高精度温度检测装置设计正文(模板)

西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 高精度温度检测装置高精度温度检测装置 摘摘 要要 为了实现 xxxx 采用 提出了一个智能温度检测装置的设计方案 该检测 装置通过集成温度传感器温度的变化对应电流的变化 再将电流的变化转换为电压 的变化 该电压信号经放大后通过 A D 转换器后将模拟信号转化为数字信号 最后 将数字信号送入 AT89C51 单片机 经过软件的控制 在 LED 上显示输出相应的温 度值 温度检测范围是 XXX 精度是 XXX 并提供了与 PC 机的串行通信接口 上 位机采用 VB 编程实现了时刻温度检值的监测记录 关键词 关键词 集成温度传感器 温度检测 A D AT89C51 LED Abstract The change of the temperature in AD590 is the current change in this design then convert the change of the current into voltage s the signal is amplified then the anology was transformed into digital signal Digital signal is transmitted into 89C51 and the results of temperature is displayed in the LED by the control of the software The system has such advantages as novel circuit design high measurement accuracy and good practicality Keywords IC Temperature Sensor Temperature Measurement A D AT89C51 LED 注意 本页行间距20磅 中文宋体 小四 英文字体为Times New Roman 小四 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 页 目录目录 1 前言前言 1 2 2 整体方案设计 换页 之前空一行 空行为小四 整体方案设计 换页 之前空一行 空行为小四 2 2 1 方案论证 2 2 2 方案比较 3 3 单元模块设计 换页 之前空一行 空行为小四 单元模块设计 换页 之前空一行 空行为小四 4 3 1 集成温度传感器及放大模块 4 3 1 1 AD590 介绍 4 3 1 2 AD590 介绍 5 3 2 MC14433 的工作原理 6 3 3 单片机模块 9 4 4 软件设计 换页 之前空一行 空行为小四 软件设计 换页 之前空一行 空行为小四 10 5 5 系统技术指标及精度和误差分析 换页 之前空一行 空行为小四 系统技术指标及精度和误差分析 换页 之前空一行 空行为小四 11 6 6 结论 换页 之前空一行 空行为小四 结论 换页 之前空一行 空行为小四 12 7 7 设计小结 换页 之前空一行 空行为小四 设计小结 换页 之前空一行 空行为小四 13 8 8 参考文献 换页 之前空一行 空行为小四 参考文献 换页 之前空一行 空行为小四 14 附录附录 1 1 电路总图 换页 之前空一行 空行为小四 电路总图 换页 之前空一行 空行为小四 15 附录附录 2 2 软件代码 换页 之前空一行 空行为小四 软件代码 换页 之前空一行 空行为小四 16 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 0 页 空一行 空行为小四 1 前言前言 温度是表征物体冷热程度的物理量 温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性 来间接测量的 不少材料 元件的特性都随温度的变化而变化 所以能作温度传感器的材料 相当多 进入 21 世纪后 智能温度传感器正朝着高精度 多功能 总线标准化 高可 靠性及安全性 开发虚拟传感器和网络传感器 研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展 温度测试仪在工业 农业等方面发挥着至关重要的作用 比如农业上的温室大棚 育 种 本文针对 XXX 在讨论 XXX 的设计方案的基础上 拟设计一个 XXXX 系统 包括各模块 硬件电路设计和软件设计 特别注意 只要不是本章最后一页 不允许留空白 若遇到图形放不下的情况 可以通 过调整文字填满前页 