测控技术与仪器 毕业论文范文——高精度电子温度计的研究

高精度电子温度计的研究摘要本设计的目的是设计研究一款高精度室温电子温度计，用来测量室温并实时显示。在本设计研究中采用AD590、C8051F005单片机、SMC1602ALCD以及调理电路组成的温度采集、处理、转换、控制、并实时显示的系统。介绍了以AD590为温度传感器，经过流压转换、信号调理电路，利用C8051单片机内部集成AD转换模块将所采集电压值经过单片机处理，最终将温度值显示在LCD上的系统,详细描述了利用数字温度传感器AD590开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接进行了详尽分析，以及简要学习C语言软件编程的知识，对各部分电路的连接以及主要元器件的选择也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现实时温度采集和显示。在论文中给出了系统设计的软硬件方法，该温度计测温较准确，显示直观，电路设计简单。它使用起来相当方便，具有精度较高、量程较宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于室温的温度测量、显示。设计中应用protel软件进行电路图和PCB图的绘制，并应用KEIL软件对控制显示程序进行仿真。关键词：C8051F005，AD590，AD转换，LCD High-accuracy electronic thermometer researchAbstractthe present paper narrated the application of monolithic integrated circuit C8051F005 constitution and the main function of intelligent thermometer, the hardware composition and the software design.This system function is carries on gathering through the temperature sensor AD590 to the temperature, then carries onADC conversion through AINO, passes to the monolithic integrated circuit to carry on processing, thus realization temperature real time display.Overall system structure compact, simple reliable, operation nimble, function strong, performance price scaled height of burst, has satisfied the room temperature measurement and the scientific research need well.Key word： monolithic integrated circuit,temperature sensor ,ADC,Real time display第章引言随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中电子温度计就是一个典型的例子，本设计就是利用单片机进行控制和显示的室温电子温度计的研究设计。但人们对温度的检测与控制的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的、更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制、智能化控制方向发展。 本设计所介绍的电子温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温稳定、准确，其输出温度采用LCD数字显示，主要用于测温比较准确的场所，或科研实验室的室温测量使用。在设计中介绍了温度传感器的测量、转换和控制之间的关系：检测是转换、控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的，现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。例如对于温度的测量由传统的水银温度计、热电阻温度计、热电偶温度计向集成数字温度计和电子温度计的发展促进了温度的控制和科学的发展。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前，在温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途以及显示精度等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型温度传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的测温、控制、显示系统。