硬件課程設(shè)計基于C8051F410的熱電阻測溫儀表的設(shè)計

1、信息與控制工程學院硬件課程設(shè)計說明書基于c8051f410的熱電阻測溫儀表的設(shè)計學生學號： 08540223 學生姓名： 專業(yè)班級： 測控 0802 指導教師： 職 稱： 講 師 起止日期：2011.03.282011.04.15吉林化工學院jilin institute of chemical technology課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：基于c8051f410的熱電阻測溫儀表的設(shè)計二、設(shè)計目的:1熟悉keil uvision開發(fā)軟件 及protel電路設(shè)計設(shè)計軟件的使用。2. 掌握c8051f410單片機體系結(jié)構(gòu)及c語言程序設(shè)計方法。3掌握熱電阻測量的三線制原理及信號調(diào)理電路的設(shè)計。4.

2、 掌握智能測量系統(tǒng)的校準原理。三、設(shè)計任務(wù)及要求1學習c8051f410單片機體系結(jié)構(gòu)及程序開發(fā)。2設(shè)計熱電阻測溫電路，并應(yīng)用protel畫出其電路原理圖。3完成c8051f410的熱電阻測溫系統(tǒng)的焊裝和硬件調(diào)試。4. 編寫完整的實驗程序，進行整機調(diào)試。5. 撰寫設(shè)計說明書。 四、設(shè)計時間及進度安排設(shè)計時間共三周,具體安排如下表：周 次設(shè) 計 內(nèi) 容設(shè)計時間第一周1. 學習c8051f410單片機體系結(jié)構(gòu)及程序開發(fā)；2. 設(shè)計熱電阻測溫電路，并應(yīng)用protel畫出其電路原理圖。2011.3.282011.4.1第二周1. 完成c8051f410的熱電阻測溫系統(tǒng)的焊裝和硬件調(diào)試；2. 編寫實驗程

3、序。2011.4.22011.4.8第三周1. 整機調(diào)試；2. 撰寫設(shè)計說明書；3. 答辯。2011.4.92011.4.15五、考核內(nèi)容1出勤、學習態(tài)度以及紀律情況；2設(shè)計完成情況及設(shè)計說明書完成質(zhì)量；3答辯。綜合以上考核內(nèi)容給出硬件課程設(shè)計總評成績。指導教師評語:年 月 日成績指導教師(簽字):目 錄摘 要iv第1章 概述1第2章 設(shè)計方案的選擇及原理框圖22.1 設(shè)計方案的選擇22.1.1 測溫元件22.1.2 測量方法32.1.3 接線方法32.1.4 運放元件32.2 設(shè)計方案原理框圖42.2.1 電源電路42.2.2 信號采集電路42.2.3 單片機42.2.4 顯示電路4第3章

4、原理分析53.1 單片機外圍電路53.2 信號采集電路53.2.1 恒流源電路53.2.2 信號調(diào)理電路63.3 顯示電路7第4章 c8051f410單片機94.1 系統(tǒng)概述94.2 基準電壓94.3 端口輸入/輸出及其初始化94.4 12位adc(adc0)104.5 定時器10第5章 系統(tǒng)電源125.1 電源電路原理框圖125.2 電源電路原理圖12第6章 軟件方面146.1 編程語言及軟件146.1.1 編程語言c語言146.1.2 編程軟件146.2 程序流程圖156.3 程序調(diào)試166.4 數(shù)據(jù)測試及分析16結(jié) 論17參考文獻18摘 要溫度傳感器pt100是一種穩(wěn)定性和線性度都比較好

5、的鉑絲熱電阻傳感器，它可以工作在-200至650的范圍內(nèi)。本電路的工作范圍設(shè)定在-95至325。本設(shè)計則利用了pt100熱電阻的溫度特性做一個帶有四位led顯示的溫度采集系統(tǒng)。其中采用了恒流法制作了一個5v的電流源，然后通過信號采集電路將pt100隨溫度在電阻值上的變化，送入一個恒定電流從而獲得一個改變的電壓值，再將電壓上的改變透過c8051f410單片機的a/d口來進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，送入單片機中，再通過軟件進行反推計算得到溫度的改變值，同時利用軟件剔除了外界干擾及內(nèi)部電路帶來的粗大誤差以得到穩(wěn)定準確的結(jié)果，并將計算結(jié)果送給led來顯示溫度值。關(guān)鍵字：pt100；三線制；恒流法；溫度采集；op0

