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1、基于51单片机的多路温度采集控制系统设计言：随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。本次设计的目的在于学习基于51单片机的多路温度采集控制系统设计的基本流程。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到LED进行显示。本系统可以实现多路温度信号采集与显示，可以使用按键来设置温度限
2、定值，通过进行温度数据的运算处理，发出控制信号达到控制蜂鸣器和继电器的目的。我所采用的控制芯片为AT89c51，此芯片功能较为强大，能够满足设计要求。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对某一车间温度的控制和调节功能。 关键词：温度 多路温度采集 驱动电路 正文 ：1、温度控制器电路设计本电路由89C51单片机温度传感器、模数转换器ADC0809、窜入并出移位寄存器74LS164、数码管、和LED显示电路等组成。由热敏电阻温度传感器测量环境温度，将其电压值送入ADC0809的IN0通道进行模数转换，转换所得的数字量由数据端D7-D0输出到89C51的P0口，经软件处理后将测量的温度值经单
3、片机的RXD端窜行输出到74LS164，经74LS164 窜并转换后，输出到数码管的7个显示段，用数字形式显示出当前的温度值。89C51的P2.0、P2.1、P2.2分别接入ADC0809通道地址选择端A、B、C，因此ADC0809的IN0通道的地址为F0FFH。输出驱动控制信号由p1.0输出，4个LED为状态指示，其中，LED1为输出驱动指示，LED2为温度正常指示，LED3为高于上限温度指示，LED4为低于下限温度指示。当温度高于上限温度值时，有p1.0输出驱动信号，驱动外设电路工作，同时LED1亮、LED2灭、LED3亮、LED4灭。外设电路工作后，温度下降，当温度降到正常温度后，LED
4、1亮、LED2亮、LED3灭、LED4灭。温度继续下降，当温度降到下限温度值时，p1.0信号停止输出，外设电路停止工作，同时LED1灭、LED2灭、LED3灭、LED4亮。当外设电路停止工作后，温度开始上升，接着进行下一工作周期。2、 温度控制器程序设计 本软件系统有1个主程序，6个子程序组成。6个子程序为定时/计数器0中断服务程序、温度采集及模数转换子程序ADCON、温度计算子程序CALCU、驱动控制子程序DRVCON、十进制转换子程序METRICCON及数码管显示子程序DISP。（1） 主程序主程序进行系统初始化操作，主要是进行定时/计数器的初始化。（2） 定时/计数器0中断服务程序应用定
5、时计数器0中断的目的是进行定时采样，消除数码管温度显示的闪烁现象，用户可以根据实际环境温度变化率进行采样时间调整。每当定时时间到，调用温度采集机模数转换子程序ADCON，得到一个温度样本，并将其转换为数字量，传送给89C51单片机，然后在调用温度计算子程序CALCU，驱动控制子程序DRVCON，十进制转换子程序MERTRICCON，温度数码显示子程序DISP。（3） 温度采集及模数转换子程序ADCON该子程序进行温度采样并将其转换为8位数字量传送给89C51的P0口。采样得到的温度数据存放在片内RAM的20H单元中。（4） 温度计算子程序CALCU根据热敏电阻的分度值和电路参数计算出出一张温度
6、表，存放在DATATAB数据表中，由于篇幅关系，本程序只给出0-49的温度数据。一个温度有两个字节组成，前一字节为温度值，后一字节为该温度所对应的热敏电阻上的电压的数字量。根据采样值，通过查表及比较的方法计算出当前的温度值，并将其存入片内RAM的21H单元。采用查表法计算温度值时为了克服热敏电阻的阻值温度特性曲线的非线性，提高测量精度。（5） 驱动控制子程序DRVCON该子程序调节温度，当温度高于上限温度时（本程序设为30）， P1.0输出驱动控制信号，驱动外设工作降温；当温度下降到下限温度时（本程序设为25），P1.0停止输出，温度上升，周而复始；工作状态有LED1-LED4指示。（6） 十
7、进制转换子程序METRICCON将存放于内部RAM21H单元的当前温度值得二进制数形式转换为十进制数（BCD码）形式，以便输出显示，转换结果存放在片内RAM的32H单元（百位）、31H（十位）、30H单元（个位）。（7） 数码显示子程序DISP该子程序利用89C51串口的方式0串行移位寄存器工作方式，将片内RAM的30H、31H、32H单元的BCD码查表转换为七段码后由RXD端串行发出去，然后经74LS164串并转换，将七段值传送给数码管，以十进制形式显示出当前温度值。根据以上分析画出的部分程序设计流程图如图1-0至图1-4所示。开始在0000H处放置一条长跳转指令LJMP MAIN跳转到主程