国内外对于高精度电子温度计的设计大多数都采用单片机控制显示，对于温度传感器的选择往往采用集成数字、电子温度传感器，温度传感器的集成发展促进了温度的测量控制，同样，单片机的发展也促进了测温水平和精度的提高。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。对于新型电子温度计的结构来说一般都包括以下几部分：温度传感器、单片机控制、数字实时显示三部分。各部分都有自己的特点和要求来实现整体电路的测温目的。新型电子温度计的显示精度可以达到0.1，但是考虑到整个系统以及电路的稳定性和精度，本设计要求精度0.5。在本设计中依次介绍测温电路的传感和放大、单片机的使用原则、设计过程中用到的其他芯片介绍以及电路图的设计连接。这几部分中又详细的分为传感器、单片机、运放主要芯片的选择和使用参数介绍；单片机ADC的使用和设置；单片机内部其它本设计中用到的部件的介绍；最后总结了本设计过程中遇到的问题和某些不足，以及总结设计过程中的所得。第2章硬件电路的设计在电子温度计的总体模块包括信号传感部分、调理电路部分、单片机控制部分、显示部分四大模块。系统的基本组成和工作原理传感器单片机数字显示芯片信号调理电路图2.1 高精度电子温度计系统组成通过传感器将外部温度变化的模拟信号转换为电压量或者电荷量，再由信号调理电路进行放大、滤波等，然后把模拟信号输入单片机,由其内部的A/D转换器转换为数字量，通过软件控制，最后由数字显示芯片显示出来。2.1测温电路的传感2.1.1温度传感器的选择和介绍温度传感器的选择：选择温度传感器比选择其它类型传感器所需要考虑内容多许多。首先，必须选择传感器结构，使敏感元件在规定测量时间之内达到所测流体或被测表面温度。温度传感器输出敏感元件所测温度。实际上，要确保传感器指示温度即所测对象温度，常常很困难。大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几方面问题： （1） 被测对象温度否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。（2） 测温范围大小和精度要求。（3） 测温元件大小是否适当。（4） 被测对象温度随时间变化场合，测温元件滞后能否适应测温要求。 （5） 被测对象环境条件对测温元件是否损害。 （6） 价格如何，使用是否方便。 半导体温度传感器是以集成电路结构制造的，基本设计原理基于半导体二极管的伏安特性与温度之间的关系。IC温度传感器适合于-55+150温度范围内的应用。虽然IC温度传感器的测量范围比热电偶的测量范围小一些，但是它们有小封装、高精度和低价格等特点，并且容易与其它器件连接，例如，放大器、稳压器、数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）。IC温度传感器技术不断进步，可以提供各种各样的功能、特性和接口。准确度：集成电路温度传感器的电压输出是与温度成线性比，即使在较高的温度范围内，集成电路温度传感器也具有很高的准确度；反之若采用热敏电阻器，就需依靠查表或加设电路才得知输出电压与温度的关系。要使用查表就表示需要有一个额外的记忆硬件，而无论是查表或是外加电路，成本都会较高。功率消耗：集成电路温度传感器的功率消耗较热敏电阻器为低，因为两者在感觉温度的方法都不同。集成电路温度传感器可以用很低的电耗就可以感觉到温度，但热敏电阻器却是由电流消耗中感觉温度，功率消耗自然就比较高。而且，当长时间去感觉温度时，热敏电阻器本身的温度也会愈来愈高，它的温度准确性自然也大受影响。 成本：单一个的热敏电阻器的价钱可能较大部份的集成电路温度传感器为低，但是热敏电阻器需要跟其它有关的元件相配合才能达到一个集成电路温度传感器的准确度，故从整体价格来说，热敏电阻器却是较集成电路温度传感器为贵。而且，热敏电阻器需要更多印刷电路板的板面空间，对要求体积小的电子类产品，例如移动电话等，自然就非理想之选。再者，印刷电路板的成本是用电路板空间跟线路布置来结算的，电路板所需空间愈大，成本也愈高。反之，若采用集成电路温度传感器，需要较少的芯片支持，有助节省印刷电路板的板面空间。而且，集成电路温度传感器更有助简化部分系统的设计，节省系统设计的时间，加快产品推出市场的时间。 选用集成温度传感器AD590,其温度分辨率为0.3。AD590输出的是模拟信号，当温度为0时，输出电流273.2uA，并且电流变化量与温度变化量呈线性关系，温度每变化一度，输出电流变化1微安。如采用AD590作温度传感器，传感器外围电路比较简单，只需将采样电阻与AD590连接，然后对信号进行放大。AD590集成温度传感器：AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源电流输出型集成温度传感器的代表产品, 它是利用PN结正向电流与温度成正比关系的原理制成的, 具有良好的互换性和性能稳定、使用方便、抗干扰能力强、输出阻抗高等优点。