6、7運算放大器 ；c8051f410單片機第1章 概述 在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學研究、國防和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，溫度測量和控制都是極為重要的課題。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對于工業(yè)如此重要，由此推進了溫度傳感器的發(fā)展。傳感器主要大體經(jīng)過了三個發(fā)展階段傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)，到模擬集成溫度傳感器/控制器，再到智能溫度傳感器。進入21世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性

7、、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。目前市場主要存在單點和多點兩種溫度測量儀表。對于單點溫測儀表，主要采用傳統(tǒng)的模擬集成溫度傳感器，其中又以熱電阻、熱電偶等傳感器的測量精度高，測量范圍大，而得到了普遍的應(yīng)用。此種產(chǎn)品測溫范圍大都在-200800之間，分辨率12位，最小分辨溫度在0.0010.01之間。自帶led顯示模塊，顯示4位到16位不等。有的儀表還具有存儲功能，可存儲幾百到幾千組數(shù)據(jù)。該類儀表可很好的滿足單個用戶單點測量的需要。多點溫度測量儀表，相對與單點的測量精度有一定的差距，雖然實現(xiàn)了多路溫度的測控，但價格昂貴。溫度測量系統(tǒng)在單片機系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用廣泛，

8、根據(jù)單片機系統(tǒng)設(shè)計要求的不同，溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計也有所不同，有采用集成芯片的，也有采用恒流源器件和恒壓源器件的。本設(shè)計以pt100熱電阻為溫度檢測元件，完成了一個對單點溫度實時檢測的單片機溫度檢測系統(tǒng)。從信號采集，到信號調(diào)理，送入單片機做模數(shù)轉(zhuǎn)化以及軟件上的數(shù)據(jù)計算從而得到溫度值，最后送入led數(shù)碼管進行顯示，以實現(xiàn)對溫度的實時檢測，檢測范圍可達-95至325。第2章 設(shè)計方案的選擇及原理框圖2.1 設(shè)計方案的選擇方案的選擇涉及到了溫度傳感器的確定，將溫度傳感器阻值上的改變轉(zhuǎn)換為電信號的方法選擇，pt100的三種接線方式，以及信號采集電路中放大器的選擇。綜合各元件的性能及成本問題，最終確定以p

9、t100溫度傳感器作為該系統(tǒng)中測溫的核心元件，對其用恒流法及三線制的接線方法，同時輔助op07運算放大器得到信號采集電路，采集信號并且調(diào)理過后再送入單片機中。2.1.1 測溫元件在各種各樣的測量技術(shù)中，溫度的測量可能是最為常見的一種，因為任何的應(yīng)用領(lǐng)域，掌握溫度的確切數(shù)值，了解溫度與實際狀態(tài)之間的差異等，都具有極為重要的意義。工業(yè)上常用的溫度傳感器有四類：即熱電偶、熱電阻rtd、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器；每一類溫度傳感器有自己獨特的溫度測量范圍，有自己適用的溫度環(huán)境；沒有一種溫度傳感器可以通用于所有的用途：熱電偶的可測溫度范圍最寬，而熱電阻的測量線性度最優(yōu)，熱敏電阻的測量精度最高。（1）熱

10、電偶，可測溫度范圍大，機械強度高，及價格低，成為溫度測量的常選，高精度系統(tǒng)要求的線性度及準確度，要實現(xiàn)并不容易同時它是一種高度非線性器件，需作大力線性化算法處置。因此不選擇熱電偶作為本設(shè)計的溫度傳感器。（2）熱敏電阻，靈敏度較高，能檢測出10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；易加工成復雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載能力強。但是阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴重；元件的一致性差，互換性差；元件易老化，穩(wěn)定性較差；除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0150范圍，使用時必須注意。