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 1 页 空一行 空行为小四 2 2 整体方案设计整体方案设计 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 Xxx 的整体思路是 利用流过集成温度传感器电流随温度线性变化的关系 将电流的 变化转换为电压的变化 即 0 时输出电压为 0V 显示在数码管上的数字为 000 0 当 100 时输出电压为 100mV 通过 AD 转换器输出显示在数码管上的数字为 100 0 即温度在 0 100 时电压的变化就对应于温度的变化 数码管上输出的数字就是对应于所测量的实 际温度 2 12 1 方案论证方案论证 针对 XXX 可以采用两个方案 具体的方案见方案一和方案二 方案一 XXXX 方案 采用铂电阻温度传感器的电阻与温度的关系是非线性的 用电桥实现温度升高引起的 电阻变化对应于电压的变化 经 A D 转换器后 送入锁存器锁存 在经译码器输出后 再 在数码管上显示 由于 74LS373 具有锁存功能就能实现四位的温度显示 由于铂电阻与温 度的关系是非线性的 因此输出的结果不能达到我们所要求的精度 电桥测温电路放大电路A D 转换电路 锁存器 74LS373译码器 7448LED 数码显示 图 2 1 测温整体方案一框图 方案二 XXXX 方案 见图 2 2 利用集成温度传感器的电流与温度的变化为线性的 我们将电流转换为电压的 变化 通过放大电路输出送入 A D 转换器 A D 转换器输出后进入单片机系统 通过软件的 控制 将电压对应于温度的数值通过查表的方式得出结果 在 LED 上显示出来 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 2 页 集成温度传感器放大电路A D 转换电路 单片机模块LED 显示模块 图 2 2 测温整体方案二框图 2 22 2 方案比较方案比较 由于方案一涉及的电路相对较多 消耗的功率相对较大 而且单片机采集数据更加方便 便于处理 而且单片机已经成为主流产品 单片机在电路上相对比较简单 而且消耗的功率 相对较少 调试也较方便 因此设计采用了方案二 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 3 页 空一行 空行为小四 3 单元模块设计单元模块设计 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 集成温度传感器实际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 两级标题之间需要有文字说明 3 13 1 集成温度传感器及放大模块集成温度传感器及放大模块 集成温度传感器实际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 I 的关系实现对温度的检测 I 1 q KIT Vbe 式中 K 波尔兹常数 q 电子电荷绝对值 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 泛的运用 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 电压输出的灵敏度一 般位 10MV K 温度为 0 时输出为 0V 目前 测温元件比较多 如热电偶 热敏电阻 PN 结温度传感器和石英晶体温度传感器等 AD590 是一种新型的两端式恒流器件 3 1 13 1 1 AD590AD590 介绍介绍 AD590 是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器 它兼有集成恒流源和 温度传感器的特点 具有测量温度误差小 动态阻抗高 响应速度快 传输距离远 体积小 微功耗等优点 适合远距离测温 控温 不需要线性校准的特点 1 流过器件的电流 A 等于器件所处环境的热力学温度 开尔文 度数 即 A K 2 1 T Ir 式中 流过器件 AD590 的电流 单位为 A T 热力学温度 单位为 K 2 AD590 的测温范围为 55 150 3 AD590 的电源电压范围为 4V 30V 电源电压可在 4V 6V 范围变化 电流 变 化 1 A 相当于温度变化 1K AD590 可以承受 44V 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 710M 5 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 其性能特点 AD590 属于采用激光修正的精密集成温度传感器 其内部电路见图 