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1、信息与控制工程学院硬件课程设计说明书基于C8051F410的热敏电阻测温仪表的设计学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology硬件课程设计任务书一、设计题目：基于C8051F410的热敏电阻测温仪表的设计二、设计目的:1掌握热敏电阻测温仪表基本原理，并应用Protel画出其电路原理图；2. LED动态扫描显示驱动电路设计的方法；3熟练掌握对电路板的设计流程及焊接机巧；4. 掌握利用keil进行软件仿真。三、设计任务及要求要求学生设计出能够采集R25=10K的热敏电阻测温仪表，分析热
2、敏电阻测温原理，能够通过软件将热敏电阻的阻值-温度特性转换出来，掌握热敏电阻测温过程的标定方法。热敏电阻测温仪表具体设计指标：1. 输入信号：热敏电阻；2. 显示方法：LED数码管；3. 供电电源：220VAC；4. 测温误差：1。四、设计时间及进度安排设计时间共三周,具体安排如下表：周 次设 计 内 容设计时间第一周1. 学习C8051F410单片机体系结构及程序开发；2. 设计热电阻测温电路，并应用Protel画出其电路原理图。2012.3.262012.3.29第二周1. 完成C8051F410的热电阻测温系统的焊装和硬件调试；2. 编写实验程序。2012.4.22012.4.8第三周1
3、. 整机调试；2. 撰写设计说明书；3. 答辩。2012.4.92012.4.13指导教师评语: 年 月 日成绩指导教师(签字):五、指导教师评语及学生成绩 目 录任务书I摘要.IV第1章 概述1第2章 总体设计部分12.1 信号采集调理模块设计12.2 外围供电电路设计22.3 LED显示电路设计22.4单片机模块设计32.5系统原理图设计32.5.1供电电路42.5.2信号采集42.5.3单片机系统单元42.5.4LED显示电路4第3章 硬件设计部分43.1信号采集及调理电路43.2 A|D模块43.2.1 转换启动方式53.2.2 电压基准53.3数码管显示模块63.4单片机电路63.5
4、外围供电模块7第4章 软件设计部分84.1 程序流程图设计84.2 C8051F410单片机的初始化94.3 数码管显示部分94.4 A/D转换部分104.5数据处理部分10第5章 软件调试124.1 运行结果及误差124.2 出现的主要问题12结论13致谢14参考文献15附录 系统整体电路图16附录 程序清单16摘 要本文介绍了热敏电阻的特性及测温方法，尤其是NTC负温度系数的热敏电阻。并在此基础上阐述了基于C8051F410单片机的温度测量系统设计。在本设计中，是基于C8051F410的热电阻测温仪表是以C8051F410为控制核心的高精度热电阻温度转换仪。可以利用它对实际生产使用的热电阻
5、进行实时检查，以确保工业生产的安全、高效。此课题设计中主要以Keil 软件编程和Prote-lDxp软件绘制电路图作为开发平台。在设计中主要从硬件和软件两方面进行入手。硬件设计主要包括控制系统，供电系统，信号采集电路，数码管显示系统的设计等。软件设计包括C8051F410系统初始化，热电阻分度表查询设计，LED显示设计。该系统的特点是：使用简便，测量准确、稳定、可靠，测量范围大，适用对象广。关键字：热敏电阻；C8051F410单片机；信号采集；LED显示第1章 概述在当今信息社会中，电子信息产业已成为国民经济的主导产业。信息处理靠电脑，信息传递靠通信，而信息获取靠敏感元件和传感器。温度测量已是
6、很成熟的技术，温度敏感元件既有传统的热电阻、热电偶、热敏电阻等温度传感器，又有现代的集成温度传感器、数字温度传感器，超高温的光学温度传感器，其中热电阻测温方法以其测量范围大、性能稳定、高精度、高灵敏度、安装使用方便等特点在中、低温测量中占有重要的地位。本次硬件课程设计是基于C8051F410单片机的热电阻测温仪表的设计。是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性的专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。1掌握电路设计和电路分析的基本方法，掌握常用电子测量原理及测量仪器设备的基本设计方法与制作。进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课理