11、因此本設(shè)計不采用熱敏電阻。（3）集成溫度傳感器，溫度變化引起輸出量的變化呈良好的線性關(guān)系，不像熱電偶那樣需要參考點，抗干擾能力強，互換性好，使用簡單。它在生活生產(chǎn)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)的不斷改進其精度與控制方面也有廣泛的應(yīng)用前景。只是價格方面略有昂貴，本設(shè)計并不采用。（4）熱電阻，熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。由于熱電阻測溫元件的技術(shù)在持續(xù)不斷地改進，溫度測量的質(zhì)量在不斷提高，但要真正實現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的溫度測量系統(tǒng)，熱電阻的器件選擇仍然極為重要。熱電阻是電阻性的元件，由金屬制成，如鉑、鎳、銅等，所選金屬必須具有可以預(yù)測的電阻值隨溫度變

12、化的特性，其物理性能要易于加工制造，電阻溫度系數(shù)必須足夠大，使其電阻隨溫度的改變易于準確測量。其他的溫度檢測器件，如熱電偶，并不能讓設(shè)計人員有一種相當線性的電阻隨溫度變化特性，而熱電阻這種線性度極好的電阻溫度特性，大大簡化了信號處理電路的設(shè)計制作。其中又以鉑電阻在三種金屬中具有最為精確、可靠的溫度電阻特性。因此，鉑電阻最適于需要最高的絕對精度及重復性使用場合，它對環(huán)境的敏感度極低，與此相比，銅電阻則易產(chǎn)生腐蝕，長期穩(wěn)定性差，而鎳電阻雖然環(huán)境寬容度好，但適用溫度范圍較窄。鉑電阻的對溫度響應(yīng)的線性度好，化學惰性，容易加工制作直徑較細的線材或是厚度小的箔材，鉑的電阻率高于其他的熱電阻材料，在電阻值相

13、同的情況要求用材少，適于對成本考慮較強，對熱響應(yīng)講究的場合。鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。因此本設(shè)計選用了常見的pt100作為測溫元件。2.1.2 測量方法（1）恒壓法采用一個恒定的電壓源，將其加在pt100熱電阻之上，溫度的變化導致電流的變化，通過測量電流變化值并且根據(jù)一定的對應(yīng)關(guān)系可以計算出所測溫度。（2）恒流法采用恒定的電流加于pt100熱電阻之上，當溫度引起阻值變化時，便可以產(chǎn)生電壓的變化。再根據(jù)此變化值經(jīng)過計算得到溫度值。由于在電路的設(shè)計方面，利用恒流源設(shè)計測溫電路比利用恒壓源設(shè)計的測溫電路更為簡潔，因為恒流源可以直接和熱電阻串聯(lián)在一

14、起，然后設(shè)計一些消除誤差的輔助電路即可，而恒壓源不可直接加在熱電阻上，否則a/d采樣值將會恒定地采集恒壓源的電壓，因此要設(shè)計配套的測溫電路，成本也會相應(yīng)地增加。因此本設(shè)計采用恒流法。2.1.3 接線方法（1）二線制在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r整個電路的電阻為熱電阻的電阻值加上兩段導線電阻的電阻值測量誤差大，大小與導線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合 （2）三線制在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻

15、的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻。（3）四線制在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流i，把r轉(zhuǎn)換成電壓信號u，再通過另兩根引線把u引至二次儀表。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。本系統(tǒng)中pt100熱電阻采用三線制接法。由于熱電阻要安裝在被測環(huán)境中，距離電阻測量裝置有一定距離，這樣實際測量的時候就會帶來導線電阻的誤差，因此實際使用熱電阻的時候都是采用三線制的連接方法。 2.1.4 運放元件 op07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于op07a最大為25v），所以

16、op07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。op07同時具有輸入偏置電流低（op07a為2na）和開環(huán)增益高（對于op07a為300v/mv）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。 本設(shè)計選用op07運放元件主要實現(xiàn)兩種功能，一個用于設(shè)計恒流源，另一個作為差動放大器輔助pt100熱電阻三線制消除導線帶來的誤差。2.2 設(shè)計方案原理框圖本設(shè)計利用pt100熱電阻的溫度特性，將其對溫度改變產(chǎn)生的阻值變化量轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過信號采集電路，送入單片機中先進行模數(shù)轉(zhuǎn)換再進行軟件處理，比照pt100的分度表得到實時溫度值，最后給led顯

