课程设计单片机在温度系统中的的应用.docx

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课程设计单片机在温度系统中的的应用

前言：

本设计在设计过程中，承蒙张老师的指导，在此表示衷心的感谢！

由于水平有限，设计中错误和不当之处在所难免，欢迎读者批评指正！

温度是模拟量，而51单片机处理的数据是数字量，在本系统中使用7135A/D转换器对3路热电偶采样。

由于微型计算机在某一时刻只能接受一个通道的信号，因此在本系统中采用CD4051进行切换，使各路参数分时进入微型计算机。

考虑引起偏差需要进行温度补偿！

在本系统中采用8253计数器，74LC373锁存器，cd4060，TL431系统电压源和8031.下面对每个电子元件介绍：

一、CD4051

CD4051是最常用的模拟开关。

CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

其真值表见图1。

“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。

此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。

图1CD4051真值表

　　CD4051导通电阻小，CD4051在常温下的导通电阻为几百欧姆.供电电压范围较宽，速度相对较快，控制简单，适合作为量程转换模块中选择放大反馈回路的开关。

但是，多路模拟开关也有其不利的地方。

其导通电阻不恒定，随电源电压的增大而减小；控制信号电平也随电源电压增大而增大，在使用时需根据现场实际情况综合考虑，添加必要的外围电路，保证其工作正常。

在电源电压的选择上要结合实际需要，适当增大。

二、7135A/D转换器

7135A/D转换器的显著特点：

1、抗干扰能力强2、分辨率高3、转换速度慢4、价格便宜。

ICI-7135是4

位双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便。

ICL7135具有精度高（相当于14位A/D转换）,价格低的优点。

其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有：

自校准（调零）、正向积分（被测模拟电压积分）、反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）。

故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数。

将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量。

图4给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动／停止。

ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图5所示,引脚的功能及含义如下：

（1）与供电及电源相关的引脚（共7脚）

.-V：

ICL7135负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V;

.+V：

ICL7135正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V;

.DGND：

数字地,ICL7135正、负电源的低电平基准;

.REF：

参考电压输入,REF的地为AGND引脚,典型值1V,输出数字量=10000×（VIN/VREF）;

.AC：

模拟地,典型应用中,与DGND（数字地）“一点接地”;

.INHI：

模拟输入正;

.INLO：

模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与AC相连。

图21CL7135时序

图31CL7135芯片引脚

（2）与控制和状态相关的引脚（共12脚）

.CLKIN：

时钟信号输入。

当T=80ms时,fcp=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为3次/s。

极限值fcp=1MHz时,转换速度为25次/s。

.REFC+：

外接参考电容正,典型值1μF。

.REFC-：

外接参考电容负。

.BUFFO：

缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻。

.INTO：

积分器输出端,典型外接积分电容。

.AZIN：

自校零端。

.LOW：

欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的10％时,该端输出高电平。

.HIGH：

过量程信号输出端,当输入信号超过计数范围（20001）时,该端输出高电平。

.STOR：

数据输出选通信号（负脉冲）,宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换结束时,该端输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据（5位）,该端用于将转换结果打到并行I/O接口。

.R/H：

自动转换/停顿控制输入。

当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲,才能启动下一次转换。

.POL：

极性信号输出,高电平表示极性为正。

.BUSY：

忙信号输出,高电平有效。

正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低。

（3）与选通和数据输出相关的引脚（共9脚）’

.B8～B1：

BCD码输出。

B8为高位,对应BCD码;

。

D5：

万位选通;

.D4～D1：

千、百、十、个位选通。

三、8253计数器

8253的工作原理简介　　8253可编程计数器/定时器的工作频率为0～2MHz，它有3个独立编程的计数器，每个计数器有三个引脚，分别为时钟CLK、门控GATE、计数器和计时结束输出OUT；每个计数器分别有6种工作方式。