7、论知识，培养学生设计、计算、绘图、程序编辑、硬件软件调试、文献查阅、报告撰写等基本技能.2掌握电路图的绘制和程序的编写。3. 培养学生软件调试硬件调试实践动手能力以及团队合作能力。本设计系统包括信号采集与调理调理，A/D转换模块，LED显示模块和整体供电模块等部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度测量与显示，完成了课题所有要求。第2章 总体设计电流源把热电阻信号变为电压信号，经过调理电路转换成可以作为A/D输入的标准信号。单片机将采集到的数字量进行存储和计算得到相应的温度值，并通过数码管进行显示。2.1信号采集调理模块设计NTC是指对温度上升电阻呈指数关系减小
8、、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料，该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。NTC热敏半导体大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可以近似表示为：Rt=RT*EXP（BN*（1/T-1/T0）式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的 在本设计中，是以NTC热敏电阻与一10K的电阻并联，10K电阻端接基准电压，热敏电阻端接地组成。2.2外围供电模块设计2.2.1外围供电模块的原
9、理框图：首先由220V的交流电经过变压器降压，降压后经过整流桥将电流暂缓为脉冲直流，再经滤波器转化为较稳定的电流，最后经过稳压电路里的三级稳压芯片转换为5V的直流电压给单片机进行供电。详细部分在下述讲解。（如图2-2-1所示）稳压滤波器变压器整流220v ACC8051f410供电2-2-1 外围供电模块的原理框图直流稳压电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过变送器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。目前，也有部分电路不用变压器。整流电路有半波和全波两种，将经变压器的交流电压转变为脉动的直流电压
10、。单相半波整流电路虽简单易行、所用二极管数量少，但输出电压低，交流成分大，对交流电压的利用率低。为克服半波整流的缺点，在实用电路多采用单相全波整流电路。整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但含有较大的交流成分，不能适应多数电路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。直流电源中滤波电路的特点是采用无源电路，能输出较大电流。虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为平滑的直流电压，但为了避免电网波动或负载电流变化引起的输出电压变化，故电路需外加稳压电路。2.3LED显示模块设计 这部分电路的功能是显示由单片机计算得到的当前温度值。数码管的选取共阳极数码管，进
11、行动态扫描。显示电路采用四位共阳极LED数码管配合4只PNP三极管来显示温度值。在段和位分别加了8只200电阻和4只3K电阻来起限流作用。在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选通。 2.4单片机模块设计本次设计所使用的C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。在此列出这次设计用到的主要特性：高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达50MIPS）；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；真12位200 ksps的24
12、通道ADC，带模拟多路器 4个通用的16位定时器以及24个端口I/O等等。 C8051F410可在温度范围（-40到+85）内用2.0V2.75V的电压工作（使用片内稳压器时电源电压可达5.25V）。C8051F410有28脚QFN（也称为MLP或MLF）和32脚LQFP两种封装。本设计中使用的是32脚LQFP封装的芯片。设计中采用C8051F410单片机作为主控芯片，1脚和8脚接高电平，6脚接低电平。7脚和八脚分别对地滤波，滤波电容由0.1uF和10uF的电容组成。PC机连接到USB调试适配器，六英寸的扁平电缆将USB调试适配器连接到单片机(使用两个C2引脚和GND)。其中C2CK引脚为调试