17、示。原理框圖如圖2-1所示。顯示電路恒流源傳感器 信號調(diào)理信號采集電路電 源單片機c8051f410a/d轉(zhuǎn)換圖2-1 系統(tǒng)原理框圖2.2.1 電源電路電源電路的作用是給整個系統(tǒng)供電，其輸出電壓為5v，同時使用電容以達到濾波的效果。具體介紹見第5章。2.2.2 信號采集電路信號采集電路的作用是將來自于現(xiàn)場傳感器采集的電阻信號經(jīng)由施加的恒流源轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過三線制輔助差動放大電路消除誤差并且放大信號。2.2.3 單片機單片機在本系統(tǒng)中有兩個作用，其一是用作a/d轉(zhuǎn)換，把采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；其二是根據(jù)溫度與電壓信號的對應(yīng)關(guān)系計算出當前溫度值。2.2.4 顯示電路 顯示電路的作用

18、是結(jié)合單片機將相應(yīng)的斷碼、位碼發(fā)送給led數(shù)碼管，以動態(tài)掃描的方式進行顯示，可以達到四位的顯示效果。第3章 原理分析3.1 單片機外圍電路本系統(tǒng)使用的是c8051f410芯片的最小系統(tǒng)，具體電路如圖3-1所示。 圖3-1 單片機最小系統(tǒng)本系統(tǒng)采用c8051f410單片機作為主控芯片，1腳和8腳均接高電平，6腳接低電平。7腳和8腳分別對地濾波，濾波電容由0.1uf和10uf的電容組成。pc機連接到usb調(diào)試適配器，六英寸的扁平電纜將usb調(diào)試適配器連接到單片機(使用兩個c2引腳和gnd)。其中c2ck引腳為調(diào)試接口的時鐘信號，c2d為調(diào)試接口的雙向數(shù)據(jù)信號。c8051f410單片機將在第四章具體

19、介紹。3.2 信號采集電路3.2.1 恒流源電路恒流源提供1ma的恒定電流供后續(xù)電路使用，具體電路如圖3-2所示。 圖3-2 恒流源電路當恒流源工作時，由于lm336-2.5v穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用，其兩端的電壓u=u1-u2=2.5v。根據(jù)虛短原理，運放的u-=u+，同時u3=u-，u+=u2，則有u3=u2。那么電阻r31兩端的電壓等于2.5v，流過的電流為2.5v除以2.5k得到1ma。一般情況下，為避免激勵電流產(chǎn)生的熱量影響測量精度，每種熱電阻都有最低限制，一般要求在3ma以下，本系統(tǒng)為1ma是合理的。根據(jù)虛斷原理，流過r31的電流將幾乎全部流入復合管而不流入運放的2腳，則由9012組成的復

20、合管集電極輸出電流為1ma，其將被送到pt100熱電阻，將電阻信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，以便于采集。電路中r30和r29分別起限流和保護作用；采用復合三極管抑制漂移。3.2.2 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的主要作用是用pt100熱電阻采集當前的溫度并配合恒流源將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，調(diào)理電路將這個微小的電壓信號轉(zhuǎn)換為可以輸入單片機內(nèi)部a/d的合適電壓值。具體組成電路如圖3-3所示。圖3-3 信號調(diào)理電路圖 這是一個差動放大電路，在電路中，r44，r41，r42為模擬熱電阻引線的電阻，并且r44=r41=r42。r43為pt100的阻值，將其換為可變電阻箱，即可得到不同的可知電阻值來模擬溫度變化引起的阻值變

21、化。由于r37(r42+r43)，所以我們可以認為1ma電流幾乎全部流入r42，則有： (3-1)同理，u2 = i*r44，u3 = uo/11。由于運放的“虛短”、“虛斷”作用，可得運放的同相輸入端電壓u+ = u1/3，u3 = u2。則有： (3-2)進而得： (3-3)得u2 = i*r43，由u2 = u3，得u3 = i*r43，即uo/11 = i*r43，進而： (3-4) 可以看出，使用“三線制”接法可以消掉導線電阻的影響，輸出電壓只與r43(即熱電阻)上的電壓有關(guān)。合理的選擇電流源的值，可以實現(xiàn)電壓的方便測量。3.3 顯示電路顯示電路采用共陽極數(shù)碼管，以動態(tài)掃描方式顯示溫

