单单单

黑龙江科技学院

课程设计报告

项目名称：八路温度采集系统

所属课程：传感器与检测技术

实践日期：2011.7.4—2011.7.8

班级测控08---1班

学号21号

姓名姜耀民

成绩

电气与信息工程学院

电气与信息工程学院课程设计报告

2

课程设计概述：

【课程设计目的及要求】

【课程设计目的】

1结合自己上大学以来所学如单片机、传感器等知识完成一项综合

性的实验。

2针对自己专业的特点设计此温度采集系统正式学以致用。

3将自己的知识储备从理论到实践的论证。

4为将来继续学习新的知识或者工作打下坚实的基础。

【课程设计要求】

1综合运用传感器与检测技术理论知识独立完成一个八路温度采集

报警系统工作；

2该温度采集报警系统具有对仓库中八个不同位置连续采集温度信

息功，测温范围-50---+50摄氏度，其精度可达0.5摄氏度，当超过此范围

则使用蜂鸣器报警；

3培养学生创新精神和扎实的设计技能。

【课程设计原理】

1.单片机：CPU是中央处理器，是单片机的核心部件，是计算机的

指挥控制中心。同微型计算机CPU类似，S52内部CPU由运算器、控制器两

部分组成。单片机执行程序的过程，就是逐条执行指令的过程。单片机每执

行一条指令都可分为三个阶段，即取指令——分析指令——执行指令。作为

主控制芯片，在AD那里接收转换后的数字量。

0809：此种型号的AD芯片的特点是8路输入并行八位输出，

其转换时间为100us。作为模拟量与数字量的转换芯片，将从信号处理电路

接收到的模拟量转换为8位并行数字量输出给单片机。

3.信号处理电路：利用运算放大器搭接电压跟随器，与差模放大电

路，同相比例放大电路对从pt100取得的小电压信号进行隔离、调零与放大

处理。

4.恒流源：因使用的传感器为pt100传感器，在我所学的内容中有

两种方法来设计温度采集电路，其一是使用不平衡电桥来进行检测，另一种

方法是使用恒流源加在pt100两端直接取电压信号，因前者的线性度不是很

好故而使用第二种方法，使用TL431作为2.5V电压基准元件，与9012NPN

管相连，可作为mA级恒流源电路。

100热电阻传感器测温原理：利用温度电阻效应，pt100随着温

度的变化其阻值发生变化，在测量电路上直接反映出电压的变化量。

数码管显示电路：使用单片机P0口加上拉电阻驱动数码管，加一个

74LS373锁存器以使得P0口还可以接独立按键使用，数码管采用动态扫描

方式显示温度，节省I/O口线。

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3

Pt100热电阻分度表：

温度（℃）阻值（Ω）

-5080.31

-4582.69

-4084.27

-3586.64

-3088.22

-2590.59

-2092.16

-1594.52

-1096.09

-598.44

0100

5101.56

10103.9

15105.46

20107.79

25109.35

30111.67

35113.22

40115.54

45117.08

50119.4

图1

PT100温度电阻特性曲线

0

20

40

60

80

100

120

140

-

5

0

-

4

0

-

3

0

-

2

0

-

1

0

0

1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

PT100温度电阻特性

曲线

图2

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4

课程设计内容：

【方案设计】

总体设计流程图：

一．温度信号采集电路的设计

1.电路原理图：

2

3

1

JP?

TL431

1K

R2

5V

1.8K

R3

R?