8、序在0000H处放置一条长跳转指令LJMP T0INT跳转到T0中断服务程序图1-0 部分程序设计流程图的设计框架主程序计数寄存器R1赋初值10TMOD赋初值01HT0工作于定时方式1软启动堆栈指针SP赋初值60HSETB TR0启动T0工作P1口赋初值FFH，所有指示灯全灭TH0赋初值3CH，TL0赋初值B0H，T0定时100msIE赋初值82H，T0允许中断动态停机图1-1 主程序流程图T0中断服务程序温度采样时间间隔到否T0重装初值调用数码管显示子程序DISP调用十进制转换子程序METRICCON调用驱动控制子程序DRVCON调用温度计算子程序CALCU调用温度采用及模数转换子程序ADC
9、ON中断返回YN图1-2 T0中断服务程序流程图温度采样及模数转换子程序将ADC0809启动A/D转换读取转换数据将转换数据存于片内RAM20H单元返回转换结束否图1-3 温度采样及模数转换子程序流程图温度数据表索引值寄存器R2赋初值01H温度数据表首地址送DPTR查表取出某一温度的电压数据取出表中前一温度值将该温度值存于21H单元查表取出该温度值将该温度值存于21H单元索引值加2返回返回当前温度电压值与查表取得的某一温度电压值比较温度计算子程序相等小于大于图1-4 温度计算子程序流程图3、具体内容（1）温度控制器电器原理图设计按以上分析及相关知识设计出的温度控制器电路原理图如图1-5所示。图
10、1-5 温度控制电路原理图（2）温度数据表在图1-5所示的电路中，热敏电阻的连接如图1-6所示。R8100kD0D1 VR（+）D2D3D4D5 VR（-）D6D7 IC2ABC ADC0809 IN0OE IN1ALE IN2SC IN3 IN4EOC IN5 IN6CLK IN71714158181920212524239226710121626272812345VccR720kRTR9图1-6 热敏电阻的连接本设计所使用的热敏电阻的分度表及ADC0809转换后的电压数字量见附表1-1所示转换后的电压数字量的计算方法为：热敏电阻与R8并并联后的总电阻：R=（Rt*R8）/（Rt+R8）R与
11、R7串联电路中R的分压值（即输入ADC0809的模拟量）：V=5R/（R+R7）5V被分成256等分（8位量化），则每份的电压值：=5/256输入的模拟量电压经8位量化后的数字量：D=V/例如，热敏电阻在温度为20时的阻值为62.254千欧，则根据上述方法计算出的电压数字量为169，注意在计算中R7用实测值19.6千欧代入进入计算。在实际做该电路时，可根据自己所选择的热敏电阻的分度表计相关电路参数，按上述方法计算出ADC0809转换后的各温度对应的电压数字量。程序中的温度数据表构成：1个温度数据占2个字节，前一字为温度值，后一个字节为该温度下热敏电阻上的模拟电压转换成德8位数字量。如在20时，
12、热敏电阻对应的电压数字量为169，则20，169组成一个温度为20的温度数据。按这样方法组成的0-49的温度数据表如下：DATATAB：DB 0，194，1 ，193 ，2 ，192， 3， 191，4，190 DB 5，189，6， 188， 7 ，187， 8， 186，9，185 DB10，184，11，182，12，181，13，180，14，178 DB 15，177，16，175，17，174，18，173，19，171DB 20，169，21，168，22，166，23，165，24，163DB 25，161，26，159，27，158，28，156，29，154DB 30，15
13、2，31，150，32，149，33，147，34，145DB 35，143，36，141，37，139，38，147，39，135DB 40，133，41，131，42，129，43，127，44，125DB 45，123，46，121，47，118，48，116，49，114在温度采样机模数转换子程序中，采样得到的当前温度下热敏电阻上的数字电压存于20H单元，在温度计算子程序中通过查表的方法从表中的第一个温度（0）下热敏电阻上的数字电压开始，依次取出各温度下热敏电阻上的十字电压，与与存于20H单元的当前温度下热敏电阻上的的数字电压比较，如小于当前温度的数字电压，则在取出下一温度的数字电压与