22、度值，具體電路如圖3-4所示。 圖3-4 部分顯示電路圖顯示電路采用四位共陽極led數(shù)碼管配合4只9012三極管來顯示溫度值。在段和位分別加了8只220電阻和4只2k電阻來起限流作用。在多位led顯示時，為簡化硬件電路，通常將所有所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由1個8位i/o口控制，形成段碼線的多路復用，而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的i/o線控制，形成各位的分時選通。本設(shè)計采用的是4位led動態(tài)顯示，將段碼線與p0口相連，位碼線與p2.0p2.3相連。由于各位的段碼線并聯(lián)，8位i/o口輸出的段碼對各個顯示位來說都是相同的。因此，在同一時刻，如果各位位選線都處于選通狀態(tài)的話，4位led將顯

23、示相同的字符。若要各位led能夠同時顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動態(tài)顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符的段碼。這樣，在同一時刻，4位led中只有選通的那1位顯示出字符而其他3位是熄滅的，同樣，在下一時刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，則在同一時刻，只有選通位顯示出相應(yīng)的字符，而其他各位則是熄滅的。如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而在同一時刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于led顯

24、示器的余暉和人眼的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔足夠短，則可以造成多位同時亮的假象，達到同時顯示的效果。段碼工作時，單片機的引腳輸出低電平時選通三極管，同時使數(shù)碼管的公共端接通高電平，此時選中相應(yīng)位的段碼，并送給其將要顯示字符的位碼，數(shù)碼管將顯示其字符，稍作延時后再顯示下一位，如此循環(huán)得到最終顯示效果。第4章 c8051f410單片機4.1 系統(tǒng)概述c8051f410器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型mcu。下面列出了一些本次設(shè)計使用的主要特性：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器核（可達50mips）；全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；真12位200 ksps的24通道adc

25、，帶模擬多路器；兩個12位電流輸出dac；高精度可編程的24.5mhz內(nèi)部振蕩器；4個通用的16位定時器；片內(nèi)上電復位；多達24個端口i/o等。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（-40到+85）內(nèi)用2.0v2.75v的電壓工作（使用片內(nèi)穩(wěn)壓器時電源電壓可達5.25v）。c8051f410有28腳qfn（也稱為mlp或mlf）和32腳lqfp兩種封裝。4.2 基準電壓c8051f410的電壓基準mux可以被配置為連接到外部電壓基準、內(nèi)部電壓基準或電源電壓vdd。基準控制寄存器ref0cn中的refsl位用于選擇基準源。選擇使用外部或內(nèi)部基準時，refsl位應(yīng)被清0；選擇vdd作為基準源時，refsl應(yīng)

26、被置1。 內(nèi)部電壓基準電路包含一個溫度特性穩(wěn)定的帶隙電壓基準發(fā)生器和一個兩倍增益的輸出緩沖放大器?？梢赃x擇1.5v或2.2v的輸出電壓。內(nèi)部電壓基準可以被驅(qū)動輸出到vref引腳，這可通過將ref0cn寄存器中的refbe位置1來實現(xiàn)。vref引腳對地的負載電流應(yīng)小于200a。當使用內(nèi)部電壓基準時，建議在vref和gnd之間接0.1f和4.7f的旁路電容。如果不使用內(nèi)部基準，refbe位應(yīng)被清0。ref0cn中的biase位控制內(nèi)部偏置電壓發(fā)生器。adc、溫度傳感器、內(nèi)部振蕩器和idac都要使用偏置電壓發(fā)生器提供的偏置電壓。當這些外設(shè)中的任何一個被使能時，biase位被自動置1，也可以通過向re

