基于74LS595驱动的温度显示器设计

　　摘要：针对日常生活中的温度采集提出了一种设计方案，详细介绍了系统结构组成和软硬件设计方案。系统采用AT89C51单片机为控制核心，以LM35为温度传感器，将温度信号转换为电压信号后输出给ADC0809。ADC0809再将模拟信号转换成数字信号输入到单片机中，经过单片机的控制处理最后再通过74LS595驱动输出到数码管中显示。实验结果表明，系统稳定可靠，并且体积小、成本低，有较高的使用价值和参考价值。

　　工业生产、农业生产和人们的日常生活都与温度息息相关，因此设计一个高效、可靠的温度采集系统具有重要的现实意义。采用51系列单片机对温度进行测量，能够使控制灵活方便，并且价格低廉可以使开发成本大大降低。据此设计了以温度传感器LM35、AT89C51单片机为基础的温度采集显示系统。为提高数码管的显示亮度以及减少单片机引脚的使用，采用74LS595实现对数码管的驱动。该系统的温度测量范围为0~50℃，精确到一位小数，可适用于日常生活。

　　1系统整体结构

　　该系统由温度采集模块、放大模块、模数转换模块、处理器模块和显示模块组成。温度采集模块采集现场环境温度并将其转换成电压信号，由于转换后的电压信号较微弱，所以要先经过放大电路的放大，然后再送入模数转换模块转换成数字信号，转换后的数字信号再送入处理器模块，处理器模块根据实际需要对数字量进行处理，最后再送入显示模块显示。其中选用LM35为温度传感器，放大电路选用LM385，选用ADC0809作为模数转换模块，选用常见的AT89C51单片机为控制核心，为了防止数码管闪烁和节省单片机引脚，在单片机和数码管之间接入74LS595带驱动、锁存、移位寄存器的芯片实现串行输入并行输出。系统设计框图如图1所示。

　

　　图1系统设计框图

　　2系统硬件及功能电路设计

　　2.1集成运放电路设计

　　2.1.1硬件简介

　　（1）LM35传感器

　　LM35系列传感器是精密集成电路温度传感器，其转换电压与摄氏温度成正比，0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV，计算公式如下：

　　Vout_LM35（T）=10mV/℃×T℃（1）

　　因此，相对于按绝对温标校准的线性温度传感器优越得多，并且LM35系列传感器生成制作时已校准，输出电压与摄氏温度一一对应，使用极为方便。LM35传感器有单电源和双电源两种接法，单电源供电模式下，在25℃时电流约为50mA，非常省电，所以该设计采用的是单电源供电模式。

　　（2）LM358放大器

　　LM358内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大电路，它也有单电源和双电源两种供电模式。功耗小，可用电池供电。

　　2.1.2实现电路

　　因为LM35的输出电压是毫伏级，而ADC0809的输入电压范围为0~5V，虽然在ADC0809的电压允许范围内，但电压信号较弱，直接进行模数转换会导致数字量太小、精度低等不足，因此需要经过放大后再输入到ADC0809进行转换。放大10倍后，LM35的输出电压范围为0~0.5V，测温范围为0~50℃，完全可以满足日常生活的需要，所以设计放大倍数为10倍。根据同相输入放大原理各电阻选择阻值及连接情况如图2所示。

　

　　图2LM358连接电路图

　　2.2A/D转换电路

　　2.2.1硬件简介

　　（1）ADC0809ADC0809是CMOS逐次逼近型A/D转换器，具有8路模拟量输入通道，有转换起停控制，模拟输入电压范围为0V~+5V，转换时间为100μs，可以与单片机直接连接。

　　（2）AT89C51单片机采用AT89C51作为处理器。AT89C51是一种高性能CMOS8位微处理器，带有4KB闪烁可编程可擦除只读存储器，低电压即可满足其供电要求。该芯片采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，并与工业标准的MCS—51指令集和输入输出管脚相兼容。由于其多方面的优越性能，为很多工控系统提供了一种性价比高且灵活的实现方案。

　　2.2.2实现电路

　　ADC0809的转换时钟由AT89C51的ALE信号提供。因为ADC0809的最高时钟频率为640kHz，而ALE信号的频率是晶振频率的1/6，晶振频率为12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ALE信号要经过四分频后再送给ADC0809。本设计中采用74LS74双触发器作为分频器。AT89C51通过P2.7引脚和读写信号线来控制ADC0809的锁存信号ALE、启动信号START和输出允许信号OE。由于本设计中只有一路输入信号，所以直接将C、B、A通道选择地址线接地。ADC0809的转换结束信号EOC与AT89C51的外中断INT0连接，由于逻辑关系相反所以通过反相器连接。转换的数字量通过D0~D7输出。当P2.7和写信号同为低电平时，锁存信号ALE和启动信号START同时有效，锁存的同时启动；当要读取转换结果时，只需要P2.7和读信号同时为低电平，输出允许信号OE有效，CPU响应中断后，在中断服务程序中通过读操作来取得转换的结果。根据逻辑关系连接方式如图3所示。