14、当前温度的数字电压比较；直到大于或等于当前的温度数字电压，比较结束。如大于则取出前一温度作为当前温度存于21H单元，如等于则将该温度作为但前温度存于20H单元。这种温度计算方法，避免了温度特性曲线的非线性对温度计算精确性的影响，计算出的温度非常精确。（3）温度控制程序设计在本设计中，晶体振荡器频率为6MHz，T0定时时间为100ms，T0工作于方式1，则T0的初值为：X=（最大计数值M定时时间t/及其周期Tm）=216 -100ms/2us=15536=3CB0H按以上任务分析设计出的源程序如下：ORG 0000H;跳转到主程序LJMP MAIN;ORG 000BH;LJMP T0INT;跳转
15、到T0中断服务程序；主程序ORG 0100H;MAIN:MOV R1,#10; T0 100马上定时溢出计数寄存器R1赋初值10MOV P1,#0FFH; 所有指示灯灭MOV SP,#60H; 堆栈指针赋初值60HMOV TMOD,#01H; T0定时、方式1、软启动MOV TL0,#0B0H; T0赋初值MOV TH0,#3CH;MOV IE,#82H; 开放T0中断SETB TR0; 启动T0SJMP $;定时/计数器0中断服务程序ORG 0200H;T0INT:DJNZ R1,NEXT; T0溢出10次，即1s进一次采样处理LCALL ADCON; 调用温度采样及模数转换子程序LCALL
16、 CALCU; 调用温度计算子程序LCALL DRVCON; 调用驱动控制子程序LCALL METRICCON; 调用十进制转换子程序LCALL DISP; 调用数码管显示子程序MOV R1,#10; R1重赋值10NEXT:MOV TL0,#0B0H; T0重装初值MOV TH0,#3CH;RETI;温度采样及模数转换子程序ORG 0300H;ADCON:MOV DPTR,#0F0FFH; 选通ADC0809通道0MOV A,#00H;MOVX DPTR,A; 启动A/D转换HERE:JNB P3.3,HERE; 判断数据转换是否结束，没结束则等待MOVX A,DPTR; 读取转换后的数据M
17、OV 20H,A; 将从ADC0809中读取的当前温度下热敏电阻上的电压值存于20H单元RET ；温度计算子程序ORG 0400H;CALCU:MOV R2,#01H; R2为数据表的索引值寄存器MOV DPTR,#DATATAB; 温度数据表首地址送DPTRNEXT1:MOV A,R2; 索引值送AMOVC A,A+DPTR; 查表取出某一温度的数字电压值CJNE A,20H,K1; 与当前温度的数字电压值比较DEC R2; 等于当前温度的数字电压值，则查表取出该温度值作为当前温度值MOV A,R2;MOVC A,A+DPTR;LJMP K3;K1:JNC K2; 大于当前温度的数字电压值，
18、则继续取出下一温度的数字电压进行比较DEC R2; 小于当前温度的数字电压值，则查表取出前一个温度值作为当前温度值DEC R2DEC R2MOV A,R2;MOVC A,A+DPTR;LJMP K3;K2:INC R2;INC R2;LJMP NEXT1;K3:MOV 21H,A; 将当前温度值存于21H单元RET;DATATAB;DB 0,194,1,193,2,192,3,191,4,190；温度数据表 DB 5,189,6,188,7,187,8,186,9,185DB 10,184,11,182,12,181,13,180,14,178DB 15,177,16,175,17,174,1
19、8,173,19,171DB 20,169,21,168,22,166,23,165,24,163DB 25,161,26,159,27,158,28,156,29,154DB 30,152,31,150,32,149,33,147,34,145DB 35,143,36,141,37,139,38,137,39,135DB 40,133,41,131,42,129,43,127,44,125DB 45,123,46,121,47,118,48,116,49,114驱动控制子程序ORG 0500H;DRVCON:MOV A,21H; 取出当前温度值CJNE A,#30,J1; 与上限温度值（30