3 1 所 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 4 页 示 3 1 23 1 2 AD590AD590 介绍介绍 AD590 是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器 它兼有集成恒流源和 温度传感器的特点 具有测量温度误差小 动态阻抗高 响应速度快 传输距离远 体积小 微功耗等优点 适合远距离测温 控温 不需要线性校准的特点 1 流过 芯片中的 R1 和 R2 是采用激光 修正的校准电阻 它能使 25 下的输出电流恰好微 298 2uA 首先有晶体管 VT8 和 VT11 产生与热力学温度成正比的电压信号 在通过 R5 R6 把电压信号转换微电流信号 为保证有良好的温度特性 R5 R6 的电阻温度系数应非常小 这里采用激光修正的 SiCr 薄模电阻 其电阻温度系数低 VT10 的集电极电流能够跟随 VT9 和 VT11 的集电极电流的变化 使总电流达到额定值 R5 和 R6 也需要在 25 的标准温度下 校准 AD590 等效于一个高阻抗的恒流源 其输出阻抗 10M 能大大减小因电源电压波动而 产生的测量误差 例如 当电源电压从 5V 变化到 10V 时 所引起的电流最大变化量仅为 1uA 等价于 1 的测温误差 AD590 的工作电压为 4 30V 测温范围是 55 150 对应于热力学温度 T 每变化 1K 输出电流就变化 1uA 其输出电流 Io uA 与热力学温度 T K 严格成正比 电流温度 系数 K1 的表达式为 K1 8 3 qR K T I30 图 3 1 XXX 因此 输出电流的微安数就代表着被测量温度的热力学温度值 AD590 的电流 温 度 I T 特性曲线见图四所示 热力学温标 K 与摄氏温标 的换算关系如下图 3 2 所示 外部存储器 电路 JTAG 接口 GPIO 接口 CAN 总线接口 电源电路 RS232 串口 RTL8019AS 以 太网接口电路 LPC2290 ARM7TDMI S I2C 总线 矩阵键盘电路 彩色液晶屏 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 5 页 T T K 273 15 5 A D 转换器 MC14433 的输入信号从第三脚输入 输入的是模拟信号 经过 A D 转换后 从 Q0 Q1 Q2 Q3 口输出为 BCD 码的形式 DS1 DS2 DS3 DS4 为选通信号端 决定哪一位输出 信号 将输出的信号送入锁存器的输入端口 将选通信号送到锁存器的使能端 来实现数据 的锁存 译码后 在数码管上显示 3 23 2 MC14433MC14433 的工作原理的工作原理 MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 1 2 位 A D 转换器 其中集成了双积分式 A D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电路 具有外接元件少 输入阻抗高 功耗低 电源电压范围宽 精度高等特点 并且具有自动校零和自动极性转换功能 只要外接少量的 阻 容件即可构成一个完整的 A D 转换器 当测量温度传感器的输出电压为 0 伏时 其对应的 温度是 0 当测量温度传感器的输出电压为 1 000 伏时 其对应的温度为 100 在线性 范围内传感器变化 1 时 电压的变化为 10 mv 测量的电压即可得到测量温度 必须对输 出电压 A D 转换为 BCD 码的形式经过译码显示电路 再由数码管显示相应的温度值 MC14433 的芯片图如图 3 5 和图 3 6 所示 其主要功能特性如下 1 精度 读数的 0 05 1 字 1 模拟电压输入量程 1 999V 和 199 9mV 两档 2 转换速率 2 25 次 s 3 输入阻抗 大于 1000M 4 电源电压 4 8V 8V 5 功耗 8mW 5V 电源电压时 典型值 6 采用字位动态扫描 BCD 码输出方式 即千 百 十 个位 BCD 码分时在 Q0 Q3 轮流输出 同时在 DS1 DS4 端输出同步字位选通脉冲 很方便实现 LED 的动态显示 7 MC14433 最主要的用途是数字电压表 数字温度计等各类数字化仪表及计算机 数据采集系统的 A D 转换接口 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 6 页 上位机 键盘 温度测试电 路显示电路 LCD 报警电路 AT89C51 单片机 湿度测试电 路 图 3 6 XXXX 图 若需要较高的时钟频率稳定度 则需采用外接石英晶体或 LC 电路 见图 