27、f0cn中的biase位寫1來使能偏置電壓發(fā)生器。4.3 端口輸入/輸出及其初始化 c8051f410器件有24個i/o引腳，端口引腳被組織為三個8位端口。端口的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。數(shù)字和模擬資源可以通過24個i/o引腳使用。端口引腳被組織為三個8位端口。每個端口引腳都可以被定義為通用i/o（gpio）或模擬輸入/輸出。p0.0p2.7可以被分配給內(nèi)部數(shù)字資源。設(shè)計者完全控制數(shù)字功能的引腳分配，只受物理i/o引腳數(shù)的限制。這種資源分配的靈活性是通過使用優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器實現(xiàn)的。 所有端口i/o都耐5v電壓，工作在vio的電壓范圍。p1和p2不應(yīng)被驅(qū)動到高于vio的電平，

28、否則會吸收電流。端口i/o單元可以被配置為漏極開路或推挽方式（在端口輸出方式寄存器pnmdout中設(shè)置，n = 0,1,2）。端口i/o初始化包括以下步驟： 第一步：用端口輸入方式寄存器（pnmdin）選擇所有端口引腳的輸入方式（模擬或數(shù)字）。 第二步：用端口輸出方式寄存器（pnmdout）選擇所有端口引腳的輸出方式（漏極開路或推挽）。 第三步：用端口跳過寄存器（pnskip）選擇應(yīng)被交叉開關(guān)跳過的那些引腳。 第四步：用xbrn寄存器將引腳分配給要使用的外設(shè)。 第五步：使能交叉開關(guān)（xbare = 1）。 所有端口引腳都必須被配置為模擬或數(shù)字輸入。被用作比較器或adc輸入的任何引腳都應(yīng)被配置為

29、模擬輸入。當一個引腳被配置為模擬輸入時，其弱上拉、數(shù)字驅(qū)動器和數(shù)字接收器都被禁止，這可以節(jié)省功耗并減小模擬輸入的噪聲。被配置為數(shù)字輸入的引腳仍可被模擬外設(shè)使用，但不建議這樣做。 此外，應(yīng)將交叉開關(guān)配置為跳過所有被用作模擬輸入的引腳（通過將pnskip寄存器中的對應(yīng)位置1來實現(xiàn)）。端口輸入方式在pnmdin寄存器中設(shè)置，其中1表示數(shù)字輸入，0表示模擬輸入。復位后所有引腳的缺省設(shè)置都是數(shù)字輸入。4.4 12位adc(adc0)c8051f410器件內(nèi)部有一個12位sar adc和一個27通道單端輸入多路選擇器，該adc的最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps。adc系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選

30、擇adc的輸入。端口02可以作為adc的輸入；另外，片內(nèi)溫度傳感器的輸出和電源電壓（vdd）也可以作為adc的輸入。用戶固件可以將adc置于關(guān)斷狀態(tài)或使用突發(fā)模式以節(jié)省功耗。 a/d轉(zhuǎn)換可以有4種啟動方式：軟件命令、定時器2溢出、定時器3溢出和外部轉(zhuǎn)換啟動信號。這種靈活性允許用軟件事件、周期性（定時器溢出）信號或外部硬件信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換。在完成1、4、8或16次采樣并由硬件累加器完成累加后，一個狀態(tài)位指示轉(zhuǎn)換完成并產(chǎn)生中斷（如果被允許）。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到adc數(shù)據(jù)寄存器中。當系統(tǒng)時鐘頻率很低時，突發(fā)模式允許adc0自動從低功耗停機狀態(tài)被喚醒，采集和累加樣本值，然后重新進入低功耗停機狀

31、態(tài)，不需要cpu干預(yù)。4.5 定時器c8051f410內(nèi)部有4個16位計數(shù)器/定時器：其中兩個與標準8051中的計數(shù)器/定時器兼容，另外兩個是16位自動重裝載定時器，可用于其他外設(shè)或作為通用定時器使用。這些定時器可以用于測量時間間隔，對外部事件計數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請求。定時器0和定時器1幾乎完全相同，有四種工作方式。定時器2和定時器3均可作為一個16位或兩個8位自動重裝載定時器。定時器2和定時器3還具有smartclock捕捉方式，可用于測量smartclock時鐘（相對于另一振蕩器）。下面針對本設(shè)計中采用的方式1進行詳細說明。在方式1，定時器0被作為16位的計數(shù)器/定時器使用。th0寄存器