PT100

1K

R1

Q2

NPN

图1：1

温度第一路模拟量

温度第二路模拟量

温度第八路模拟量

信

号

处

理

电

路

放

大

电

路

A

D

转

换

单

片

机

处

理

按键系统

数码管显示

蜂鸣器报警

电源

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5

100热电阻：

它的阻值会随着温度的变化而变化。其后的100即表示它在0℃时

候其阻值为100Ω。因为它在小范围阻值随温度基本上呈线性变化，当PT100

在-50摄氏度的时候他的阻值为80.31欧姆，它的阻值会随着温度升高而成

近似成匀速上升的。在-50到+50℃之间时pt100的温度电阻特性曲线线性

程度比较好如下图所示：

PT100温度电阻特性曲线

0

20

40

60

80

100

120

140

-

5

0

-

4

0

-

3

0

-

2

0

-

1

0

0

1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

PT100温度电阻特性

曲线

图1：2

3.恒流源的设计：

依照上面电路原理图使用TL431作为2.5V基准电压元件，通过三极管的

一个PN结有0.7V压降，在三极管射级下面加一个1.8KΩ的电阻可以调出1mA

的电流，考虑到为了使PT100稳定工作，最好恒流源设计在1.5mA以下。在因其

特性故在集电极输出电流也为1mA的恒流，在PT100两端可采集的电压在

80.31mV——119.4mV变化。

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6

二．信号处理电路的设计

1.其中之一信号处理原理图：

C03

27pF

C02

27pF

R_EC01

10uF/16V

5V

R_KEY

复位

5V

1.8K

R3

R?

PT100

3

2

1

8

4

OP3A

OP07

1K

R4

1K

R5

5V

20K

R7

20K

R6

3

2

1

8

4

OP1A

OP07

3

2

1

8

4

OP2A

CA358T

5V

5V

1K

R1

3

2

1

8

4

OP4A

OP07

10K

R10

10K

R11

5V

10K

R13

10K

R12

20K

R8

5V

10K

R9

3

2

1

8

4

OP5A

OP07

1K

R14

5K

R15

1K

R16

5V

信号处理电路

图2：1

2.对PT100两端电压信号的采集放大调零处理：

因为此测量电路采集的是PT100两端电压，先对PT100两端分别加一个

电压跟随器，为了避免后续放大电路对PT100上的电流进行分流而产生测量误

差，然后使用求差电路对PT100两端电压信号进行求差后放大20倍，再采取电

阻分压与求差电路组合进行调零，最后再加一同相放大电路对输入信号放大6

倍，输出可接AD模拟输入端。

3.放大电路的计算过程：

OP1A放大器的输出

1

V，OP2A放大器的输出为

2

V，OP3A放大器的输出计

算公式：7

3121212

5

20

()()20()

1

R

K

VVVVVVV

RK

，当温度为-50℃时候PT100

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7

电阻是80.31Ω，其中

12

80.31VVmV

，放大20倍后其输出为

80.31201606.2mVmV使用调零电路对其调零，调节电阻

9

R使得

9

R两端电压

为1.6062V，而此时的OP3A输出应该为0。.