3 7 和图 3 8 分器 积分器的输出波形如下所示 A2 接成比较器 主要的功能是完成 0 电平捡出 比较器 输出作为内部数字监控电路的一个判别信号 由于三个运放在工作时不可避免的存在失调电压 因此在转换过程中 还得进行自动调零 在调零操作过程中 还得进行自动调零的工作 在调零的过程时 跟随器和积分器的失调电压存 放在补偿电容 C0 上 而比较器的失调电压用数字心事存放在内部的寄存器中 在转换时 积 分输入电压要经 C0 耦合 由此实现自动调零工作 一次 A D 转换过程从开始道结束共分为六个阶段 上图中阶段一和阶段三为模拟调零 的过程 在这两个阶段中 把跟随器与积分器的输入失调电压存放在电容 C0 上 这两个阶 段 分别占用 4000 个脉冲周期 阶段二与阶段五为数字调零的过程 在阶段二中 把比较 器的失调电压以数字的形式存放在那比锁存器中 在阶段五 则把该数字扣除 因此这两个 阶段锁占用的脉冲周期相等 具体时间由比较器的失调电压决定 但最多不超过 800 个时钟 脉冲周期 阶段四与阶段六分别为输入电压 V 和基准电压 Vref 进行积分 并在阶段六结束 时得到 A D 转换结果 这两个阶段也分别占用 4000 个脉冲周期 由上面的分析可以知道 一次 A D 转换周期约需 16400 个时钟脉冲周期 当时钟脉冲 频率为 66KHz 时 每秒可进行四次 A D 转换 上面的逻辑框图中 除了模拟部分外 还包括 1 三位半十进制计数器 用来技术 0 19999 2 锁存器 存放 A D 转换结果 3 多路开关 输出多路调制的 BCD 码 Q0 Q3 并输出多路调制选通脉冲信号 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 7 页 DS1 DS4 下图显示出转换周期结束标志输出信号 EOC 和 DS 信号的时序波形 其时序见图 3 10 EOC 在每一次 A D 转换周期结束时输出一正脉冲 正脉冲宽度为时钟周期的二分之一 DS 信号为高电平有效选通 在对应 DS2 DS3 DS4 选通期间 Q0 Q3 输出 BCD 全位数据 即以 8421 码方式输出十进制数的 0 9 其中 DS4 对应个位 DS3 对应百位 DS2 对应十位 DS1 对应千位 在 DS1 选通期间 Q0 Q3 输出千位的 0 或 1 及过量程 欠量程和极性标志信 号 EOC DS1 DS2 DS3 DS4 个个个个个 1 2CLK个个 16400个个个个个 18个个个个个 2个个个个个 个个个个个 图 3 10 A D 转换器时序模块图 输出形式如表 3 1 所示 表 4 2 CAN 模块的存储器映射 地址范围用途 E003 8000 87FF验收过滤器 RAM 2048 字节 E003 C000 C017验收过滤器寄存器 E004 0000 000B中央 CAN 寄存器 E004 4000 405FCAN 控制器 1 寄存器 E004 8000 805FCAN 控制器 2 寄存器 1 Q2 表示电压极性 Q2 1 为正极性 反之为负极性 2 Q0 1 表示超量程 Q3 1 时 说明 Vx 超出量程范围 当和 Q3 一起使 用时 就可以指示出过量程或欠量程 过量程时 转换结果大于 1999 则 Q3 0Q0 1 欠量程时 转换结果小于 180 则 Q3 1 Q0 1 这些标志信息可用于自动 量程切换电路 3 逻辑控制 产生 A D 转换六个阶段的节拍 并控制转换结果的输出 若在 双积分放电周期开始前 DU 端输出一正脉冲 则本次转换周期的转换结果可送入锁存器 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 8 页 输出 否则锁存器保持原来的转换结果 若 DU 端和 EOC 端相连 每次转换结果都可以 输出 4 时钟 外接一电阻 Rc 可产生时钟脉冲信号 并经过 CP0 端输出 当 Rc 470 千欧时 Fcp 66KHz 若使用外部时钟信号时 信号从 CPt 端输入 该输入端 的电压基准为 Vee 5 溢出 当输入电压 Vx 大于转换结果 1999 时 溢出标志输出信号 OR 为 0 平时 OR 为 1 3 33 3 单片机模块单片机模块 A D 转换器输出的为四位 BCD 码 Q0 Q3 和 DS1 DS4 都不是总线式的 因此 单片 机只能通过并行 I O 接口或扩展 I O 口与其相接 还可以通过单片机的 P1 口直接与其连接 如下图所示 MC1403 为 A D 转换器提供基准电压 DU 端与 EOC 端相连 以选择连续转换方式 每次转换结果都送至输出寄存器 EOC 是 A D 转换结束的输出标志信号 89C51 读取 A D 转换结果可以采用中断方式或查询方式 采用中断方式 