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陕西理工大学课程设计 数字温度计设计 石洪坤（陕理工物理与电信工程学院电子信息科学与技术专业XX班，陕西汉中 723001） 指导教师：宋卫星摘要 本项目设计一个采用热敏电阻为敏感元件的温度测量显示系统，温度显示范围为0-100C，显示分辨率为0.1C。通过热敏电阻温度传感器、AD模数转换器、LED显示电路并利用汇编语言编写程序，最终实现温度测量系统。测温电桥的主要部分是热敏电阻。本项目采用以单片机为核心的热敏电阻温度计能很容易的减小误差，并且读数方便，精确度高，更显数字化 。本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数字更精确。而运放电路的作用就是把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，以满足AD转换器对输出信号电平的进行各种转换处理要求。AD转换的作用就是进行模数转换，把模拟信号转换为数字信号，然后把数字信号输入到显示电路中去，由八段数码管显示出测量结果。关键词 热敏电阻；温度传感器；AD数模转换；数码管动态显示Thermistor temperature digital tube displayHong Kun Shi(Grade03,Class1,Majior Electronic Information Science and Technology,Physical and telecommunication engineering Dept, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi)Tutor:Wei-Xing SongAbstract: This project to design a measurement by the temperature of the thermal resistor as sensitive element display system, The temperature range of 0-100 - c , The display resolution of 0.1 c . Through the thermistor temperature sensor，A/d analog-to-digital converter in English，The led display circuit and by using assembly language to write programs in English，Finally realizes the temperature measuring system。The main part is the thermistor temperature measuring bridge。This project based on single chip microcomputer as the core of thermistor thermometer can easily reduce the error，And reading convenience, high precision, more digital。This design adopts the whole bridge measurement circuit，Make the error of the system to produce smaller, The output more accurate Numbers。The role of the op-amp circuit is a weak signal sensor output for a certain ratio of amplification，In order to meet the a/d converter to transform the output signal level requirement in English。A/d conversion is to convert the modulus, the effect of the English language，Convert analog signal to digital signal, And then the digital signal input to the display circuit，By eight digital tube display the measurement results.Keywords: thermistor, temperature sensor, /d analog-to-digital conversion, Dynamic display of digital tube目 录1引言52 AD9772A数模转换芯片简介52.1 AD9772A数模转换芯片结构52.2时钟产生和控制模块52.3内插滤波器63硬件系统各模块电路设计63.1热电阻温度测量电路设计63.2 MSP430单片机计数法测温原理63.3LED数码管显示电路设计73.3.1显示电路驱动系统设计73.3.2 LED数码管原理114软件系统模块的设计124.1程序设计语言的选用124.2 软件程序的设计134.3 显示电路软件的设计155系统的调试与检测166结束语17致谢17参考文献17 1引言随着以知识经济为特征的信息化时代的到来人们对仪器仪表的认识更加深入，温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍，最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度的测量的要求也越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高，因此，温度测量及其测量技术的研究也是一个很重要的课题。 