性能参数如下：输出电流为223uA (-50)423uA (+150)；灵敏度为1uA/；AD590的测温范围为-55+150；电源电压范围为4V30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710M；精度高，AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA。对比另外一种非常常用而且精度比较高的数字温度计DS18B20的性能指标：数字温度传感器DS18B20主要特点 1. 适用电压为3V5V2. 912位分辨率可调 3. TO-92、SOIC及CSP封装可选 4. 测温范围：-55+125 5. 精度：-10+85范围内0.5 6. 无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起 7. 每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待 批量价格6-8元。 考虑到精度和非线性度，以及DS18B20内部已经是以二进制的形式存储，912位分辨率可调，初始设置为9位。而AD590的分辨率为0.3，对比DS18B20的分辨率为0.5，而且所选单片机ADC为12位，所以选择AD590。AD590集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流的关系实现对温度的检测。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型（可以串联一个10K欧姆的电阻）的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为2.732V，温度25时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1uA/K。 2.1.2AD590的校正因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电位器RP5（见附录图中）的电阻为10k时，输出电压随温度的变化为10mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器RP5，使VO=273mV。或在室温下(25)条件下调整电位器,使（mV）。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度。但是由于是一款室温测量电路，所以这种校正已经比较合适。2.1.3AD590的应用AD590用来测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿中应用。2.2测温电路的放大在运放的选择上应该根据设计目标的综合考虑来决定运放类型,必须综合考虑设计目标的信号电平，闭环增益，要求精度，所需带宽，电路阻抗，环境条件及其它因素，并把设计要求的性能转换成运放的参数，建立各个参数的取值以及它们随温度、时间、电流电压等变化的范围,来选择具有最优性能价格比的运放,必须把设计目标的性能、所选择器件的性能指标与价格联系起来，以最低的价格获得符合设计目标提出的物理、电气和环境要求。例如:LM358性能一般，价格便宜，双路，可单电源，双电源供电。OP07高精度单运放, 低输入失调电压和漂移, 适合作前级放大器，放大微弱信号。使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求, 低输入失调电压：75uV(最大)；低失调电压温漂：1.3uV/(最大)；低失调电压时漂：1.5uV/月(最大)；低噪声：0.6uV P-P(最大)；宽输入电压范围：14V；宽电源电压范围：3V18V；价格2-4元 ；LM741工业级标准，耐高温，精度一般，双电源供电，单路，可补偿；输入失调电压0.8mV；偏置电流：30nA；增益带宽积：1.5MHz ；转换速率： 0.7V/uS ；耗电流：1.7mA ；电源：+/-3V - +/-22V；LM318输入失调电压4mV；偏置电流：150nA；增益带宽积：15MHz；转换速率：70V/uS；耗电流：5mA；电源：+/-20V； LM747 普通双路运放；可补偿； OP27高精度单运发；速度快；价格贵；OPA340单电源微运算放大器；高精度；具有轨到轨的输入和输出，因此适合用于驱动AD转换芯片；轨到轨功能能较好的达到电源电压而不失真，因此可以较好的实现模拟到数字信号的转变。另外，OPA340用作模拟信号转化为数字信号时的隔离，因为在模拟信号传入单片机的时候，一般会有较大的电流，这时大电流将可能损害单片机，因此用OPA340做成隔离电压跟随器，一方面可以较好的保持原电压波形，另一方面可以隔离大电流，由运放电源输出的小电流输入单片机管脚，这样就保护了单片机。综上所述，故选择了OPA340运放芯片作为本设计中采用的放大器,作为单片机的ADC前置电路.以下是OPA340的详细介绍:频带带宽GBW为5.5MHz；单通道的静态电流为750uA，可以工作在单电源和双电源模式下进行工作，本设计中采用单电源5V供电工作。