　　

　　图3单片机与ADC0809的电路连接图

　　2.3显示电路

　　2.3.1硬件简介

　　（1）数码管

　　发光二极管显示器又叫LED显示器，也称为数码管，其价格低廉、功耗较小、性能可靠。由于该设计的测温范围是0~50℃，精确到一位小数，所以采用3位八段数码管，分别用来显示温度的十位、个位和小数位。本设计中采用的是共阴极数码管。

　　（2）74LS595带锁存移位寄存器

　　74LS595是带有锁存功能的寄存器，内含八位串入、串/并出移位寄存器和八位三态输出锁存器。寄存器和锁存器分别有各自的时钟输入脉冲SH_CP和ST_CP，都是上升沿有效。由于具有数据锁存寄存器，在移位的过程中可以使输出端的数据保持不变，这在串行速度慢的场合很有用处，使数码管没有闪烁感，并且有较强的驱动能力，代替了专用的高成本的LED驱动器。74LS595只需3条控制线就可以完成8路信号的输出，直接控制数码管的8个段，有利于节省单片机的I/O端口，便于以后扩展。

　　2.3.2实现电路

　　该部分采用74LS595实现LED的静态显示。每个74LS595控制一位数码管，将74LS595的8个并行输出端和每位数码管的段选线相连，所以需要3个74LS595。这样每位数码管可以独立显示，在同一时间里可以分别显示不同的字符。虽然占用的外设芯片资源较多，成本较高，对于驱动显示多位数码管不利，但是它的编程简单，显示亮度高，占用的单片机引脚少，对于数码管位数不高的情况是不错的选择。

　　每个74LS595的串行输出口Q7′和下一个74LS595的串行输入口DS相连。数据从DS口送入74LS595，在每个SH_CP的上升沿，DS口上的数据移入寄存器，在SH_CP的第9个上升沿，数据开始从Q7′移出，这样数据便移入下一个74LS595。数据输入完毕后，给ST_CP一个上升沿，因为输出允许控制端OE一直是低电平允许输出，所以数据即从并口Q0~Q7输出到数码管，实现数据的显示。电路连接图如图4所示。

　　

　　图4显示电路图

　　3系统软件设计

　　3.1程序流程图

　　在主程序中实现对中断的设置，数据的处理以及显示，在中断程序中实现对数据的读取。因为数据的处理需要一定的时间，为防止处理过程中中断的出现使数据出现不一致的情况，所以数据处理之前先关中断，处理完后再开中断。主程序流程图和中断流程图分别如图5、图6所示。

　　

　　3.2显示驱动程序设计

　　该系统软件部分是在Kiel公司的μVision集成开发环境下采用C51语言编写开发的。AT89C51的P0、P2口作为外部扩展使用，P2口对应高位地址，P0口对应低位地址，P0口同时也作为数据线。用地址指针XBYTE定义，在使用该指针时要把absacc.h头文件引入到程序中。本设计中只使用P2.7端口控制ADC0809，P0只是作为数据接口。根据电路的设计定义XBYTE［0x7FFF］（只要确保P2.7为低电平，其他任意设置）。

　　根据LM35的输出电压和温度的关系，0~50℃对应0~0.5V，通过LM358放大10倍后对应0~5V，再通过ADC0809转换后对应数字量0~255，所以要显示的温度与转换后的数字量的关系为：

　　T=50×X/255=10×X/51

　　其中T为要显示的温度值，X为经过ADC0809转换后的数字量。

　　根据数码管的显示原理，需要将显示的数字转换成相应的字段码后才能在数码管中正确显示，所以要把转换得到的温度值进行十位、个位和小数位的拆分。因为得到的温度值是浮点数，直接取出难以使用，为了便于利用拆分扩大10倍后再取整，这样原来的十位、个位和小数位分别对应变换后的百位、十位和个位。因为中间一位需要显示小数点所以在送入数码管之前先和0X10相与。部分C51程序如下：

　　

　　该设计实现了基于74LS595驱动的温度采集与显示，经过实测，该测温系统工作稳定，灵敏度高。此外，该系统所用器件均为常规器件，成本低廉，有较高的应用价值。虽然该系统只对温度进行了采集，但是稍加改动，即可以很方便地扩展为集温度采集、控制为一体的产品，还可以实现利用异步串行接口与PC机进行数据通信，把采集到的温度等值保存到PC机中。

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