目前温度计按测使用的温度计种类繁多，应用范围也比较广泛，大致可以包括以下几种方法： 1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 2）利用热电效应技术制成的温度检测元件 3）利用热阻效应技术制成的温度计 4）利用热辐射原理制成的高温计 5）利用声学原理进行温度测量 本系统的温度测量采用的就是热阻效应。温度测量模块主要为温度测量电桥，当温度发生变化时，电桥失去平衡，从而在电桥输出端有电压输出，但该电压很小。将输出的微弱电压信号通过OP07放大，将放大后的信号输入AD转换芯片， 进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将测温度显示出来。2 AD9772A数模转换芯片简介2.1 AD9772A数模转换芯片结构图2.1 AD9772A数模转换芯片功能结构图 AD9772A数模转换芯片结构如图2.1所示。2.2时钟产生和控制模块时钟产生和控制模块使用锁相环实现，主要为片内各个功能模块提供时钟和控制信号，环路的参数直接决定了数模转换的性能。时钟产生和控制模块由差分输入，相位检测，环路滤波（外围电路配置），压控振荡器（VCO），分频器和时钟分配模块组成。依据输入数据速率，锁相环路有两种工作模式：当输入数据速率大于6 MSPS时，锁相环路工作，相应的管脚PLLVDDVcc，PLLCOMgnd；当数据速率小于6 MSPS时，为了获得更高的相噪性能，不使用内部的锁相环路，相应的管脚PLLVDDPLLCOMgnd。无“零填充”时，参考时钟是输入数据速率的2倍；有“零填充”时，参考时钟是输入数据速率的4倍。对于QPSK调制来说，当使用内部锁相环时，锁相环路本身可以保证2个AD9772A芯片时钟和数据同步；不使用内部锁相环时，通过复位管脚（RESET），能够实现2个AD9772A芯片时钟和数据同步。时钟产生和控制模块的环路滤波器和压控振荡器模块由PLLVDD管脚统一供电，时钟差分输入、相位检测、分频器和时钟分配模块由CLKVDD管脚统一供电，为了确保最优的环路相位噪声性能，在设计电路时，要保证PLLVDD和CLKVDD来自相同的“干净的”模拟电源。是否使用片内锁相环，可以通过配置PLLVDD管脚实现，当使用内部锁相环路时，PLLLOCK表征环路是否锁定的信号，PLLLOCK电平为高，环路锁定；PLLLOCK电平处于高和低之间时，环路未锁定。当禁止内部锁相环路时，PLLLOCK提供了1倍内部时钟输出。2.3内插滤波器AD9772A内插滤波器是在两个原始抽样点之间插入1个零值，然后通过一个FIR滤波器，插入的零点就可以还原为准确的内插值，提高了时域分辨率。内插后的信号频谱为原始离散序列谱经2倍压缩后得到的谱，但是得到的频谱包含了有效频谱的高频镜像，根据AD9772A的应用环境，合适地选择低频频谱或高频镜像。如果保留高频镜像，输出信号频率提高了2倍，频谱结构没有变化，起到了上变频的作用。AD9772A的FIR滤波器采用43阶对称滤波器实现，阻带可以达到73 dB的衰减。如果系统需要在宽带内获得更高的动态范围，AD9772A必须工作在基带方式下，相应的管脚MOD0gnd，FIR内插滤波器表现为低通特性，输入数据频谱到第一个镜像频谱的距离增加，有利于模拟低通滤波器的设计。基带模式下使用“零填充”，相应的管脚MOD1Vcc，虽然频谱的通带更加平坦，但是无杂散动态范围（SFDR）减小，阻带抑制不够，信噪比（SNR）减小。AD9772A工作在中频模式下时，MOD0Vcc，FIR内插滤波器表现为高通特性，当中频超过输入数据速率，必须使用“零填充”，增加通带的范围。3硬件系统各模块电路设计3.1热电阻温度测量电路设计 测量温度一般采用热敏电阻做传感器，测量的方法有RV和RF转换频率测量法。这两种方法的电路复杂且成本高，电路中很多元器件直接影响测量精度。本项目论述一种RF 转换频率的测量法，用NE555定时器和热图3.1 完整测温电路图敏电阻等器件构成振荡器，由MSP430单片机的捕获功能来捕获多谐振荡器输出信号的高低电平并计数，热敏电阻Rt 与捕获高低电平时的计数值的差值成正比关系： RR=P/I 3.2 MSP430单片机计数法测温原理以NE555定时器为核心组成典型的多谐振荡器，把被测热敏电阻Rt 作为定时元件之一接入电路中，NE555定时器输出引脚接MSP430单片机的P1.2脚（定时器A在UP模式、CONTINUE 模式、UP/DOWN模式下，不利用中断程序即可在 P1.2 管脚上输出所设定值的频率）（Timer_A：捕获、CCIlA输入引脚）。系统电路如图3.1所示。由上述测量原理可知，误差主要来源为：R1、R2精度，单片机的定时器和电容器的精度以及稳定度。这里选用高精度（士O001）、温度系数小于土O310-6的精密金属箔电阻器。因此当选用高精度、高稳定度的电容器，且单片机的工作频率足够高，就可以得到较好的测温精度。与此同时知被测电阻的阻值越大，测量误差越小。3.3LED数码管显示电路设计3.3.1显示电路驱动系统设计MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。MAX7219同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。 