下面针对使用到的两种工作方式——方式1和方式2的工作原理［1］进行简述。

　　方式1：

可编程单稳，即由外部硬件产生的门控信号GATE触发8253而输出单稳脉冲。

计数器装入计数初值后，在门控信号GATE由低电平变高电平并保持时，计数器开始计数，此时输出端变成低电平并开始单稳过程。

当计数结束时，输出端OUT转变成高电平，单稳过程结束，在OUT端输出一个单稳脉冲。

硬件再次触发，OUT端可再次输出一个同样的单稳脉冲。

单稳脉冲的宽度由装入计数器的计数初值决定。

在WR信号的上升沿（CPU写控制字之后），输出端OUT保持高电平（若OUT原为低电平则变为高电平）。

CPU写入计数值后，计数器并不马上开始计数，而要等到门控信号GATE启动之后的下一个CLK的下降沿才开始。

在整个计数过程中，输出端OUT保持低电平，直至计数值至0，OUT变为高电平为止。

　　方式2：

速率发生器，其功能如同一个N分频计数器。

其输出是将输入时钟按照N计数值分频后得到的一个连续脉冲。

在该方式下，当计数器装入初始值开始工作后，输出端OUT将不断地输出负脉冲，其宽度为一个时钟周期的时间，而两个负脉冲间的时间脉冲个数等于计数器装入的计数初值。

若计数初值为N，则每N个输入脉冲输出一个脉冲。

当CPU写完控制字后，输出端OUT转变成高电平，计数器将立即自动开始对输入CLK时钟计数。

在计数过程中，OUT端始终保持高电平，直至计数器的计数值减到1时，OUT端才变为低电平，其保持的宽度为一个输入CLK时钟周期的时间，然后输出端OUT恢复高电平，计数器重新开始计数。

8253控制字格式为：

　　　其中：

SC1SC0为计数器选择位；RL1RL0为计数器读写操作选择位，以确定计数器进行装入或读出是单字节还是双字节；M2M1M0为计数器工作方式选择位；BCD表示计数器计数方式选择位。

 8253的内部结构框图如图10.1所示；引脚如图10.2所示。

 8253内部可分为6个模块，每个模块的功能如下：

 1.数据总线缓冲器及数据总线D0～D7

 这是8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器，是8253内部总线与CPU系统的8位数据总线之间的接口。

CPU通过它写方式控制字到控制字寄存器，写计数初值到计数通道，读取计数通道的当前计数值。

即数据总线缓冲器有三个基本功能：

通过编程向8253写入确定8253工作方式的命令；向计数寄存器装入计数初值；读出当前计数值。

 2.读/写控制逻辑及控制引脚

这是8253内部操作的控制部分，按照CPU发来的读写信号及地址信号来控制对各个计数器的读写，以及对控制寄存器的写入。

当片选信号

为高电平时，数据总线缓冲器处于高阻状态。

当片选信号有效时（低电平），CPU可以对8253某端口进行读/写操作。

8253内部有3个独立的计数通道和1个控制字寄存器共4个端口，由A1和A0加以选择，但对控制字寄存器仅能进行写操作。

各个端口的读/写操作的选择见表10.1。

注意点是控制寄存器只能写入不能读出。

 3.控制字寄存器

在初始化编程时，CPU写入方式控制字到控制字寄存器中，用以选择计数通道及其相应的工作方式。

 4.计数通道0、计数通道1、计数通道2

3个计数通道内部结构完全相同。

每个计数通道都由一个16位计数初值寄存器、一个16位减法计数器和一个16位计数值锁存器组成。

3个计数通道操作完全独立。

初始化编程时，虽然3个计数通道共用一个控制字寄存器端口地址，但CPU可以分别写3个方式控制字到控制字寄存器，分别选择各计数通道的工作方式。

在写计数初值到计数通道或CPU读取计数通道到当前计数值时，各计数通道都有各自的端口地址。

3个计数通道功能完全相同。

在设定了计数通道的工作方式后，接着可向该计数通道装入计数初值，该计数初值先送到计数初值寄存器保存，在GATE引脚为高电平时（方式0、2、3、4）或在GATE上升沿触发下（方式1、2、3、5），计数初值寄存器中的值自动装入到减法计数器中。