32、保持16位計數(shù)器/定時器的8個msb，tl0保持8個lsb。作為16位定時器寄存器，計到0xffff（全1）后再計一次將發(fā)生溢出，使計數(shù)值回到0x0000，此時定時器溢出標志tf0（tcon.5）被置位并產(chǎn)生一個定時中斷（如果該中斷被允許）。c/t0位（tmod.2）選擇計數(shù)器/定時器的時鐘源。當c/t0被設(shè)置為邏輯1時，出現(xiàn)在所選定時器0輸入引腳（t0）上的負跳變使定時器寄存器加1。清除c/t0位將選擇由t0m位（ckcon.3）定義的時鐘作為定時器的輸入。當t0m被置1時，定時器0的時鐘為系統(tǒng)時鐘；當t0m位被清0時，定時器0的時鐘源由ckcon中的時鐘分頻位定義。當gate0（tmod.

33、3）為邏輯0或輸入信號/int0有效時（有效電平由it01cf寄存器中的in0pl位定義），置位tr0位（tcon.4）將允許定時器0工作。設(shè)置gate0為邏輯1允許定時器受外部輸入信號/int0的控制，便于脈沖寬度測量。tr0并不強制定時器復位。應(yīng)在定時器被允許前將定時器寄存器裝入所需要的初值。第5章 系統(tǒng)電源線性穩(wěn)壓電源是一種最常見的簡單電源，它的特點是起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)，由保險絲、50hz工頻變壓器、整流器、濾波器和串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器組成。 它的基本工作原理為：工頻變壓器將高壓交流電變成低壓交流電，然后經(jīng)過整流橋，使低壓交流電變成低壓脈動電壓，然后經(jīng)過電容濾波和穩(wěn)壓管的

34、穩(wěn)壓作用，在輸出端形成一個幾乎沒有波動的直流電壓。它的特點是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。 5.1 電源電路原理框圖系統(tǒng)電源由通用的220v交變電流經(jīng)變壓器、整流、濾波及穩(wěn)壓后得到，方框圖如5-1所示。電 源變壓器整 流電 路濾 波電 路穩(wěn) 壓電 路uo220v 50hz圖5-1 電源電路原理框圖直流穩(wěn)壓電源的輸入為220v的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過變送器降壓后，再對交流電壓進行處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要，本設(shè)計副邊電

35、壓有效值為6v。目前，也有部分電路不用變壓器。本設(shè)計使用的的是單相橋式整流電路。單相橋式整流電路由四只二極管組成，其構(gòu)成原則是保證在變壓器副邊電壓的整個周期內(nèi)，負載上的電壓和電流方向始終不變。電路工作時，由于d1 、d3 和d2、 d4兩對二極管交替導通，致使二極管橋輸出的電流在副邊電壓的整個周期內(nèi)方向不變。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但含有較大的交流成分，不能適應(yīng)多數(shù)電路及設(shè)備的需要。因此，一般在整流后，還需用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。直流電源中濾波電路的特點是采用無源電路，能輸出較大電流。本設(shè)計采用的是電容濾波電路，即在整流電路的輸出端并聯(lián)一個容量較大的電容。電容

36、濾波電路是利用電容的充放電作用使輸出電壓平滑的雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換為平滑的直流電壓，但為了避免電網(wǎng)波動或負載電流變化引起的輸出電壓變化，故電路需外加穩(wěn)壓電路。本設(shè)計中采用集成的三端穩(wěn)壓器w7805和w7905，使直流穩(wěn)壓電路輸出5v的直流電壓，以便于對整個系統(tǒng)供電。5.2 電源電路原理圖本設(shè)計采用固定集成輸出集成穩(wěn)壓電路，它主要由變壓器、整流橋、電容、集成穩(wěn)壓器lm7805（+5v）和lm7905(-5v)構(gòu)成。如圖5-2所示。圖5-2 電源電路圖設(shè)變壓器副邊電壓u2=1.41u2sin wt, u2為有效值，本設(shè)計中u2=6v。圖5-2中，單相橋式整流電路由d1 、d2、d3