20、）比较LJMP GO;J1:JNC DRV1; 若高于上限温度，则输出驱动信号，同时高于上限温度指示灯点亮CJNE A,#25,J2; 与显现温度（25）比较LJMP GO;J2:JC DRV2; 弱低于下限温度，则驱动信号停止输出，同时点亮低于下限温度的指示灯LJMP GO;DRV1:CLR P1.0;SETB P1.1;CLR P1.2;SETB P1.3;LJMP OVER;DRV2:SETB P1.0SETB P1.1;CLR P1.2;SETB P1.3;LJMP OVER;DRV2:SETB P1.0;SETB P1.1;SETB P1.1;SETB P1.2;CLR P1.3;L
21、JMP OVER;GO:CLR P1.1; 在下线温度（25）至上限温度（30）之间，则驱动信号保持前面状态，同时温度正常指示灯点亮SETB P1.2;SETB P1.3;OVER:RET;；十进制转换子程序ORG 0600H;METRICCON:MOV R3,#00H; 将存于21H单元中的当前温度转换为BCD码MOV R4,#00H; 百位存于32H单元，十位存于31H单元，个位存于30H单元MOV A,21H;CLR C;W1:SUBB A,#100;JC W2;INC R4;AJMP W1;W2:ADD A,#100;CLR C;W3:SUBB A,#10;JC W4;INC R3;A
22、JMP W3;W4:ADD A,#10;MOV 30H,A;MOV 31H,R3;MOV 32H,R4;RET;；数码管显示子程序ORG 0700H;DISP:MOV R5,#03H; 将存于32H单元、31H单元、30H单元中的温度BCD码查表转换为七段码MOV R0,#30H; 通过串行通信方式0输出驱动3个数码管，显示当前温度MOV DPTR,#TAB;LOOP:MOV A,R0;MOVC A,A+DPTR;MOV SBUF,A;WAIT:JNB T1,WAIT;CLR T1;INC R0;DJNZ R5,LOOP;RET;TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7
23、DH,07H,7FH,6FH；七段码数据表附表：1-1热敏电阻分度表及经ADC0809转换后的电压数字量温度（）热敏电阻阻值（千欧）转换后的电压数字量0161.6081941153.63081932146.08331923138.94351914132.019011905125.80251896119.76081887114.0461878108.63971869103.52431851098.68331841194.10061821289.76131811385.65111801481.75641781578.06461771674.56371751771.24251741868.09031
24、731965.09721712062.2541692159.55191682256.98291662354.53921652452.21381625501612647.89161592745.88291582843.96831562942.14281543040.40171523138.74051503237.15521493335.64181473434.19671453532.81641433631.49791413730.2381393829.03391373927.8831354026.78281334125.73081314224.7251294323.7631274422.8431
25、254521.96291234621.12111214720.31581184819.54531164918.80821145018.10281125117.42411105216.77871085316.16431045415.57881025515.01991005614.4861995713.9754975813.4866955913.018936012.568691参考文献：1.贾好来主编.MCS-51单片机原理及应用.北京：机械工业出版社，2006.2.江太辉，石秀芳主编. MCS-51单片机原理及应用.广东：华南理工大学出版社，2004.3.曹龙汉，刘安才主编. MCS-51单片机
26、原理及应用.重庆：重庆出版社，2004.4.劳动和社会保障部教材办公室主编.单片机应用技术（汇编语言）.北京：中国劳动社会保障出版社，2006.5.何立民主编. MCS-51单片机应用系统设计.北京：北京航天航空大学出版社，1990.6.朱定华主编.单片机原理及接口技术实验.北京：北京大学出版社，2002. 0 引 言目前市场中大多数温度采集卡的测量范围、测量方式及测量精度在出厂时就已经固定。测量方式单一、测量范围固定、传感方式也只能适应一定的场合。因此不能很好的适用一些多测量方式及测量范围的场合。再者它们的测量程序和查表数据库已经固定，对于一些有特殊要求的场合不能适用。本系统采用现场可编程门
