS138： 对于 74LS138 译
12、码器来说， A.B.C 口是用来控制 Y0Y7 等 8 个口的输出的，而 E1E2等都必须在低电频下才有效的。 图 4 第三块芯片 74LS373： 图 5 用于连接 MS-80C51 和数码管的，在本设计中的实际作用是起到连通的作用的。 二 方案论证 由于这个实验显示的是个电压值，而最终设计要求是测量人的体温。不是温度的变化量。所 以要把这里电压的变化转化成温度的变化。所以对转化的参数进行介绍。要知道 AD 转换是把模拟量信号转化成与其大小成正比的数字量信号。 A/D 转换电路的种类很多，根据转换原理，目前常用的 AD 转换电路主要分成逐次逼近式和双积分式。 1 A/D 转换原理 （ 1）逐
13、次逼近式转换原理 逐次逼近式转换的基本原理是用一个计量单元使连续量整量化（简称量化），即用计量单位与连续量比较，把连续量变为计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分。这样所得到的整数量即数字量。显然，计量单位越小，量化的误差也越小。可见，逐次逼近式的转换原 理即“逐位比较”。常用的逐次逼近式 A/D 器件有 ADC0809、 AD574A 等。 （ 2）积分转换原理 双积分 A/D 转换采用了间接测量原理，即将被测电压值 Vx 转换成时间常数，通过测量时间常数得到未知电压值。所谓双积分就是进行一次 A/D 转换需要二次积分。转换时，控制门通过电子开关把被测电压 Vx 加到积分器的输入端，
14、积分器从零开始，在固定的时间 T0内对 Vx 积分（称定时积分），积分输出终值与 Vx 成正比。接着控制门将电子开关切换到极性与 Vx 相反的基准电压 VR 上，进行反向积分，由于基准电压 VR 恒定，所以积分输出将按T0 期间 积分的值以恒定的斜率下降，当比较器检测积分输出过零时，积分器停止工作。反相积分时间 T1 与定值积分的初值（即定时积分的终值）成比例关系，故可以通过测量反相积分时间 T1 计算出 Vx，即： Vx=( T1/ T0) VR 反相积分时间 T1 由计数器对时钟脉冲计数得到。由于双积分方法的二次积分时间比较长，因此 A/D 转换速度慢，而精度可以做得比较高。对周期变化的干
15、扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。 为了得倒得结果准确性，我们在程序里也加了 16 进制到 10 进制转换，中断，保护现场等一系列得安全措施。 其程序流程 图如下： 中断查询 采集数据 16 进制转换十进制 数据分别存储在寄存器 送入显示缓存 上次采集数据 显示结果 开中断 中断初始化 开启中断地址7FF8H 保护现场 查询八路端口 送显存 中断子程序 中断子返回 恢复现场 图 6 2 A/D 转换器的主要性能指标和参数 （ 1）分辨率 (Resolution) 对于 A/D 转换器来说，分辨率反映了输出数字量变化一个相邻数码所需输入的模拟电压的变化量。分辨率定义为： 分辨率 =满刻度电压
16、/2n 1 其中： n 是 A/D 转换器中对应的二进制代码的位数。（如图 7） 位数 分辨率 N 分数 %满刻度电压（近似） 8 1/255 0.4 9 1/511 0.2 10 1/1023 0.1 11 1/2047 0.05 12 1/4095 0.024 13 1/8191 0.012 14 1/16383 0.006 15 1/32767 0.003 16 1/65535 0.0015 图 7 表中列出了不同位数与分辨率之间的关系。从表中可以看出，一个 12 位的转换器能分辨出满刻度电压的 1/(212 1)或满刻度电压的 0.024%。因此，一个满刻度电压为 10V 的 12位
17、A/D 转换器能够分辨输入电压变化的最小值为 2.4Mv。位数越多，分辨率越高。 （ 2）量化误差 (Quantizing Error) 当一个分辨率有限的 A/D 转换器在进行 A/D 转换时，必须把采样电压化为某个规定的最小数量单位（即量化单位，记为 ULSB）的整数倍，这就是量化。实际上， ULSB 是 A/D 转换关中断 中断返回 后的数字信号最低有效位 1 所能代表的数量。由于模拟电压在幅值上是连续的，因此它不一定能被 ULSB 整除，这样在量化过程中不可避免地会引入误差。 对于有限分辨率的 A/D 转换器，在不考虑其他误差因素的情况下，其转换特性曲线与具有无限分辨率的 A/D 转换
18、器的转换特性曲线之间的 最大偏差，定义为量化误差。 （ 3）线性度 (Linearity) 线性度有时又称为非线性度（ Non-linearity）。它是实际的转换特性曲线与理想的转换特性曲线之间的最大偏移量。 （ 4） 绝对精度 (Absolute Accuracy) 在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差不是一个常数。把这个差值的最大值定义为绝对精度。对于 A/D 转换器，可以在每一阶梯的水平中心点进行测量。绝对精度描述了在整个工作区间内实际的输出电压与理想的输出电压之间的最大偏差。 （ 5） 转换时间 (Conversion Time) 转换时间定义为 A/D
19、转换器完成一次从模拟量的采样到数字量的编码所需的建立时间，显然，它反应了 A/D 转换的快慢，实际应用中，只要满足微机系统的要求，并不一定要用时间快的转换器。 3 A/D转换器的基本工作原理及器件介绍 A/D 转换器是一种将模拟电压转换为数字量的转换电路。 A/D 转换器，按其输出代码有效位数的不同可以分为 8 位、 10 位、 12 位、 16 位和 BCD 码输出的 7/2 位、 9/2 位、 11/2 位等多种；按其转换速度的不同可以分为超高速（转换时间 300 s） ,高速 (转换时间 330s33 s)、中速（转换时间 33333 s）、低速（转换时间 333 s）等几种。为适应系统
20、集成的需要，有些转换芯片内还包括多路转换的开关、时钟电路、基准电压源和二、十进制译码器等，大大超越了原来的 A/D 转换功能，为用户提供了方便。 大部分 A/D 转换器包括采样保持和量化编码电路。采样保持电路能把一个时间连续的信号转换为时间离散的信号，并将采样信号保持一段时间。量化编码电路是 A/D 转换的核心组成部分，依其形式不同， A/D 转换器可分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器。直接 A/D 转换器能将输入的模拟电压直接转换为输 出的数字代码（无中间变量）。其典型电路有并行 A/D转换器和逐次逼近型 A/D 转换器。间接 A/D 转换器在 A/D 转换过程中，首先将输入的模拟信号转换成与之成正比的时间或频率，然后通过计数的方式转换成数字量输出。目前，间接A/D 转换器有电压 /时间变换型和电压 /频率变换型两种。 温度传感器 ：（图 8）
