基于AD590数字温度计的设计

i 目录 1 前言 . 1 2 系统设计方案论证 . 2 度采集电路选择 . 2 模数转换电路选择 . 4 制和显示电路选择 . 4 3 数字温度计系统设计 . 5 件设计 . 5 度采集电路 . 5 模数转换电路 . 9 片机最小系统 . 11 码管显示电路 . 16 源电路设计 . 18 件设计 . 21 序流程图 . 21 程序 . 21 4 系统调试 . 22 5 结束语 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 25 附录 . 27 附录 . 27 附录 . 28 附录 3 仿真图 . 29 附录 . 30 附录 . 34 要 温度是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个量，它对人们生活，工业生产，动植物生长繁殖等都有非常大的影响，准确地测量它对我们具有非常大的意义。本文设计了一种基于 用两点温度补偿电路，让 用高分辨率的 16位 A/测温更加精确，利用 机控制 A/动数码管显示温度，实现了温度测量的自动化和数字化。该设计较传统温度计有诸多优点，不仅测温范围广，而且精度高，读数更直观，能广泛地应用在日常生活和工业生产中，并显示出了经济、可靠的优越性。 关键词 ： 温度计； 16位 A/D；单片机 he is in to of a, it we a of is 6 , by CU , to of a of is be in to 16A/D； 1 1前言 温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度，是大量分子热运动的集体表现。 温度对人们生活，工业生产，动植物生长繁殖等都有非常 大的影响，所以我们必须测量温度的大小来做相关研究 。 然而温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，所以就需要温度计，它是测温仪器的总称 。传统的温度计 是利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩等的现象为依据设计的，它可以准确的判断和测量温度。最早的温度计是在 1593年由意大利科学家伽利略（ 1564 1642）发明的，后来经过更多科学家的努力，制造出了更多种类的温度计来满足不同需求，比如有酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等。 随着人们生活 水平的不断提高，社会的不断发展，我们对温度计的要求也越来越高，传统的指针式的温度计虽然能指示温度，但是精度低，测量范围太小，使用不够方便，显示不够直观等很多不足，在很多时候已经不能满足我们的需求 。 在这种情况下 依靠于现代 新技术 的温度计 不断涌现，温度计更多地向数字温度计方向发展，传统的指针温度计更多地被数字温度计取代。目前数字温度计更多地向集成化 、 智能化 、 系统化的方向发展，在测温系统中普遍采用线性化处理和温度自动补偿技术。本设计就是利用集成温度传感器 用数字显示，具有读数方便 、 测温 范围广 、 测温准确 、 反应速度快等重要特点。 具体的设计要求如下： （ 1）应用运算放大器、 A/D 转换电路、数字集成电路设计一个数字温度计。 （ 2）采用专用温度传感器 （ 3）温度测量范围： +150； （ 4）分辨率： （ 5）显示方式：不小于 4位半 示； （ 6）可以使用单片机设计。 2 2系统设计方案论证 方案一：如图 1， 采用热敏电阻设计的温度计。 热敏电阻是一种新型半导体感温元件 ,它具有灵敏度高 、 体积小 、 质量轻 、 热惯性小 、 寿命长以及价格便宜 等优点， 在一定温度范围内， 其 阻值 与 温度 近似成线性关系 。具有负温度特性的热敏电阻， 当温度升高时 ，电阻值减小 。 给热敏电阻通一恒定电流 ， 电阻两端就可以测到电压 ，当温度变化时，热敏电阻的阻值和电压也线性地变化，找好基准温度点 后，就可以根据公式 0T T K U o 来计算温度的大小 。 567 温度采集电路 1 方案二：如图 2，采用数字式温度传感器 能 型的温度传感器，它 能够直接读出被测温度 ， 可根据实际要求通过简单的编程实现 9 12位的数字读数方式，并且从 它内部 读出的信息或写入 它 的信息仅需要一根口线（单线接口） 18 B 2 0V C . 