并启动计数器计数，减法计数器对CLK时钟脉冲的下降沿进行减1计数（方式3不是减1计数），并把结果送入计数值锁存器中。

当减1计数器减到0时，输出OUT信号，一次计数结束。

计数初值寄存器的内容，在计数过程中保持不变。

CPU读取计数通道当前计数值，实际上读取的是16位计数值锁存器的内容。

在计数通道用作定时器时，可在该通道CLK端输入一个频率精确已知的时钟脉冲，根据定时时间和公式：

计数初值＝定时时间÷时钟周期，计算出计数初值（也称时间常数）。

在计数通道用作计数器时，被计数的事件应以脉冲方式从CLK端输入。

各计数通道的CLK输入和OUT信号输出之间的关系与门控信号GATE有关，取决于工作方式。

四、74Ls373

74LS373是八D锁存器（3S,锁存允许输入有回环特性），常应用在地址锁存及输出口的扩展中。

共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式。

373为三态输出的8D透明锁存器,373的输出端O0-O7可直接与总线相连。

当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。

当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。

当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

373引出端符号：

   D0～D7-----数据输入端     OE-----三态允许控制端（低电平有效）

   LE-----锁存允许端            O0-O7-----输出端

373外部管腿图、真值表：

五、4060

CD4060由一震荡器和14极二进制串行计数器位组成，震荡器的结构可以是

RC或晶振电路。

CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位

均为主从触发器。

在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉

冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。

六、TL431系统电压源

TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

左图是该器件的符号。

3个引脚分别为：

阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。

TL431的具体功能可以用如图1的功能模块示意。

由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。

由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。

当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。

但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。

2.恒压电路应用

前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。

如图2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。

显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。

选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。

需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。

当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法。

将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图3，4。

图3大电流的分流稳压电路

图4精密5V稳压器

3、实验手记

阻值取值：

R0取1.5K，R1、R2分别取10K，按结果，应得到5V的输出电压。

Vin使用12V，实测电压为5V。

Vin使用24V，实测电压5V（我的31/2位电表的显示值），因此，此种器件的精度很高。

接入负载，在C、A端并接负载电阻，Vin用12V。

当负载电阻大于2K时，输出电压几乎看不出任何变化。

当电阻小于2K时，输出电压开始减小，此时应当是前面所说的阴极电流的条件不符合了。

用TL431制成的高精度稳压直流电源

电路的纹波极小，精度极高，可以作高档电器供电电源

七、8031

8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。

HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。

其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚（标有NC的引脚1、12、23、34）是不使用的。

在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。

如图，是MCS-51的逻辑符号图。

在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

8031要接稳压电源

1、主电源引脚VCC和VSS

   VCC——（40脚）接+5V电压；

   VSS——（20脚）接地。

   2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

   XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

   XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

   3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

   ①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

   VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。

当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

   ②ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

   对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

   ③PSEN（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

   ④EA/VPP（引脚）：

当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

   对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

   4、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

   ①P0口（39脚至32脚）：

是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。

   ②P1口（1脚至8脚）：

是准双向8位I/O口。

由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。

对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

   ③P2口（21脚至28脚）：

是准双向8位I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。

在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

   ④P3口（10脚至17脚）：

是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。

P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

   作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

   作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。

   值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能

表 P3各口线的第二功能定义

口线

引脚

第二功能

P3.0

10

RXD（串行输入口）

P3.1

11

TXD（串行输出口）

P3.2

12

INT0（外部中断0）

P3.3

13

INT1（外部中断1）

P3.4

14

T0（定时器0外部输入）

P3.5

15

T1（定时器1外部输入）

P3.6

16

WR（外部数据存储器写脉冲）

P3.7

17

RD（外部数据存储器读脉冲）