它良好的工作特性使它成为出色的模数转换器的前置电路；本设计采用的OPA340为单运放集成运放芯片，良好的工作参数可以工作在最低2.5V供电状态；可以工作在-40+85，保存温度范围为-55+125，考虑到本课程设计的目的是测量室温温度，所以完全满足要求；OPA340芯片有8根引脚，其中2、3引脚分别为反相端和同相端，7、4引脚分别为正负供电电压，6引脚为输出端；输出电压波动为40mV；工作电压范围：2.5V to 5.5V；IO = 0, VS = +5V时，静态电路为750uA；极限参数：驱动电压5.5V，单端输入电压(V)0.5V到(V+)+0.5V，单端输入电流10mA；封装信息:三种封装形式的温度范围都为-40+85,考虑到尺寸的大小不适合用双列直插式封装,故采用SO-8封装形式;应用参数：OPA340系列运放采用0.6mmCMOS制造工艺，它们稳定的放大增益参数适合于一系列广泛的应用，轨到轨输入输出端口使其成为采样A/D转换器的前置理想放大器；对于电源驱动引脚，为了提高动态参数和减小电源波动对运放的影响，常需要在电源输入端引入0.01uF的陶瓷电容作为旁路电容。工作电压：OPA340系列运放指定驱动电压在2.7V到5V之间，但是工作电压可以承受2.5V5.5V的电压范围，这种超过电源驱动电压范围而可以正常工作的模式是OPA340系列运放的一个独特的特点；此外，很多规格参数适用于-40 到+85。在整个工作电压范围内，大多数参数基本保持不变，动态性能特别好。2.3测温电路的转换和控制2.3.1单片机的选择和介绍单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而且性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机，甚至比人类的数量还要多。2.3.2单片机的应用领域 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴：1在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等。3在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2.3.3单片机的选择-C8051F005介绍本设计的控制系统不算太大，系统要完成的工作主要是控制ADC转换和实时显示，不需要采用比较高端的芯片进行控制，可以采用通用单片机进行，根据系统性能选择单片机，可根据系统的实时性要求决定使用汇编还是C语言。一般控制系统用单片机控制就足够了，单片机的型号很多，从4位到16位的一大堆，价格也很便宜。经常使用的单片机品种繁多,现拣几种主要的单片机介绍如下:ATMEL公司的AVR单片机，是增强型RISC内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程、再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。AVR单片机采用增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。AVR单片机工作电压为2.7V6.0V,可以实现耗电最优化。AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器、宇航设备等各个领域。Motorola单片机:Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始,开发了广泛的品种，4位、8位、16位、32位的单片机都能生产，其中典型的代表有:8位机M6805、M68HC05系列、8位增强型M68HC11、M68HC12；16位机M68HC16；32位机M683XX。Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。MicroChip单片机:MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，分别仅有33、35、58条指令,采用Harvard双总线结构、运行速度快、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力，价格低、一次性编程、小体积、适用于用量大、档次低、价格敏感的产品。在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高，发展非常迅速。MDT20XX系列单片机:工业级OTP单片机，Micon公司生产，与PIC单片机管脚完全一致，海尔集团的电冰箱控制器，TCL通信产品，长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。Scenix单片机:Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel的PentiumII等一起被评选为1998年世界十大处理器。