0图 2 温度采集电路 2 3 读写 ， 总线可以向所挂接的 无需额外电源。 控制器给出指令让 成温度测量并将数据存在内部存储器中， 2位，读取温度时共读取 16位， 16位数字摆放是从低位到高位 ， 所以把后 11位的 2进制转化为 10进制后 再乘以 前 5位为 1时，读取的温度为负数；当前 5位为 0时，读取的温度为正数。 方案三：如图 3， 采用 单片集成两端 感温电流源 过 0时流过的电流为 度在一定范围内每增加或减少一度， 电路中有 +bd ab i i，其中a 和 b 点的之间的电压和阻值决定，当 a 点和 b 点之间的电压和阻值固定后则有cb ， 而流过 0 ， 所以有 610 。 由于 ( 2 3 )o i R R p ， 则有( 2 3 )o i R R p ， 所以得到温度与电压的线性关系 6( 2 3 ) 1 0U o R R p T ， 设置好基准温度点后就可以计算出温度的大小 1。 2374618U 11O P 070 K R 0 590+ 12 . 0 0 温度采集电路 3 比较以上几 种方案，第一种方案电路简单， 但是热敏电阻阻值 与温度的关系非线性严重 、元件稳定性差 。第二种方案， 可以直接测温并数字化温度值，免去了 A/D 转换，仅需要一片单片机即可以完成设计， 电路也比较简单 ，但选择的传感器不符合设计的要 4 求 。第三种方案电路相对复杂些，但 充 分利用了 过调节滑动变阻器可对 测温更准确。本设计及采用第三种方案 。 模数 转换电路选择 温度采集电路将温度转变为模拟电压信号，而模拟电压必须被转化为数字信号才能被单片机处理，所以设计中必须要有模数转换电路 ， 因为设计要求测温范围为 +150 ，分辨率为 ，故至少要选用 15位的 A/D 转换器 ，在本设计中，采用 的是 16位的 自带时钟源，低功耗，高精度 16位 低 8位数据可在同一端口交替输出，宽的电压输入范围等。 根据设计要求，本设计选择 既能很好地对 能很快地处理采集的数据，并能控制 和 驱动数码管的显示，使用方便、电路简单。根据测温的范围，选择 5位数码管就能满足要求。 5 3数字温度计系统设 计 硬件设计包括各个电源电路、温度采集电路、 A/D 转换电路、单片机电路和显示电路。硬件设计系统框图 如图 4。 图 4 硬件系统框图 温度采集电路对整个温度计的设计至关重要，设计的温度计准不准确，关键就在于温度采集电路将温度转化为要处理的电压信号的准确度。为了准确地将温度信号转化为电压信号，设计中采用 集成两端感温电流源 温度传感器，它是单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为 1。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在 25C）时输出 流，在一般测量要求下，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等 2。 ， 它的主要特性如下： （ 1）流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度（开尔文 ）度数（即： ，流过器件（ 电流，单位为 T热力学温度，单位为 K）。 度采集电路 电源 数码显示 模拟信号 12V +5V 位选控制 段码控制 数字信号 制 6 （ 2） 55 +150 。 图 5 温度传感器 3） V 30V，电源电压可在 4V6V 范围变化，电流变化1当于温度变化 1K， 4V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 （ 4） 输出电阻为 710 （ 5） 精度高。 、 J、 K、 L、 M 五档，其中 M 档精度最高，在 +150范围内，非线性误差为 。 算放大器集成电路 ，如图 6。由于 5以 2开环增益高为 300V/特点，这种低失调、超低偏移、高开环增益的特性使得 图 6 低漂移运算放大器 然 按校准结果分为五档，但即便是精度最高的 M 挡也会由于生产过程中工艺的波动而使准确度有所不同。因此在高精度的测量中为了获得准确度高的测量数据，应对 先 我们需要对使 7 用 便进行校正和补偿，线性度的测量常采用拟合的方法得出，首先在 量特定温度点下流过 据这一系列的测量值绘制它的温度电流特性曲线，然后将其与理想特性曲线作对比，得出所使用 得了线性度后，为提高测量准确度，下面的工作便是要对其进行误差 校 正补偿了。