51單片機(jī)用于溫度采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言
針對傳統(tǒng)測溫元件(熱電偶、熱電阻)組成的溫度測量電路復(fù)雜，軟件調(diào)試繁瑣等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于MSC-51單片機(jī)及ADC0809的溫度采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)中空余的I／O接口，以中斷的方式實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時采集與控制，充分利用CPU的資源空間，簡化了測量電路以及程序調(diào)試的復(fù)雜過程，方便了技術(shù)人員在實(shí)際中的開發(fā)和應(yīng)用。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)組成
圖1為系統(tǒng)硬件組成框圖。外部傳感器將與溫度相對應(yīng)的電信號傳至A／D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成后將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)送至譯碼器，最后在數(shù)碼管上顯示。當(dāng)有鍵盤輸入控制溫度時，單片機(jī)內(nèi)部比較此時得到的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與控制設(shè)定溫度，若低于設(shè)定溫度，外部裝置加熱，LED單色燈亮；反之，則不加熱，LED單色燈熄滅。

2．2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
(1)主控制模塊 選用單片機(jī)MSC-51的最小系統(tǒng)作為主控制器件，且采用MSC-51單片機(jī)的最小主控制模塊，由于程序控制簡單，器件內(nèi)部空間足夠存儲程序，無需外擴(kuò)存儲器，選用P0、P1口作為輸出接口，P2口作為輸入接口。
(2)溫度采集模塊溫度采集模塊由外部傳感器、電熱器以及ADC0809器件組成。傳感器的測量范同是0℃～50℃。在理想情況下，A／D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)值D與輸入的電壓信號V之間有以下關(guān)系式成立

式中，Vmax為連接在器件Vref+引腳的“高基準(zhǔn)電壓值”；Vmin為連接在器件Vref-引腳的“低基準(zhǔn)電壓值”。DMAx為當(dāng)輸入電壓為Vmax時，接口輸出的轉(zhuǎn)換數(shù)值。Dmin為當(dāng)輸入電壓為Vmin時，接口輸出的轉(zhuǎn)換數(shù)值。
(3)溫度顯示模塊 溫度顯示模塊由8279器件與數(shù)碼管組成，8279內(nèi)部的OUTA0～OUTA3、OUTB0～OUTB3與譯碼器74LS138連接，控制七段數(shù)碼管的顯示。
(4)溫度控制模塊溫度控制模塊由鍵盤、MSC-51器件、電熱器、A／D轉(zhuǎn)換器等組成。鍵盤數(shù)值的輸入也由8279器件通過行列掃描控制，再通過MSC-51的內(nèi)部數(shù)值比較，電熱器控制溫度，進(jìn)而達(dá)到保溫的目的。

2．3 系統(tǒng)硬件連接
系統(tǒng)選用MSC-51單片機(jī)作為主控制器件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與傳輸。設(shè)計(jì)中將74LS273的引腳P0．4與外部電熱器的開關(guān)相連接，控制加熱。同時將 LED單色燈與74LS273的引腳P0．4口連接．以顯示外部電熱器的狀態(tài)。A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809的引腳CS與編號為“8300H”的譯碼器輸出端連接，EOC信號接MSC-51的引腳P1．7，IN1與溫度傳感器相連接。數(shù)碼顯示控制器件8279的引腳CS與編號為“8700H”的譯碼器輸出端連接。圖2為鍵盤及數(shù)碼管顯示電路，圖3為A/D轉(zhuǎn)換電路。

3軟件設(shè)計(jì)
軟件采用MSC-51的單片機(jī)匯編語言編寫，運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部定時器的中斷實(shí)現(xiàn)中斷程序的調(diào)用以及5 s刷新數(shù)據(jù)的功能，從而大大節(jié)約CPU的資源，提高了工作效率。
3．1 主程序流程
在主程序開始之前設(shè)置偽指令，方便程序編寫時查找各個器件地址及初始化命令。主程序中設(shè)置定時器1的中斷程序，其定時產(chǎn)生中斷并進(jìn)入中斷子程序。主程序入口地址是0000H，中斷入口地址是001BH。為避免程序的存儲位置與單片機(jī)預(yù)設(shè)的存儲位置發(fā)生沖突，在各個入口地址中只放置跳轉(zhuǎn)指令。主程序的存放地址從0500H開始。
主程序以“START”開始，經(jīng)設(shè)置堆棧棧底以及各接口器件的初始化程序后．啟動定時器1開始計(jì)時，當(dāng)計(jì)數(shù)時間為50 ms時，定時器1產(chǎn)生中斷，轉(zhuǎn)入中斷子程序運(yùn)行。主程序流程如圖4所示。

主程序部分代碼如下：

3．2 系統(tǒng)中斷子程序流程
圖5是中斷子程序流程，其程序步驟如下：單片機(jī)響應(yīng)定時器1的中斷，進(jìn)入中斷子程序“FRESH”，設(shè)置50 ms的定時時間循環(huán)100次后，得到5 s的刷新時間，當(dāng)?shù)竭_(dá)5 s定時，隨即進(jìn)人A／D轉(zhuǎn)換器的讀取數(shù)據(jù)。將A／D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)值與預(yù)設(shè)溫度值相比較。測量值低于預(yù)設(shè)溫度則啟動電熱器，L=ED亮；反之，繼續(xù)下一步。數(shù)碼管初始化，并將A／D轉(zhuǎn)換后的十六進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值并顯示輸出。

4 結(jié)束語
該方案具有節(jié)約接口資源，CPU利用率高，執(zhí)行速度快，簡單易行等特點(diǎn)，具有推廣價值。但基于系統(tǒng)本身及器件轉(zhuǎn)換中存在誤差的缺點(diǎn)，該設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步提高控制精度，減小誤差，從而提高系統(tǒng)的整體性能。