在技术上有其独到之处：SX系列双时钟设置，指令运行速度可达50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令，XXXMInstructionPerSecond)；具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定，公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能，如多路UART，多路A/D，PWM，SPI,DTMF,FS,LCD驱动等。采用EEPROM/FLASH程序存储器，可以实现在线系统编程。通过计算机RS232C接口，采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。EPSON单片机:EPSON单片机以低电压，低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世，尤其是LCD驱动部分做得很好。广泛用于工业控制，医疗设备，家用电器，仪器仪表，通信设备和手持式消费类产品等领域。目前EPSON已推出四位单片机SMC62系列，SMC63系列，SMC60系列和八位单片机SMC88系列。东芝单片机:东芝单片机门类齐全，4位机在家电领域有很大市场，8位机主要有870系列，90系列，该类单片机允许使用慢模式，采用32k时钟时功耗降至10uA数量级。东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的CPU结构，面向VCD，数字相机，图像处理等市场。8051单片机:8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。本设计需要采用单片机来控制温度的显示，功能不大，所以采用通用型单片机即可，故采用8051系列单片机。作为控制中心和数据桥梁，在控制终端系统设计中，当系统要求整体功耗偏低时，C8051F系列单片机是一个最佳的选择。它们拥有灵活的时钟硬件，使系统能够方便地在高效运作模式与低功耗模式间进行转换，智能的电源管理模式能够在正常工作及待机状态自由切换，从而降低整个系统的能量损耗；当工作频率低于10 kHz时，时钟丢失检测器(MCD)能够引发系统产生复位，确保系统工作的安全可靠。无须担心电池耗尽时会对系统工作有不良的影响，因为在C8051F系列单片机中，片上电源监控器能够确保在电池耗尽后系统自动复位。在该系列大多数功能强大、价格便宜、体积小，自身带有A/D、D/A，为实现小型化和高精度提供了前提条件。对于该系列内采用何种单片，由于实现的功能需要ADC、看门狗、JTAG烧写程序端口、内部数据程序存储器即可。选用C8051F005微控制器，以下是单片机的资料参数：25MIPS8051CPU；32k字节Flash；2304字节RAM；UART,SPI,SMBus/I2C；4个16位定时器；可编程计数器阵列(PGA)；32个I/O口；12位ADC；100ksps；12位DAC；比较器；电压基准；温度传感器；JTAG非侵入式在系统调试；-55+125;TQFP-64封装以下是详细介绍：模拟外设12位ADC ；可编程转换速率最大100MHz；可多达8个外部输入，只使用AIN0作为单端外部模拟温度输入；可编程为单端输入或差分输入，该设计采用单端输入 ；可编程放大器增益：16、8、4、2、1、0.5 ；内置温度传感器（3），；两个12位DAC ；两个模拟比较器 ；电压基准 2.4V；高速8051微控制器内核：流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期；系统时钟频率为25MHz时，速度可以达到25MIPS；21个矢量中断源；存储器：2304字节内部数据RAM；32k字节FLASH存储器，可以在系统编程，扇区大小为512字节；片内JTAG调试和边界扫描：片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器）；支持断点、单步、观察点、堆栈监视器；观察/修改存储器和寄存器；比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能；完全符合IEEE1149.1边界扫描标准；数字外设：4字节（32位）宽的端口I/O；所有口线均耐5V电压；可同时使用的硬件SMBus、SPITM及UART串口；可编程的16位计数器/定时器阵列，有5个捕捉/比较模块；4个通用16位计数器/定时器；专用的看门狗定时器；双向复位 时钟源：内部可编程振荡器：2-16MHz；外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟；可在运行中切换时钟源；适于节电模式时使用；供电电压：2.7V3.6V；用TQFP-64封装；额定工作温度范围：4085;在单片机C8051F005的使用中，用到ADC单端采样输入，程序存储器和数字存储器，片内JTAG调试（用KEIL软件）；外部供压3V；16位计数器定时器；看门狗定时器；单片机电气特性：模拟电源电压和数字电源电压：3V；模拟电源电流（内部REF、ADC、DAC、比较器都工作时）：2mA；模拟与数字电源电压之差：0.5V；在CPU工作时，数字电源电流为12.5mA、0.5mA、10uA（分别当CLK为25MHz、1MHz、32kHz时）；RAM数据保持电压为1.5V；系统时钟频率SYSCLK为25MHz；模拟电压AV+必须大于1V才能使VDD工作；为能使用调试功能，SYSCLK至少应为32kHz；单片机极限参数：通电情况下环境温度55+125；储存温度-65+150；任何引脚相对于DGND的电压：-0.3V+3.3V；/O引脚和/RST相对于DGND的电压-0.3V+5.8V；通过VDD、AV+、DGND和AGND的最大总电流：800 