当温度为50℃时候，PT100两端电压为119.40mV，经前段放大电路计算得：

7

312

5

()1606.2781.8

R

VVVmVmV

R

，再经过放大器OP5A进行6倍放大处理，

其输出:15

43

16

5

(1)(1)781.84690.84.6908

1

R

K

VVmVmVV

RK



如此可以得到PT100在-50——50℃变化时，其信号处理电路的电压输出

是0——4.6908V。（本测量系统中使用的ADC0809使用的基准电压是5V）

三．AD转换部分设计

转换原理图：

图3：1

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8

2.八路AD转换原理：

此AD为8路电压输入并行8位输出的AD转换器，其上有A、B、C三个

引脚此为选择8路模拟通道的控制端，在本报告上只画了一路温度采集电路，其

余7路完全一样。AD将接收来的模拟信号转换成数字信号，送给单片机进行数

据处理，判断当前温度。

四．单片机最小系统的设计

1.单片机最小系统原理图：

EA/VP

31

X1

19

X2

18

RESET

9

RD

17

WR

16

INT0

12

INT1

13

T0

14

T1

15

P10/T

1

P11/T

2

P12

3

P13

4

P14

5

P15

6

P16

7

P17

8

P00

39

P01

38

P02

37

P03

36

P04

35

P05

34

P06

33

P07

32

P20

21

P21

22

P22

23

P23

24

P24

25

P25

26

P26

27

P27

28

PSEN

29

ALE/P

30

TXD

11

RXD

10

U01

S52

VCC

JZ

12MHz

C03

27pF

C02

27pF

R_EC01

10uF/16V

5V

R_R01

10K

R_KEY

复位

CLK

EOC

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

START

ENABLE

B

A

C

P2.6

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

P2.0

P2.1

P2.2

P2.3

P2.7

单片机最小系统

R

D

图4：1

2.单片机在设计中的作用：

控制电路是通过AT89S52实现的，单片机的作用是在AD那里接收转换后

的数字量，并把数字量通过数码管动态扫描方式显示出来，同时可以外界8个独

立按键，当有按键按下时，单片机产生中断，显示出相应路数的温度。

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9

五．数码管显示电路

1.数码管显示电路原理图：

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS1

DPY_7-SEG_DP

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS2

DPY_7-SEG_DP

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS3

DPY_7-SEG_DP

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS4

DPY_7-SEG_DP

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

P2.0

数码管显示电路

D0

3

Q0

2

D1

4

Q1

5

D2

7

Q2

6

D3

8

Q3

9

D4

13

Q4

12

D5

14

Q5

15

D6

17

Q6

16

D7

18

Q7

19

OE

1

LE

11

U3

74LS373

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

P2.1

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

P2.2

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

Q2.3

RXD

TXD

图5：1

2.数码管显示电路的设计原理：

我采用的是共阴极4个独立数码管，它们的a,b,c,d,e,f,g,dp接到一起，

分别接到P0口的0——7上，它们的公共端都接地，此种接法必须要有上拉电阻，

使得P0口可以作为输出I/O口，使用锁存器的作用是为节省I/O引脚，用做独

立按键的使用。当单片机从AD转换器那接收到数字量，在其内进行线性运算，

算得当前温度，将得到的温度数据送到P0口，经锁存器锁存后送给数码管可显

示当前温度。

六．按键系统

1.按键电路原理图：

R_KEY

按键1

R_KEY

按键2

R_KEY

按键3

R_KEY

按键4

R_KEY

按键5

R_KEY

按键6

R_KEY

按键7

R_KEY

按键8

按键电路

P

0

.

0

P

0

.

1

P

0

.

2

P

0

.

3

P

0

.

4

P

0

.

5

P

0

.

6

P

0

.

7

图6：1

2.按键原理：

8个独立按键的其中一端全部接到地上，使得当有按键按下时候其另一

端也为低电位，而这端接到P0口上，可以使得单片机判断当前按下的是哪一个

按键，与显示哪一路的温度。

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10

七．蜂鸣器报警电路的设计

1.蜂鸣器报警电路原理图：

Q1

9012

U6

BUZZER

5V

P2.6

蜂鸣器电路

4.7K

RES2

图7：1

2.蜂鸣器报警原理：

使用三极管9012当做开关，如果当前温度超过50摄氏度，则使得P2.6

连续输出一系列高低电平，使三极管导通，则蜂鸣器支路连通，开始报警。

八．电源电路的设计

1.5V线性电源原理图：

1

2

3

4

D1

BRIDGE1

T1

TRANS1

+

47u

C7

Vin

3

G

N

D

2

+5V

1

U5

LM140LAZ-5

+

47u

C8

VCC

AC220V

5V电源电路

0.1u

C5

0.1u

C6

图8：1

2.电源电路原理：

本电源使用220V工频电源供电，经过变压器变压后得到18V交流电压，

经过整流桥整流得到一系列的半波，经47u电容滤波，与104滤高频电容后输入

到5V稳压芯片，输出再加47u极性电容滤波可得到整个设计电路中所需的5V

电源。

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11

。

九．整个8路温度测量系统电路图

EA/VP

31

X1

19

X2

18

RESET

9

RD

17

WR

16

INT0

12

INT1

13

T0

14

T1

15

P10/T

1

P11/T

2

P12

3

P13

4

P14

5

P15

6

P16

7

P17

8

P00

39

P01

38

P02

37

P03

36

P04

35

P05

34

P06

33

P07

32

P20

21

P21

22

P22

23

P23

24

P24

25

P25

26

P26

27

P27

28

PSEN

29

ALE/P

30

TXD

11

RXD

10

U01

S52

VCC

JZ

12MHz

C03

27pF

C02

27pF

R_EC01

10uF/16V

5V

R_R01

10K

R_KEY

复位

V

c

c

1

6

C1+

1

V+

2

C1-

3

C2+

4

C2-

5

V-

6

T2OUT

7

R2IN

8

T2IN

10

R2OUT

9

T1IN

11

R1OUT

12

R1IN

13

T1OUT

14

G

N

D

1

5

U4MAX202或MAX202

5V

C1

0.1u

C2

0.1u

C4

0.1u

C3

0.1u

ToPC

FromPC

RXD

TXD

1

2

3

4

CHK

PC接口(串口线)