误差校正补偿既可以采用硬件电路来实现，也可以通过软件来实现，在本设计中采用硬件电路对 常用的校正方法有单点温度补偿和 双点温度补偿。单点补偿时，只需在 节可变电阻器使 0 （具体在哪一温度点上调整比较好，要根据实际测温范围来定）时 电阻和可变电阻器上的电压之和为 理时默认 0 ），单点补偿电路虽然简单， 但 由于仅在一点上调整，使得在整个测量范围上仍有较大误差。为了更准确地采集温度数据，本设计采用双点补偿，电路如图 7。 2374618U 11O P 07R 14 502 33K R K R 0 D 590R 0K+ 12a b 2 7 3 . 2 u b c bd i b . 0 0 双点补偿温度采集电 路 根据运算放大器的电流特性可知流过 的电流为 0，所以有 bd ab i +i（ 1） 其中小由 a 和 b 点之间的电压和阻值决定，当他们之间的电阻值和电压固定后有 cb i（ 2） 8 而流过 有关且在数值上满足 i T 1 0 （ 3） 所以有 6i= T 1 0 （ 4） 由于 o = i R 1 4 + R p 3 （ 5） 则有 o = i R 1 4 + R p 3 （ 6） 所以得到温度与电压的线性关系 o = T R 1 4 + R p 3 1 0 （ 7） 这样温度的变化就被线性地转换成了电压信号 ，实现了温度的采集 。 下面 选取进行温度补偿的两个温度点。我们要测温的范围为 至 150 ， 可以将温度范围平均分成两段，取各段的中点，即 0和 100这两个点 ，选取他们来进行补偿能使温度计在整个测温范围内的非线性误差相对更小。在 0 时，调节 o 为 0V（ V 对应的二进制数字信号处理为 0 ）； 在 100 时，调节 6V（ 样后单片机将 6V 对应的二进制数字信号处理为 100 ） ，这样在这两个温度点 的误差就为 0， 电路 在这两个点上得到了补偿，也使得电路在整个测温范围内的误差更小 。 温度补偿点设定好后再对 电路的参数进行设置 。 由运算放大器的虚短虚断特性可知和引脚 3的电压为 0，流过的电流也 为 0，其中 a 点为 密电压，所以 i=R 1 2 + R p 1 。在 0 时，流过 节 要使a b b i = 2 7 3 .2 u A， 则 所以 3K， 在 100时，保持 整 要使 6V 电压，则 R 1 4 + R p 3 = 6 0 所以 0 增加温度补偿 前后的 绝对误差 曲线如图 8， 双点温度补偿比单点温度补偿的效果更好，增加温度补偿后，测温精确度有了很大的提高。 9 图 8 绝对 误 差比较 模数 转换电路 数转换电路是模拟温度向数字温度转化的桥梁，它将温度采集电路输出的温度电压信号 化为二进制的数字信号， A/D 的分辨率越高，模数转化后的结果越准确，使测得的温度也越准确。为了使测温达到 的分辨率，设计中采用 16位的高分辨率转换器 美国 司推出的 +5V 单电源供电的高速、低功耗 16位逐次逼近式 A/D 转换器 ， 转换速度最快为 200功耗为 100入信号范围为 +10V，带宽为 它 可以与 8位、 16位单片机和 便地连接。部包含 考电压源、高速并行接口和时钟。芯片生产时所有的线性误差都得到了补偿，并且，诸如 噪比）和 谐波失真）等的交流参数及失调、增益和线性度都得到全面测试 3。 8脚 种封装形式，其引脚功能如下： （ 1） 1脚）：模拟输入。满量程输入范围为 10V。 （ 2） 2脚）：模拟地。作为 脚的参考地。 （ 3） 3脚）：基准输入 /输出。该引脚为内部 +准的输出或从该引脚输入一个外部基准。两种情况下，均应在该引脚和地之间接入一个 钽电容。 （ 4） 4脚）：基准缓冲器输出。该引脚和 脚之间接入一个 钽电容。 （ 5） 5脚）：模拟地。 （ 6） 6脚）：数据位 15。 10 （ 7） 8（ 713脚）：数据位 148。 （ 8） 14脚）：数字地。 （ 9） 1（ 15 21脚）：数据位 71。 （ 10） 22脚）：数据位 0。 （ 11） 23脚）：字节选择。 低时，数据按上面所述方式输出； 6脚（ 22脚（ 高时，高低 8位数据交换输出； 8在 1522脚输出， 0在 613脚输出。 （ 12） R/C （ 24脚）：读转换输入。当 R/C 的下降沿使芯片内部的采样 /保持进入保持状态并开始一 次转换； R/C 的上升沿允许输出数据位。 （ 13） 25脚）：片选输入。内部与 R/C 相或。 R/C 为低时， 降沿初始化一次转换。 R/C 为高时， 降沿允许输出数据位 。 出数据位呈高阻状态。 （ 14） 26脚）：忙输出。一次转换开始时， 低并维持到该次转换结束，数据锁入输出锁存器。 低、 R/C 为高时， 高，输出数据有效。 （ 15） 27脚）： 模拟电源，一般为 +5V。 （ 16） 28脚）：数字电源，一般为 +5V。 考源电压决定了数模转换器的满量程范围，在 16位的 用中要特别注意参考电压的噪声和温度漂移，本设计采用 压作为参考电压，接在引脚 ，并在该引脚和地之间接入一个 钽电容。在模拟输入引脚 模拟信号源之间连接一个 200 的电阻。为了节约单片机资源，设计中只将 为数据线与单片机 用单片机的 用单片机的 4。 用单片机编程控制 路如图 9。当使 R/C 和 时为低电平时 ， 启动 通过查询引脚 判断转换是否完成， 低电平时 高电平时转换完成； R/C 为高电平 、 许数据输出给单片机； 位数据，为高电平时输出高 8位数据。 11 V i N D 12R E N D 25D 15( M S B )6D 147D 138D 129D 1110D 1011( L S B )22B Y T S a n di V i M I 3. 0 780+ 换电路 性能 有 8K 在系统可编程 储器。 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80上 许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上 ， 位 在系统可编程 有效的解决方案。 品兼容； 8K 支持在线编程（ 构程序存储器， 1000次擦写寿命；全静态操作， 0级加密程序存储器； 32个可编程 I/O 口线； 3个 16位定时器/计数器； 6个中断源；全双工 行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电 标识符 。另外， 态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下， 止工作，允许 时器 /计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下， 容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停 止，直到下一个中断或硬件复位为止 5。 0。 12 图 10 口说明： 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8个 辑电平。对 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， 位地址 /数据复用。在这种模式下， 程时， 程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 位双向 I/O 口， 个 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 位双向 I/O 口， 个 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用 16位地址读取外部数据存储器时， 这种应用中， 内部上拉发送 1。在使用 8位地址访问外部数据存储器时， 2锁存器的内容。在 程和校验时， 位地址字节和一些控制信号。 13 位双向 I/O 口， 个 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。使用在 程和校验时， 二功能）。端口引脚第二功能如下： 行输入口）； 行输出口）； 中断 0）； 中断 1）； 时 /计数器 0）； 时 /计数器 1）； 部数据存储器写选通）； 部数据存储器读选通）； 位输入。当振荡器工作时， 脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 当访问外部程序存储器或数据存储器时， 地址锁存允许）输出脉冲用于 锁存地址的低 8位字节。一般情况下， 以时钟振荡频率的 1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个 冲。 外部程序存储器的读选通信号，当 数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。 外部 程序存储器选用端 ，欲使 访问外部程序存储器， 必须保持低电平（接地）。 