mA；任何端口引脚的最大输出灌电流为100mA；任何其它I/O引脚的最大输出灌电流为25mA；任何端口引脚的最大输出拉电流为100mA ；任何其它I/O引脚的最大输出拉电流为25mA；振荡器：每个MCU都有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，每个驱动电路都能产生系统时钟。MCU在复位后从内部振荡器启动。内部振荡器的启动是瞬间完成的。内部振荡器可以被使能/禁止，其振荡频率可以用内部振荡器控制寄存器（OSCICN）改变。当/RST引脚为低电平时，两个振荡器都被禁止。MCU从内部振荡器或外部振荡器运行，可使用OSCICN寄存器中的CLKSL位在两个振荡器之间随意切换。外部振荡器需要一个外部谐振器、并行方式的晶体、电容或RC网络连接到XTAL1/XTAL2引脚。必须在OSCXCN寄存器中为这些振荡源中的某一个配置振荡器电路。一个外部CMOS时钟也可以通过驱动XTAL1引脚提供系统时钟。XTAL1和XTAL2引脚的耐压值是3.6V（不是5V）。即使在MCU已经切换到内部振荡器时，外部振荡器仍可保持使能状态并运行。2.3.4AD转换器与8051单片机接口电路设计及应用C8051F005的ADC子系统包括一个9通道的可配置模拟多路开关（AMUX），一个可编程增益放大器（PGA）和一个12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX、PGA、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。只有当ADC控制寄存器（ADC0CN）中的ADCEN位被置1时ADC子系统（ADC、跟踪保持器和PGA）才被使能。当ADCEN位为0时，ADC子系统处于低功耗关断方式。如果要给ADC提供偏置，必须将REF0CN寄存器中的偏置使能位（BIASE）置1。 ADC和8051单片机接口电路设计：AMUX中的8个通道用于外部测量，而第九通道在内部被接到片内温度传感器。注意，PGA的增益对温度传感器也起作用。可以将AMUX输入编程为工作在差分或单端方式。这就允许用户对每个通道选择最佳的测量技术，甚至可以在测量过程中改变方式。在系统复位后AMUX的默认方式为单端输入。有两个与AMUX相关的寄存器：通道选择寄存器AMX0SL和配置寄存器AMX0CF。PGA对AMUX输出信号的放大倍数由ADC配置寄存器ADC0CF中的AMPGN2-0确定。PGA增益可以用软件编程为0.5、1、2、4、8或16。复位时的默认增益为1。选择AMUX的默认方式为单端输入00000000；ADC的工作方式：ADC使用VREF来确定它的满度电压，因此在进行一次转换之前必须正确设置这个参考电压。ADC的最高转换速度为100ksps，转换时钟来源于系统时钟。可以通过设置ADC0CF寄存器的ADCSC位将转换时钟的速度降为系统时钟的1/2、1/4、1/8或1/16。这一功能用于根据不同的系统时钟速度调整转换速度。 有4种A/D转换启动方式，由ADC0CN的ADC启动转换方式位的状态决定。转换触发源有： 1 写1到ADC0CN的ADBUSY位； 2 定时器3溢出（即定时的连续转换）； 3 外部ADC转换启动信号的上升沿； 4 定时器2溢出（即定时的连续转换）。 由于改电路设计采用单端AIN0输入，所以AMX0CF寄存器应该设置为0X00000000的初始状态，使AMUX的通道选择寄存器设置为AIN0输入状态。ADC配置寄存器用来设置单端输入还是差分输入，选择单端输入方式位AIN0IC位设置为0.2.3.5单片机内部有用硬件定时器 ：每个MCU内部有4个计数器/定时器：其中三个16位计数器/定时器与标准8051中的计数器/定时器兼容，另一个16位定时器用于ADC、SMBus或作为通用定时器使用。这些计数器/定时器可以用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。定时器0和定时器1几乎完全相同，有四种工作方式。定时器2增加了一些定时器0和定时器1中所没有的功能。定时器3与定时器2类似，但没有捕捉或波特率发生器方式。当工作在定时器方式时，计数数/定时器寄存器在每个时钟滴答加1。时钟滴答为系统时钟除以1或系统时钟除以12，由CKCON中的定时器时钟选择位（T2M-T0M）指定。每滴答为12个时钟的选项提供了与标准8051系列的兼容性。需要更快速定时器的应用可以使用每滴答1个时钟的选项。 