整个设备包含一个150A的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。它的操作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。管脚功能：1：DIN 串行数据输入端口。在时钟上升沿时数据被载入内部的16位寄存器。2，3，5-8，10,11 DIG 0DIG7：八个数据驱动线路置显示器共阴极为低电平。4、9：GND 地线 （4脚和9脚必须同时接地）12：LOAD 载入数据。连续数据的后16位在LOAD端的上升沿时被锁定。13：CLK 时钟序列输入端。最高频率为 10MHz.在时钟的上升沿，数据移入内部移位寄存器在下降沿时，数据从DOUT端输出。14-17,20-23：SEG ASEG G 7段和小数点驱动，为显示器提供电流。18：ISET： 通过一个10k电阻和Vcc相连，设置段电流19：V+ 正极电压输入，+5V24：DOUT 串行数据输出端口，从DIN输入的数据在16.5个时钟周期后在此端有效。 规格：数位数量：8；片段数量: 7；封装/箱体: PDIP-24；工作电源电压: 4V5.5 V最大电源电流: 330mA；最大功率耗散: 1066mW；高电平输出电流: 65mA。表3.2 MAX7219内部的寄存器MAX7219寄存器： MAX7219内部的寄存器如表3.2所示，主要有：译码控制寄存器、亮度控制寄存器、扫描界限寄存器、关断模式寄存器、测试控制寄存器。（）译码控制寄存器（X9H）MAX7219有两种译码方式：如表3.3所示；B译码方式和不译码方式。当选择不译码时，8个数据为分别一一对应7个段和小数点位；B译码方式是BCD译码，直接送数据就可以显示。实际应用中可以按位设置选择B译码或是不译码方式。 表3.3 MAX7219的译码控制寄存器（）扫描界限寄存器（XBH）此寄存器用于设置显示的LED的个数（1-8），比如当设置为0xX4时，LED 0-5显示。 （）亮度控制寄存器（XAH）共有16级可选择，用于设置LED的显示亮度，从0xX00xXF（）关断模式寄存器（XCH）共有两种模式选择，一是关断状态，（最低位 D0=0）一是正常工作状态（D0=1）。（）显示测试寄存器（XFH）用于设置LED是测试状态还是正常工作状态，当测试状态时（最低位 D0=1）各位显示全亮，正常工作状态(D0=0)。读写时序说明MAX7129是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与MAX7129通信，首先要先了解MAX7129的控制字。工作时,MAX7219规定一次接收16位数据，在接收的16位数据中：D15D12可以与操作无关，可以任意写入，D11D8决定所选通的内部寄存器地址，D7D0为待显示数据或是初始化控制字。在CLK脉冲作用下，DIN的数据以串行方式依次移入内部16位寄存器，然后在一个LOAD上升沿作用下，锁存到内部的寄存器中。注意在接收时，先接收最高位D16，最后是D0，因此，在程序发送时必须先送高位数据，在循环移位。工作时序图见图3.4。图3.4 数据读写时序3.3.2 LED数码管原理LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。0.5英尺LED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应ag笔段构成“日”字形另一只发光二极管dp作为小数点。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极和共阳极两大类，如上图。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平,ag、dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不发光,控制这几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。LED数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5英寸和0.8英寸；按显示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.52V额定电流为10mA，最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大，加大脉冲电位。LED静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位转换器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O口来驱动，增加了硬体电路的复杂性。LED数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出波形。没有选通的数码管就不会亮，透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显4软件系统模块的设计4.1程序设计语言的选用本设计中可采用面向MCS-51的程序设计语言，包括ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有特点。汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问I/O端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而数学运算程序则适合用C51高级语言编写，因为用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。