当 持为高电平时，首先访问内部程序存储器，在程序计数器 超过片内程序存储器容量时，将自动转向外部程序存储器中的程序。 荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 荡器反相放大器的输出端。 采用 仅使电路简单，而且可以根据需要来控制 节数码管的显示等优点。其外围电路设计如下。 14 当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的 来接石英晶体和微调电容，晶体一般可以选择 3M24容选择 30右。 设计中 选择晶振为 12容 30路如图 11。 12 T / V D /P 3 D / P 3. 111I N T 0/ P T 1/ P / P 3. 414T /P /P 3 A L 118X T A L 219V s E E /P R O /V p c 0 A T 89 S 52图 11 晶振电路 复位电路 能使单片机系统开始运行和重新启动，通过它能使 其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作，复位电路一般有上电自动复位和按键自动复位，这里将两种复位电路设计在一 起。 在系统上电的瞬间， 的电压 与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升， 脚 电位下降，于是在 脚上形成了一个具有一定时间宽度的高电平， 只要该 高电平的持续足够长就 可以实现复位， 一般高电平的持续时间大于 10能使单片机可靠复位。 当人按下按钮 ，使电容 过 速放电， 刻变为高电平， 待 起后， C 再次充电， 使 为低电平，如此产生持续的高电平来 实现手动复位。 般取 200， 般取 10般取 10 复位电路如图 12。 00 00 S T+5图 12 复位电路 控制部 分 设计如图 13，让单片机 位的数据分时输出给 15 P T / V D /P 3 D / P 3. 111I N T 0/ P T 1/ P / P 3. 414T /P /P 3 A L 118X T A L 219V s E E /P R O /V p c 89 S 52+5 T S 数码管段选数码管位选A D 9 7 6 数据端口A D 9 7 6 控制端口图 13 单片机控制电路 系统初始化， 片机等待一定时间后查询 转换完成，转换完成后让 时允许数据输出， 位数据 出给 位数据 出给 单片机接收到数据后 执行指令“ _56+将它转化成十进制数据放在变量 6。因为 以可以通过 大小来判断温度的正负，当 于 32767时温度为负值，当 于等于 32767时温度为非负值 7。 因为 正温度时 应的就 原码 A D d a t a _ d x = A D d a t a （ 8） 而负温度时输出的编码最高位 为符号位， 应的是 反码，其原码该为 A D d a t a _ d x = 6 5 5 3 6 - A D d a t a （ 9） 10V+10V，并将电压转换为 16位的二进制数据，故他的分辨率为 2065536， 则编码对应的电压大小为 U o = f b l A D d a t a _ d x （ 10） 16 即正温度时 0 20U = A D d a t 11） 负温度时 0 20U = ( 6 5 5 3 6 - A D d a t a )65536（ 12） 又因为测温范围 +150对应的电压范围为 V，若某时电压为0U，则对应温度绝对值为 020012（ 13） 所以可以计算出正温度值为 2 0 0 2 0T = A D d a t 0 . 0 0 5 0 8a=1 2 6 5 6 2 6 3 A D d a t （ 14） 而负温度时 2 0 0 2 0T = ( 6 5 5 3 6 - A D d a t a ) = 3 3 3 . 3 3 3 - 0 . 0 0 5 0 8 6 2 61 2 6 3 A d a t a （ 15） 这样温度的绝对值就计算出来了，由于温度的正负已经判断出来了，故温度的真实值也被计算出来了 7。 将温度 T 的小数点后第三位四宿舍五入，再把四舍五入后的数据的每一位分离开来送给数码管显示。当百位为零或百位和十位均为零时做消零处理（即不显示），所有温度均保留两位小数显示，温度为负温度时，在温度值前显示负号。 码显示管有两 种，一种是共阳极数码管，另一种是共阴极数码管，其内部是由八个阳极或阴极相连接的发光二极管