当作为计数器使用时，在为T0、T1或T2所选择的引脚上出现负跳变时计数器/定时器寄存器加1。对事件计数的最大频率可达到系统时钟频率的四分之一。输入信号不需要是周期性的，但在一个给定电平上的保持时间至少应为两个完整的系统时钟周期，以保证该电平能够被采样。在方式0时，定时器0和定时器1被作为13位的计数器/定时器使用；方式1的操作与方式0完全一样，所不同的是计数器/定时器使用全部16位；方式2将定时器0和定时器1配置为具有自动重新装入计数初值能力的8位计数器/定时器；在方式3时，定时器0和定时器1的表现不同。定时器0被配置两个独立的8位定时器/计数器，计数值在TL0和TH0中，定时器1在方式3时停止运行。定时器3是一个16位的计数器/定时器，由两个8位的SFR组成：TMR3L（低字节）和TMR3H（高字节）。定时器3的输入为系统时钟（不分频或12分频，由定时器3控制寄存器TMR3CN中的定时器3时钟选择位T3M指定）。定时器3总是被配置为自动重装载方式定时器，重载值保存在TMR3RLL（低字节）和TMR3RLH（高字节）中。定时器3可用于启动ADC数据转换、SMBus定时或作为通用定时器使用。定时器3没有计数器方式端口输入/输出：MCU中有大量的数字资源需要通过数字I/O端口P0、P1、P2和P3才能使用。端口0、1和2中的每个引脚即可定义为对应的端口I/O，又可以分配给一个内部数字资源。设计者对功能分配有完全的控制，只受所选封装的可用引脚数的限制（C8051F0005有4个端口具有对应的引脚。这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。（注意，不管交叉开关的设置如何，端口I/O引脚的状态总是可以被读到相应的端口锁存器。） 交叉开关根据优先权译码将所选择的内部数字资源分配到I/O引脚。寄存器XBR0、XBR1和XBR2用于选择内部数字功能或让I/O引脚默认为端口I/O。每个MCU的交叉开关的功能完全一样，只是P2在F001/06/16中没有对应的引脚，P1和P2在F002/07/17中没有对应的引脚。数字资源如果被分配到没有引脚的端口，则它不能被访问。 所有的端口I/O都耐5V电压。可以用端口配置寄存器（PRT0CF、PRT1CF、PRT2CF、PRT3CF）将端口I/O单元配置为推挽或漏极开路方式。图2.2 端口I/O功能框图通用端口I/O ：每个MCU有4个8位的双向并行端口，这些端口可用作通用I/O。通过相应的特殊功能寄存器（SFR）访问每个端口，而这些SFR既可以按字节寻址又可以按位寻址。电压基准：电压基准电路包含一个1.2V、15ppm/（典型值）的带隙电压基准发生器和一个两倍增益的输出缓冲放大器。VREF上的基准电压可以连到应用系统中的外部器件。 如果需要不同的基准电压，可以在VREF引脚接一个外部基准电压并用软件禁止内部带隙基准和缓冲放大器。外部基准电压必须小于(AV+)-0.3V。基准电压控制寄存器REF0CN提供了使能和禁止带隙基准和缓冲放大器的手段。REF0CN中的BIASE位控制ADC和DAC的偏置电路工作，而REFBE位控制带隙基准和驱动VREF引脚的缓冲放大器。当被禁止时，带隙基准和缓冲放大器消耗的电流小于1A（典型值），缓冲放大器的输出进入高阻状态。如果要使用内部带隙基准作为电压基准发生器，则BIASE和REFBE位必须被置1。如果使用外部基准，REFBE位必须被清0而BIASE位必须被置1。如果既不使用ADC也不使用DAC，则这两位都应被清0以节省功耗。C8051F005内核 （CIP-51 CPU）：MCU系统的CPU是CIP-51。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803X/805X的汇编器和编译器进行软件开发。该系列MCU具有标准8051的所有外设部件，包括4个16位的计数器/定时器、一个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及4字节宽的I/O端口。CIP-51还包含片内调试硬件和与MCU直接接口的模拟和数字子系统，在一个集成电路内提供了完全的数据采集或控制系统解决方案。 特点：CIP-51微控制器内核除了具有标准8051的组织结构和外设以外，另有增加的定制外设和功能，大大增强了它的处理能力。CIP-51具有下列特点：1、与MCS-51指令集完全兼容 2、在时钟频率为25MHz时的峰值执行速度为25MIPS 3、扩展的中断处理系统4、复位输入5、0到25MHz的时钟频率 6、4字节宽的I/O端口7、电源管理方式 8、片内调试电路 9、程序和数据存储器安全性能：CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，并且通常最大系统时钟频率为12 MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，没有执行时间超过8个系统时钟周期的指令。CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时，它的峰值速度达到25MIPS。CIP-51共有111条指令。 