考虑到设计中要用到乘除运算，在智能测控装置的基本功能软件开发中，全部程序均采用C51高级语言编写。C51语言运行于单片机平台，而C语言则运行于普通的桌面平台。C51语言具有C语言结构清晰的优点，便于学习，同时具有汇编语言的硬件操作能力。对于C51语言是由C语言继承而来的。和C语言不同的是，C51语言运行于单片机C51实验板单片机C51实验板单片机平台，而C语言则运行于普通的桌面平台。C51语言具有C语言结构清晰的优点，便于学习，同时具有汇编语言的硬件操作能力。对于具有C语言编程基础的读者，能够轻松地掌握单片机C51语言的程序设计。C51语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。对于一个较大的程序，可将整个程序按功能分成若干个模块，不同的模块完成不同的功能。对于不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，而经常使用的一些程序最好编成函数，这样既不会引起整个程序管理的混乱，还可增强可读性，移植性也好。在程序设计过程中，要充分利用C51语言的预处理命令。对于一些常用的常数，如TRUE，FALSE，PI以各种特殊功能寄存器，或程序中一些重要的依据外界条件可变的常量，可采用宏定义#define或集中起来放在一个头文件中进行定义，再采用文件包含命令#include将其加入到程序中去。这样当需要修改某个参量时只须修改相应的包含文件或宏定义。4.2 软件程序的设计软件程序流程图如下:开始P1.0=0, P1.1=0 ,P1.1=0使电容C4放电延时1sP1.0=1 ,P1.1=1,P1.2=0通过标准电阻对C4充电P3.2=0 ?记下充电时间TSCP1.0=0 P1.1=0 P1.1=0使电容C4放电延时1sP1.0=1,P1.1=0,P1.2=1通过热敏电阻对C4充电P3.2= 0 ?记下充电时间TECRTTECR4TSC线性插值，求出相应温度结束YN NNN YN图序 图题？4.3 显示电路软件的设计/管脚定义sbit LOAD=P01; /MAX7219片选 12sbit DIN=P00; /MAX7219串行数据 1脚sbit CLK=P02; /MAX7219串行时钟 13脚/寄存器宏定义#define DECODE_MODE 0x09 /译码控制寄存器#define INTENSITY 0x0A /亮度控制寄存器#define SCAN_LIMIT 0x0B /扫描界限寄存器#define SHUT_DOWN 0x0C /关断模式寄存器#define DISPLAY_TEST 0x0F /测试控制寄存器 /函数声明void Write7219(unsigned char address,unsigned char dat);void Initial(void);/地址、数据发送子程序void Write7219(unsigned char address,unsigned char dat) unsigned char i; LOAD=0; /拉低片选线，选中器件 /发送地址 for (i=0;i8;i+) /移位循环8次 CLK=0; /清零时钟总线 DIN=(bit)(address&0x80); /每次取高字节 address=1; /左移一位 CLK=1; /时钟上升沿，发送地址 /发送数据 for (i=0;i8;i+) CLK=0; DIN=(bit)(dat&0x80); dat=1; CLK=1; /时钟上升沿，发送数据 LOAD=1; /发送结束，上升沿锁存数据 /MAX7219初始化，设置MAX7219内部的控制寄存器void Initial(void) Write7219(SHUT_DOWN,0x01); /开启正常工作模式（0xX1） Write7219(DISPLAY_TEST,0x00); /选择工作模式（0xX0） Write7219(DECODE_MODE,0xff); /选用全译码模式 Write7219(SCAN_LIMIT,0x07); /8只LED全用 Write7219(INTENSITY,0x04); /设置初始亮度 /显示程序void DISPLAY() int b,c,d; Initial(); /MAX7219初始化 b=(int)(TEM/100); c=(int)(TEM-b*100)/10); d=(int)(TEM-b*100-c*10); Write7219 (6,b); Write7219 (7,c); Write7219 (8,d); delay(1000); 5系统的调试与检测测试仪器：温度计、万用电表、reil软件。仿真图如图5.1所示 图5.1仿真图 测试方法； (1)系统上电后，显示当前温度值。按“rest”键复位，扫描键盘，当有“+”键按下时，显示预设定的最大温度值，再按“+”键进行最大值自设定；再按下“+”键，显示预设定的最小温度值，再按下“+、-”键进行最大值自设定；依次按下“+”，显示最大值；再按下“+”键，显示预设定的回显温度值，再按下“+、-”进行回显值自设定； (2)通过LED温度显示与温度计相比，测试的系统温度的准确性。 测试结果及分析如表5.2所示。表5.2 系统测试结果表温度值AD值斜率k温度值AD值斜率k0011.511110844614121188558613126678651413259987151376101038161437通过对系统的测试获取电阻根据温度而改变导致电路中AD采样值得变化，根据变化带的温度和AD值求得斜率，从而对任意时刻的温度进行线性转化。但是测试存在的误差较大，使最终LED的