13、接口的时钟信号，C2D为调试接口的双向数据信号。2.5系统原理图设计本设计系统主要包括信号采集单元，信号调理单元，单片机系统单元，LED显示单元以及供电电路单元。C8051f410单片机信号采集信号调理A/D模块LED显示供电电路 2-5 系统框图2.5.1供电电路供电电路的作用是给整个系统供电，其输出电压为5V，同时使用电容滤波电路使输出的直流电压更加平滑。2.5.2信号采集模块信号调理放大电路的作用是将来自于现场传感器采集的模拟信号变换成A/D转换模块识别的信号，并对此信号进行差动放大以减小误差。在本系统中，温度传感器是热敏电阻，故调理电路完成的是怎样将与温度有关的电阻信号变换成A/D转换
14、模块识别的电压信号。2.5.3单片机系统单元单片机数据处理单元，一方面应用A/D 转换模块，其作用是将连续变化的电压模拟信号转换成单片机能处理的数字量；另一方面应用数据处理模块，其作用是对转化过来的数字量进行计算，从而得到但当前温度，送至显示电路。2.5.4LED显示电路数码管显示电路使用共阳极数码管，应用动态扫描完成当前温度值得显示。第3章 硬件设计部分3.1 信号采集及调理电路信号采集调理电路，就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等，但于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器
15、输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。信号采集调理电路如图3.1所示。 图3-1 信号采集调理电路3.2 A/D模块A/D转换模块，是将模拟的电信号转换成数字信号，提供给单片机使用。以达到设计要求。单片机芯片如图3.2所示.图3-2 单片机芯片3.2.1 转换方式有4种A/D转换启动方式，由ADC0CN中的ADC0转换启动方式位的状态决定采用哪一种方式。转换触发源有： 1写1到ADC0CN的AD0BUSY位； 2定时器3溢出（即定时连续转换）； 2CNVSTR输入信号（P0.6）的上升沿； 4定时器2溢出（即定时连续转换）。本设计 A/D转换初始化中ADC
16、0CN=0x03,则A/D转换的启动方式是定时器2溢出。3.2.2 电压基准C8051F410的电压基准MUX可以被配置为连接到外部电压基准、内部电压基准或电源电压VDD。基准控制寄存器REF0CN中的REFSL位用于选择基准源。选择使用外部或内部基准时，REFSL位应被清0；选择VDD作为基准源时，REFSL应被置1。 内部电压基准电路包含一个温度特性稳定的带隙电压基准发生器和一个两倍增益的输出缓冲放大器。可以选择1.5V或2.2V的输出电压。内部电压基准可以被驱动输出到VREF引脚，这可通过将REF0CN寄存器中的REFBE位置1来实现。VREF引脚对地的负载电流应小于200 A。当使用内
17、部电压基准时，建议在VREF和GND之间接0.1 F和4.7 F的旁路电容。如果不使用内部基准，REFBE位应被清0。 3.3 数码管显示模块本设计采用的是4位LED动态显示，将段码线与P2口相连，位码线与P0.0P2.3相连。由于各位的段码线并联，8位I/O口输出的段码对各个显示位来说都是相同的。因此，在同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够同时显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符的段码。这样，在同一时刻，4位L
18、ED中只有选通的那1位显示出字符而其他3位是熄灭的，同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则在同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED显示器的余晖和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象。数码管及其接线如图3.3所示。 图3-3 数码管及其接线3.4 单片机电路（单片机的基本外围电路）本设计中使用的是C8051F410芯片，其最小系统相