温度传感器接在A/D转换器输入多路开关的最后一个输入端。REF0CN中的TEMPE位使能和禁止温度传感器。当被禁止时，温度传感器为缺省的高阻状态，此时对温度传感器的任何A/D测量结果都是无意义的。2.4测温电路的显示SMC1602ALCD液晶显示集成芯片：可显示32个字符，芯片工作电压5V，工作电流2mA，字符尺寸为2.954.35（宽高）mm；接口信号说明：VSS电源地，VDD电源正极，VL液晶显示偏压信号，RS数据命令选择端，R/W读写选择端，E使能信号，D0D7数据输入输出端口，BLA背光源正极，BLK背光源负极；状态字第7位为读写检测位，必须确保STA7为0，才可以对控制器进行读写；RAM地址映射：控制器内部带有808位的RAM（80个字节）；初始化设置：显示模式设置001110002.5系统用到其他的芯片MAX667：整体参数：线性电压变换器，输出电流最大为250mA,无负载的时候，静态电流为20uA,在200mA典型值时，输入输出电压差为150mA；MAX667主要有两种工作模式：5V模式和其他模式。后者在分压电阻的配置下可以输出1.3V到16V连续电压，此外MAX667在高温状态的性能较好；电池供电；在200mA时，最大350mV的输出的电压差；250mA的最大输出电流；正常模式：20uA的静态电流；关闭模式：0.2uA的输出静态电流；低电源探测；固定5V输出电压和可调电压输出模式；3.5V到16.5V输入；极限参数:输入电压:18V；选用MAX667MJA： -55到 +125（也可以采用任意一种该系列产品，因为本设计本来就是为了测量室温而选择芯片）；储存温度范围：-65到+160；产品的极限参数一旦超过就会对产品芯片产生不可预料的后果，或者使其损坏，进而导致整个测温系统瘫痪。引脚描述：1、DD:下拉探测输出，正常情况下为开路空置，当下拉到达时可以供给电流；2、OUT:输出电压端，当SHDN引脚电压高于1.5V时，OUT引脚输出电压为0V，SET引脚可以决定输出电压，只要SET引脚在50mV到1.5V之间；其他情况下OUT引脚输出电压为5V，而且输出端必须引入滤波电容；3、LBI：低电源探测引脚，一个CMOS输入1.255V比较器的输出引脚；4、GND：接地；5、SHDN:关闭输入引脚，正常情况下应该直接接地，也可以高于1.5V ，使得输出引脚OUT、LBO、DD三个引脚不起作用，可以称其为控制引脚，当该引脚起作用时，静态电流与为1uA；6、SET：输出电压设置引脚，CMOS输入，接地时，OUT引脚输出5V电压，当需要其他电压值时，通过接入分压电阻来输出其他电压值；7、LBO:低电源输出引脚，当LBI小于1.22V时正常工作；8、IN：正输入电压端；5V输出工作模式：图2.3所示为固定5V输出模式，SET、SHDN引脚均接地，前者接地而且不用附加分压电阻；图2.4为可调电压输出模式，R1、R2的引入是为了调整输出所要求的电压，考虑到本电路中单片机需要3V的供电电压，所以根据公式（1）: （1） = 1.22V可以知道R1和R2的值，经过计算可以采用R1为31k,R2为50k，从而得到3V的输出电压，供给单片机正常工作。图2.3 固定+5V输出图2.4 可调输出 低电压检测电路简易的电阻选择常常采用公式: （2）来计算电阻的选择低压检测：MAX667包含低压检测电路，如果LBI端口电压低于MAX667的内部参考电压1.22V、LBO下拉电流到GND。电压阈值可以在参考电压以上任意设置，主要是通过在LBI引入分压电阻来进行设置（如图2.4所示）。而且电阻的选取可以由公式： （3）来确定，其中VBATT是说要设置的低压检测的与之电压值，R3、R4是LBI端口的输入分压电阻。即使负载跳变可以预测，输出电容ESR值的上限仍然非常重要。当输出电流变化时，高的电容ESR值产生高振幅输出电压瞬变。在多数例子中，价格便宜的铝电解电容和MAX667搭配工作的特性很好，在整个MAX667的工作温度范围内它有出色的ESR值来确保稳定性。另外一个可以选择的电容滤波是钽系列电容。但是前者系列电容的温度稳定性比较差，所以在选择电容的时候应该考虑实际的需要来进行选择。Battery Drain：MAX667芯片内部采用PNP晶体管作为输出，当输入电压低于所要求的的输出电压时，PNP晶体管完全被打开，电压变换器的作用也将消失。即使有几个uA的负载电流，基极电流可以带到5mA以上。以上介绍为MAX667的芯片简介，但是在使用过程中可以预计到输入改变大于1V和变化快于100uF时，推荐在输入和输出端并联电容进行滤波。所以在电路原理图中加入滤波电容。第3章电路原理图和PCB图的设计在电子温度计的总体模块包括信号传感部分、调理电路部分、单片机控制部分、显示部分四大模块。3.1信号传感部分主要在于选择合适的温度传感器，选择AD590符合要求，AD590是电流输出型温度传感器，该器件的外形与小功率晶体管相似，共有三个引脚：正极、负极、输出。使用时将第三脚接地可以起到屏蔽的作用，至于其特性参数，前面的芯片资料介绍中已经有所介绍，测温范围是-50到155，最大线性误差为0.3，响应时间仅为20us，重复性误差为0.05，壳与管脚的绝缘电阻