基于proteus的简单温度测量系统设计

1课程设计二基于proteus的简单温度测量系统设计一、课程设计要求本课程设计的基本要求是使学生熟悉掌握51系列单片机的编程方法，学习应用proteus软件进行单片机应用系统设计与仿真。要求同学们设计一款简易的温度测量装置，设计要求温度测量范围为0-120度，测量精度为1度。有精力的同学可以将测温通道扩展为8通道（不限测温通道数目）。要求设计基于单片机的简单温度测量系统电路原理图，实现温度测量系统的仿真，并最终提交仿真结果。设计的基本要求：（1）测量范围为0℃～＋120℃，精度为1℃；（2）利用温度传感器测量某一点环境温度；（3）利用A/D转换将温度信号转换成电压信号；（4）在LED数码管上显示；（5）Proteus软件进行仿真。二、设计思路（仅供参考）根据系统的设计要求，温度传感器TC1输出信号经信号差动放大到0—5V，放大器的输出送ADC80C51进行A/D转换，A/D转换结果送单片机进行处理，最后将所测的温度在LED数码管上显示。图1系统设计框图三、相关设计知识（一）硬件设计部分1、AT89C51单片机选择及特点由于此设计需要编写程序，需要将程序载入单片机中，因此单片机必须具有温度传感器A/D转换单片机LED显示2足够多的存储空间，其具有8K字节的Flash完全满足要求。16位的定时计数器使得读取数据变得更加简单，同时其结构有利于晶振电路和复位电路的连接。最重要的是，能够在掉电状态下保存RAM内的数据。因此，对于本设计来说，选择AT89C51是最有利的。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供。主要特性（1）与MCS-51兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器（3）32可编程I/O线（4）128×8位内部RAM（5）全静态工作：0Hz-24MHz（6）5个中断源（7）数据保留时间：10年（8）寿命：1000写/擦循环（9）两个16位定时器/计数器（10）三级程序存储器锁定3（11）可编程串行UART通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路管脚说明图2AT89C51引脚电路图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以4被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下：端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）5P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保6持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。晶振电路所谓晶振电路即指单片机的时钟电路。该电路通常有内部时钟电路和外部时钟电路。一般选用前者。单片机芯片内部有一个反相放大器构成的振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，吧XTAL1和XTAL2与外部石英晶体及两个电容连接起来可构成一个石英晶体振荡器如图3-4所示。时钟发生器是一个2分频电路。它把晶体振荡器的频率2分频后供给片内其他电路。一般电容C1和C2起到稳定振荡频率、快速起振的作用。4复位电路单片机复位时RESET需保持96个晶振周期的高电平（即需8个机器周期）。复位以后P0-P3口输出高电平，堆栈指针SP指向07H，其他特殊功能寄存器和程序计数器PC清零。只要RESET7保持高电平，AT89C51就会循环复位。RESET当由高电平变为低电平以后，单片机从程序存储器0地址开始执行程序。但单片机复位部RAM状态，包括工作寄存器R0-R7。常见的复位电路有：上电复位电路和上电按钮复位电路，在本设计中均采用上电按钮复位电路，如图所示：2.4复位电路2模数转换器的选择ADC0831是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道带有串行接口的A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。工作原理ADC0831的工作时序如下图，ADC0831的工作过程如下：首先，将ADC0831的时钟拉低，再将片选端CS置低，启动A/D转换。接下来在第一个时钟的下降沿到来时，ADC0831的数据输出端被拉低，准备输出转换数据。从时钟的第二个下降沿到来开始，ADC0831开始输出转换数据，直到第九个下降沿为止，共8位，输出的顺序从最高位到最低位]12,8,3[。ADC0831启动程序如下：AD_CONV:SETBCSCLRCLKNOP8NOPCLRCSNOPNOPSETBCLKNOPNOPCLRCLKNOPNOPSETBCLKNOPNOPMOVR0,#08H芯片接口说明2.5ADC0831引脚图·CS：片选使能，低电平芯片使能。·VREF：参考电压输入端，接+5V。·GND：芯片参考0电位。·CLK：芯片时钟输入（复用）。9·VIN（+）：接电源正极。·VIN（-）：接电源负极。·D0：A/D转换数据输出端技术指标：·8位分辨率；·一般功耗为15mW；·转换时间为32us·5V电源供电时输入电压为0～5V之间四位一体LED发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。10发光二极管的核心部分是由P型半导体和由N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。本次设计选用的是四位一体共阳极数码管。这类数码管可以分为共阳极和共阴极，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同节点com，而每个LED的阴极非别为a、b、c、d、e、f、g及dp；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp，如下图所示，图中的8个LED分别图中a～dp各段对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻b、使用电压：段，小数点，根据发光颜色决定c、使用电压:静态：80mA动态：平均电流4—5mA峰值电流：100MaOP07放大器介绍OP07是一种高精度单片运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，11非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中]6[。OP07作为一种低噪声高精度运算放大器，特别适合做前级放大器。具有以下特点：1)低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)2)极低的输入失调电压—10μV3)极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃4)具有长期的稳定性—0.2μV/MO5)低的输入偏置电流—±1nA6)高的共模抑制比—126dB7)宽的共模输入电压范围—±14V8)宽的电源电压范围—±3V～±22V9)可替代725、108A、741、AD510、1875等电路3温度测量电路设计]12[温度测量电路要实现的目标是：将0～120度通过传感器测量，运算放大器放大的0～5V的电压信号。温度传感器选用Pa-t传感器，放大器采用OP07E放大器，温度信号输入采用差动放大形式，