19、对简单。其电路图如图3-4所示。 图3-4 单片机芯片及其最小系统3.5 外围供电电路电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源，它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。电源设计是仪器设计的重要部分，能否提供稳定可靠的干扰较小的电源关系到仪器能否正常工作以及仪器测量的安全性。根据本仪器的设计原理，本设计要求电源能够提供5V、等供电电压。所采用的器件是能提供正电压的三端集成稳压器CW7805和能提供负电压的CW7905。来自220V的交流电经变压器降压后，再经过整流桥、滤波电容器、三端稳压器稳压成所需要的电源电压。电
20、源电路如图3-5所示。 图3-5 电源电路第4章 软件设计部分4.1 程序流程图设计本温度测量系统的程序设计流程图如图4-1所示。单片机初始化看门狗A|D码算电阻根据电阻算温度XIANSHI_BIT_=1NY开始结束显示结果图4-1 程序设计流程图4.2 C8051F410单片机初始化该部分（程序框图如图4-2所示）完成的是对C8051F410单片机的工作模式的选择及初始化。该单片机系统的特殊性就在初始化的开始就要对其进行关闭操作，防止其对程序的执行造成不必要的影响。而后由设计系统对系统时钟的要求，对时钟进行的设置。在设计要求对频率无特殊要求时，采用默认的不分频模式即可。I/O端口输入有两种模
21、式：模拟输入和数字输入。因要作为A/D转换的输入端，而输入的是模拟量，故设置为模拟输入方；I/O端口的输出也有两种方式：推挽方式和弱上拉方式。为保护I/O端口，输出方式选择弱上拉方式。该设计是利用定时器0对数码管的数据刷新进行控制，而数码管的动态扫描要保持稳定，在设置定时器0的时候就要注意扫描时间的设定。A/D转换模式有四种：写1到A/DC0CN的A/D0BUSY位；定时器3溢出（即定时连续转换）；CNVSTR输入信号（P0.6）的上升沿；定时器2溢出（即定时连续转换）。本次用定时器2自动装载连续计数的方式对A/D转换进行周期性的控制采样。因此要对定时器2进行初始化。A/DC初始化时要设置好基
22、准电压的值。由于A/DC0执行一次转换时，它需要一个一般来说比FCLK慢的时钟，因此A/DC0的寄存器设置了用于A/D转换的时钟称为SAR转换时钟（SAR时钟），SAR时钟由FCLK分频得到定时器0中断服务程序，分频系数用A/DC0CF寄存器中的A/D0SC位控制。定时器0中断服务 返回主函数LED动态扫描 图4-2单片机初始化4.3 数码管显示部分数码管显示部分（程序框图如图4-3所示）主要依靠单片机中的定时器0来控制。利用定时器0的溢出中断来对数码管进行数据刷新。首先要将位选全部关闭，开始执行定时器0 的中断服务子程序，以保证数码管的显示不会受到干扰，同时减小LED数码管熄灭所需的时间，然
23、后再将相应的位码送到P2端口，P0端口再发送其对应的段码。实现一位数码管数据的刷新后，定时器0中断服务子程序到此结束。继续等待下一次定时器0的溢出，执行中断服务子程序，进行下一位数码管的刷新，依次循环来完成数据的显示。主函数I/O端口设置定时器0和定时器2初始化A|D初始化中断使能关闭看门狗时钟设置显示数据处理 图4-3数码管显示程序框图4.4 A/D转换部分A/D转换采用默认的双跟踪方式，这种跟踪方式是在A/D转换前后都有跟踪，使跟踪时间最大化，由此保证A/D采集数据更稳定，尽可能避免丢码的情况出现。（程序框图如图4-4所示）返回主函数数组承接转换值A/D转换结束中断服务程序图4-4A/D转
24、换程序框图4.5 数据处理部分数据处理部分（程序框图如图4-5所示）是将A/D采集的数据进行处理，然后将处理的结果送给数码管显示，是将前三个部分联系起来的桥梁，因此作为整个程序工作的核心部分，对系统的运算速度及计算结果的精度都有着重要的影响。在整个硬件课程设计期间，根据设计要求及自身的知识储备，以及和队员的分析商量，使用了以下的数据处理算法。A/D转换所得的值的精确性与很多因素有关，包括A/D元件的精度、电路的焊接情况、环境温度的变化等。这些因素的影响直接导致了A/D转换的数据围绕着某个中心值上下波动。这就需要我们要对采集的数据进行软件滤波，求平均值是一种最为常见的简单的滤波方法。取其平均数a