RXD

TXD

1

2

3

4

5

6

7

8

9

8排阻

1KX8

5V

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

IN-0

26

msb2-1

21

2-2

20

IN-1

27

2-3

19

2-4

18

IN-2

28

2-5

8

2-6

15

IN-3

1

2-7

14

lsb2-8

17

IN-4

2

EOC

7

IN-5

3

ADD-A

25

IN-6

4

ADD-B

24

ADD-C

23

IN-7

5

ALE

22

ref(-)

16

ENABLE

9

START

6

ref(+)

12

CLOCK

10

U2

ADC0809

5V

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

CLK

CLK

EOC

EOC

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

ENABLE

START

START

ENABLE

A

B

C

B

A

C

2

3

1

JP?

TL431

1K

R2

5V

1.8K

R3

R?

PT100

3

2

1

8

4

OP3A

OP07

1K

R4

1K

R5

5V

20K

R7

20K

R6

3

2

1

8

4

OP1A

OP07

3

2

1

8

4

OP2A

CA358T

5V

5V

1K

R1

3

2

1

8

4

OP4A

OP07

10K

R10

10K

R11

5V

10K

R13

10K

R12

20K

R8

5V

10K

R9

3

2

1

8

4

OP5A

OP07

1K

R14

5K

R15

1K

R16

5V

信号处理电路

Q1

9012

U6

BUZZER

5V

P2.6

P2.6

蜂鸣器电路

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

P2.0

P2.1

P2.2

P2.3

R_KEY

按键1

R_KEY

按键2

R_KEY

按键3

R_KEY

按键4

R_KEY

按键5

R_KEY

按键6

R_KEY

按键7

R_KEY

按键8

按键电路

P

0

.

0

P

0

.

1

P

0

.

2

P

0

.

3

P

0

.

4

P

0

.

5

P

0

.

6

P

0

.

7

P2.7

单片机最小系统

串口下载电路

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS1

DPY_7-SEG_DP

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS2

DPY_7-SEG_DP

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS3

DPY_7-SEG_DP

a

bf

c

g

d

e

DPY

1

2

3

4

5

6

7

a

b

c

d

e

f

g

8

dp

dp

wei

9

DS4

DPY_7-SEG_DP

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

P2.0

数码管显示电路

AD转换电路

1

2

3

4

D1

BRIDGE1

T1

TRANS1

+

47u

C7

Vin

3

G

N

D

2

+5V

1

U5

LM140LAZ-5

+

47u

C8

VCC

AC220V

5V电源电路

R

D

D0

3

Q0

2

D1

4

Q1

5

D2

7

Q2

6

D3

8

Q3

9

D4

13

Q4

12

D5

14

Q5

15

D6

17

Q6

16

D7

18

Q7

19

OE

1

LE

11

U3

74LS373

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

P2.1

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

P2.2

Q0.0

Q0.1

Q0.2

P0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

Q2.3

RXD

TXD

4.7K

RES2

0.1u

C5

0.1u

C6

Q2

NPN

电气与信息工程学院课程设计报告

12

【小结】

经过这几天的思考与设计，终于完成了本次课程设计——8路温度采集系统

的设计，这几天说实话，对于我来说时间真的不多，我们马上要考期末试，抽出

这几天的时间去设计这东西，真的不太容易，其中的串口下载部分我以前没有自

己设计过，那是在网上找的，其余部分都是我自己设计的，恒流源部分最早先我

没使用过TL431，那时用的是一个稳压管，因时间的问题，不能够实际做出实物

而验证感到惋惜，以前参加过省赛，做过温控系统，那时用的温度传感器是

DS18B20，至于AD590也使用过，因PT100以前没接触过想要尝试，故本次课程

设计使用的是PT100，这种恒流源式采集信号的方式传感器课上老师讲过，依稀

有点印象，便有此设计，至于5V线性电源那东西很早以前我就用的这个电路，

总的来说，本次设计虽说与自己的时间有些冲突，但是大体上觉得还是有些收获，

最起码尝试了使用PT100来检测温度的方法，说起来到现在，我对本次设计有些

不太满意的地方，但因时间问题，我就没有修改了，比如，按照现在的样子完成

实物的话，至少需要40个放大器，但是加一个4051模拟开关的话应该会使得放

大器的数量减少到5个！

指导教师评语及成绩：

评语：

指导教师签名：

批阅日期:2011年月日