37、 、 d4四只二極管組成，電路工作時，由于d1 、d3 和d2、 d4兩對二極管交替導通，致使二極管橋輸出的電流在的整個周期內(nèi)方向不變，而此時的輸出電壓平均值uov =0.9，u2=5.4v。在整流電路的輸出端并聯(lián)一個較大的電容，利用電容的充放電作用使輸出電壓平滑,充電時,回路電阻為整流電阻的內(nèi)阻，其值很小，因而時間常數(shù)很小；放電時，回路電阻為負載電阻故放電時間常數(shù)遠大于充電時間常數(shù)，濾波效果取決于放電時間常數(shù)。濾波后，輸出電壓的脈動系數(shù)減小，為使電源輸出電壓穩(wěn)定，在濾波電路的輸出端接穩(wěn)壓電路，使直流穩(wěn)壓電路輸出5v的直流電壓，以便于對整個系統(tǒng)供電。第6章 軟件方面 本章主要針對整個設(shè)計的軟件

38、方面作介紹，涉及到了編程語言的選擇，編程軟件的使用，程序流程圖及調(diào)試，測試結(jié)果與分析。6.1 編程語言及軟件本次設(shè)計選用的編程語言為c語言，它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到c語言，具體應(yīng)用比如單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。而編程軟件采用的是keil,，它是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。

39、6.1.1 編程語言c語言c語言是目前眾多計算機語言中舉世公認的優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)程序設(shè)計語言之一，并且成為最受歡迎的語言之一，主要原因就是它具有非常強大的功能。它的主要特點有： 簡潔緊湊、靈活方便c語言一共只有32個關(guān)鍵字,9種控制語句，程序書寫形式自由，主要用小寫字母表示。它把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。c 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富c語言的數(shù)據(jù)類型有：整型、實型、字符型、數(shù)組類型、指針類型、結(jié)構(gòu)體類型、共用體類型等。能用來實現(xiàn)各種復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運算。并引入了指針概念，使程序效率更高。另外c語言具有強大

40、的圖形功能，支持多種顯示器和驅(qū)動器。且計算功能、邏輯判斷功能強大。 c是結(jié)構(gòu)式語言結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護以及調(diào)試。c語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。 c語言允許直接訪問物理地址,對硬件進行操作由于c語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作，因此它既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，能夠像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統(tǒng)軟件。 6.1.

41、2 編程軟件單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)閏pu可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于mcs-51單片機的匯編軟件有早期的a51，隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，keil軟件是目前最流行開發(fā)mcs-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持keil即可看出。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成

42、開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部分組合在一起。運行keil軟件需要pentium或以上的cpu，16mb或更多ram、20m以上空閑的硬盤空間、win98、nt、win2000、winxp等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用c語言編程，那么keil幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機也很可能只支持該軟件），即使不使用c語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。keil軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后

43、生成的匯編代碼，就能體會到keil 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。6.2 程序流程圖 本程序主要分為兩大部分主程序及中斷子程序，具體流程圖分別如圖6-1及圖6-2所示。開 始關(guān)看門狗t0中斷系統(tǒng)時鐘、端口、t0及a/d初始化計算采樣平均值50次采樣計算溫度值顯示溫度值滑動平均各標志位加1判斷標志位的值返 回 圖6-2 流程圖（b） 圖6-1 流程圖（a）6.3 程序調(diào)試軟件調(diào)試時，遇到的主要問題是顯示值的跳動問題。而根本原因是單片機內(nèi)部的a/d采樣值不穩(wěn)定，兩次連續(xù)的采樣值之間存在12個碼左右的偏差，為了解決這個問題，使顯示值穩(wěn)定。我們采用了多次采樣去極值求平均法、拋物線插值法、滑動取平均法、求數(shù)組中出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)法、定時采樣等方法來穩(wěn)定顯示，效果良好并且滿足精度要求，但是卻犧牲顯示穩(wěn)定時間，均衡以后把顯示穩(wěn)定時間定在了2秒左右。6.4 數(shù)據(jù)測試及分析用變阻箱代替pt100模擬溫度變化時阻值的變化。程序運行時，在一定范圍內(nèi)扭動變阻箱，四位led數(shù)碼管上將顯示此阻值對應(yīng)的溫度值。查pt100的分度表，可知對應(yīng)值是否正確。 下面是進行三次模擬測量的結(jié)果：1將變阻箱旋至90