25、ver。利用公式：A/D转换得到的数据组A对数据数组A进行滑动取平均aver利用aver求出热敏电阻值r利用求出的多个t组成数组T，并求出数组T的平均值T_aver将求出的T_aver组成数组Z取出数组Z的中值，并作为最终结果插值法求出温度t图4-5 数据处理框图 其中是待测的热电阻Pt100的阻值，aver是A/D采样值的平均数，是基准电压。代表该A/D转换芯片是12位的，K是整个测温电路的放大系数。求出热电阻的阻值。考虑到运算速度的要求，我们可以直接取这些数据的中值便可。因为这些经过一系列处理过的在中值附近的数据的偏差是没有的或非常小的。到此为止，目标数据算是基本上被取出。剩下的便是将该数
26、据拆分发送到数码管显示了。 第5章 软件调试5.1运行结果及误差在本次设计仪表测量误差的因素有很多，大体上可以分为两类：一是硬件电路及其元件选择；二是软件编程。硬件电路中，电源电路的杂波干扰、恒流源输出电流的微小变化、电阻阻值和电容的不精确、硬件节点开焊现象、导线之间存在的电容效应以及单片机的A/D转换模块的精度等都会对测量结果产生很大的影响，进而影响测量结果的精度问题。数据处理的算法设计、程序的结构、插值参考数据的精度等都是影响测量误差的软件因素。5.2 出现的主要问题在本次的实习中，从一开始的搜集材料，硬件的设计到软件设计等各个方面或多或少的都遇到了些问题。在硬件设计中由于对原理图的理解不
27、够透彻以及硬件电路焊接的不熟练等，出现了无法显示的现象。然后我们团队一起，首先从原理图检查，确定无误后，再仔细检查电路板器件的正误、电路连接情况以及是否出现缺焊、落焊的现象。在学习使用C8051F410单片机和软件编程时，因为对器件的不熟悉，初次使用A/D转换模块，不能将其驱动；对其中各部分的功能不清楚，未能正确赋初值，慢慢摸索后才逐步掌握编程模式。软件调试处理数据时，数据的采集和计算结果不稳定，经过耐心地调试，改进数据处理情况，使计算结果趋于稳定，最终达到此课程设计的要求。当然，除了这些问题之外，在此期间也出现过一些其他的错误，如软件编程中数据类型错误、存储单元分配过少、忘记连接电源等等，这
28、些都被我们及时发现并纠正过来，基本完成了设计任务。结 论在本次的硬件设计中，选用C8051F410单片机作为控制器，以软件DXP和Keil为开发平台，并充分利用当今先进的工业信息技术和自动化控制技术，完成了线性测温装置的研制。通过本次设计，使我真正认识到所学知识的不足和局限性。巩固了有关单片机的知识及c语言，也学到了很多关于硬件的知识。如用DXP绘画原理图，电路板的焊接等等。既巩固了我原有的知识，也锻炼了实践能力。更加了解到了在做任何事的时候都要认真，细致。更要将理论联系于实践之中。通过这3个星期的课程设计过程，使我在短期内初步掌握了对硬件电路故障分析和软件编程查找错误的技巧。也使我深刻地认识
29、到学好专业知识和硬件知识的重要性。然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力，不断的自我学习，自我完善。通过这次的实习也让我充分的体会到了团队合作的重要性。由于知识水平有限等原因，本设计肯定还存在不完善或不尽合理之处，希望老师多加批评、指正。致谢 通过本次实习，让我懂得了许知识，也能更好的与同学进行团队合作。在这硬件设计中，王老师的细心指导，让我获益颇多。从硬件的制作到程序的编写与运行和论文的完成，老师自始至终都关心并督促我们设计进程和进度，帮助结局设计中遇到的许多问题，还不断向我们传授分析问题和解决问题的方法，并指出了正确的努力方向，使我在本次设计中学
30、到许多的知识，也培养了我们的分析能力和实践动手能力及查缺检漏的能力。在此，非常感谢老师的指导以及帮助。参考文献1 童诗白，华成英.模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社， 2006.52 李有法，李晓勤.数值计算方法. 北京：高等教育出版社，2005.44 于军，王庆伟，李晓红.电工学实验.北京：中国电力出版社，2010.125 翟玉文，梁伟，艾学忠，施云贵. 电子设计与实践. 中国电力出版社，2000.56 徐爱钧，彭秀华.KeilCx51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践. 北京：电子工业出版社，2004.67 单片机原理及应用，张毅刚编，北京：高等教育出版社， 2004年8 吉林化工学院毕业设计说明书. 申琢玉2009.附录一 系统整体电路图