27、阵列(FPGAEP1K30QC2O83)对数据进行处理，它的程序能够在线修改，因此有极强的可塑性。可以适时的对其程序及查表数据库进行改进和更新，能使系统的性能得到升级。从而可以使系统满足不同的场合需要。1 温度采集系统硬件设计由于不同的传感器有不同的输出量，但是最终都需要转换为010V的电压值，从而才能满足AD转换器的转换要求r】。因此各个传感器需要不同的转换和放大电路。11 PN结测温原理由于PN结随温度变化产生的是一个电压信号，温度每升高IC，PN结的正向导通压降下降1 mV。但在0CRW42O时要求输出电压为0 V，因此必须将PN结连接成单臂非平衡直流电桥。并且将输出电压放大到010 V
28、范围送AD转换电路。电路原理图如图(2)所示 ：12 PT100热电阻测温原理硬件电路由于PT100热电阻随温度变化产生的是一个电阻信号，当温度升高时电阻值增大。因此必须将热电阻接成单臂直流电桥，将其阻值变化转换为电压变化信号。再将这个电压信号放大到010 V范围送AD转换电路。电路图略。 RW1，013 热电偶测温原理硬件电路热电偶的输出是一个随温度变化的电压信号，它必须加上冷端补偿电路才能正常工作，并且它的输出也要转换为010 V的范围送AD转换电路。电路图如图3所示：2 温度采集系统软件设计温度采集系统软件分为单片机程序设计和FPGA程序设计，单片机程序采用汇编语言编写，实现对外围电路的
29、控制。FPGA采用VHDL语言编写2，实现对数据的处理及被测温度的显示输出。21 单片机控制单片机用来控制多路模拟开关及FPGA，并显示是那种方式测量。P1口接一位数码管(表示输出测量方式代码，1代表PN结测量方式，2代表热电偶测量方式，3代表热电阻测量方式)。P2口接输出模拟开关控制字、存储器片选信号及FPGA程序切换控制信号l】。程序流程图如2温度采集系统软件设计温度采集系统软件分为单片机程序没计和FPGA程序设计，单片机程序采用汇编语言编写，实现对外围电路的控制。FPGA采用VHDL语言编写”，实现对数据的处理及被测温度的显示输出。21单片机控制译片机用来控制多路模拟丌关及FPGA，并显
30、示是那种方式测量。P1口接一位数码管(表示输出测量方式代码，I代表PN结测量方式，2代表热电偶测量方式，3代表热电阻测量方式)。P2口接输出模拟开关控制字、存储器片选信号及FPGA程序切换控制信号口。程序流程图如22 nWA数据处理FPGA对数据的处理是根据不同的测量工式进行数据处理的口。当选择PN结测量方式时，FPGA根据PN结的温度电压变化函数，对数据进行计算，从而得出对应的温度值；当选择热电偶或热电阻测量方式时，FPGA是依次查找对应分度表的数据与AD转换的数据进行比较计算，最终得出其温度值。可见热电偶或热电阻测量方式的数据处理是相同的，只是分度表不石J而已-1。221 PN结数据处理P
31、N结测量方式，FPGA根据PN结的温度电压变化函数(温度每升高1，PN结正向导通压降减小1 II】V)，对数据进行计算1，从而得出对应的温度值。220热电偶、热电阻数据处理热电偶或热电阻测量方式，FPGA是依次查找对应分度表的数据与AD转换的数据进行比较计算，最终得出其温度值jj。程序流程图如图j所示。3温度采集系统安装调试安装调试是一个系统最关键也是最容易出现问题的一步，奉系统安装调试中遇到的一些问题及给出最后处理方法如下：(1)热电偶的工作必须有冷端补偿电路才能正常工作，在搭试其冷端补偿电路时，它的桥路电阻参数很难确定。因为不同型号的热电偶其各桥臂电阻及限流电阻也会不同，在多次调整各个参数
32、后才确定了其各桥臂参数。(2)各放大电路在开始时用了一级的电压放大，出现了抗干扰能力差、放大倍数不稳定等问题。为了提高抗干扰能力，稳定电压放大倍数。后来采用两级放大，第一级采用低放大倍数的差放电路，消除共模干扰。第二级再采用电压放大就很好的实现无干扰稳定放大。(3)软件调试中出现了显示清零的现象，最后查出是AD转换数据没有锁存住。采用软件锁存的办法使得该问题得到了解决。4结语该温度采集系统能够实现PN结(20100)、热电阻(PTlOo)(o800)、热电偶(镍锘一镍硅K型)(o1o)3种方式的温度测量。可以满足不同测量范围、不同测量精度及不同场合的需要。本设计采用EDA作为开发工具，搭配单片机控制。使得整个设计具有较新的设计思想。采用12ADC模数转换器，使得测量精度得到了极大的提高。数据处理采用现场可编程门阵列FPGA(EPlK30QC2083)，它极高的程序执行速度使得系统响应更快更精确。