EOC 端与 89C51 外部输入端 或相连 采用查询方式是 EOC 端可直接接入 89C51 的任一 I O 口线 INTO1INT 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 9 页 空一行 空行为小四 4 4 软件设计软件设计 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 1 主程序设计 当 A D 转换器输出的数据送入单片机内部后 单片机就采集数据 将 数据采集到内部存储器的存储单元存储 将输入的 BCD 码转换为七段码显示 再调用查表 子程序送入到 LED 上显示 2 单片机从 A D 转换器读取数据的程序设计 MC14433 的 DU 端和 EOC 端相连后与 单片机的 INT1 端连接 采用连续准还的方式 将每次转换结果都送入输出寄存器 EOC 是 转换结束的输出标志信号 单片机采用中断的方式来读取数据 初始化程序开放 CPU 中断 允许外部 1 中断 置外部中断 1 位边沿触发方式 每次 A D 转换结束 都向 CPU 请求中断 PU 相应中断 执行中断服务程序 读取 A D 转换的结果 3 码的变换程序 单片机读入数据之后 将数据保存在 52H 到 55H 的单元内 由于 读入的数据也即是我们需要显示的数据 因此我们将读入的 BCD 码转变成七段显示码 4 显示程序 将从转换后的十进制数根据选通信号送入相应的 LED 上显示 置选通 信号在 P2 0 P2 3 四个口上 当 P2 0 置 1 时 就选通千位 读取 5FH 单元的数据后将结果 显示出来 当 P2 1 置 1 时 就选通百位 读取 5EH 单元的数据后将结果显示出来 当 P2 2 置 1 时 就选通十位 读取 5DH 单元的数据后将结果显示出来 当 P2 3 置 1 时 就选通个位 读取 5CH 单元的数据后将结果显示出来 这样来实现 LED 的显示 图图 3 123 12 程序整体设计框图程序整体设计框图 调用查表子程序 调用处理子程序 调用显示子程序 程序开始 系统初始化 查询 A D CPU 执行中断 结束 Y N 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 10 页 空一行 空行为小四 5 5 系统技术指标及精度和误差分析系统技术指标及精度和误差分析 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 随着各种高精度传感器的应用与普及 这一技术在科学研究 生产过程等领域中发挥着 越来越重要的作用 人类步入信息社会的今天 人们对信息的提取 处理 传输以及综合利 用等要求愈加 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 11 页 空一行 空行为小四 6 6 结论结论 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 本文实现了 XXXX 达到了 XXXX 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 12 页 空一行 空行为小四 7 7 设计小结设计小结 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 随着各种高精度传感器的应用与普及 这一技术在科学研究 生产过程等领域中发挥 着越来越重要的作用 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 13 页 空一行 空行为小四 8 8 参考文献参考文献 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 1 万福君 潘松峰 单片微机原理系统设计与应用 第二版 M 合肥 中国科学技术大学出版社 2001 2 胡汉才 单片机原理及其接口技术 M 北京 清华大学出版社 2004 3 蔡美琴 张为民 MCS 51 系列单片机系统及其应用 第二版 M 北京 高等教育出版社 2004 4 杨振江 杜铁军 流行单片机实用子程序及应用实例 M 西安电子科技大学出版社 2002 5 张培仁 基于 C 语言编程 MCS 51 单片机原理与应用 M 北京 清华大学出版社 2003 6 李群林 基于多路传感器的温湿度检测系统 J 中国仪器仪表 2006 11 38 40 7 孙环 基于 SHT11 单片集成传感器温湿度检测模块设计 J 国外电子测量技术 2006 6 43 48 8 沙占友 集成化智能传感器原理与应用 M 北京 电子工业出版社 2004 119 127 9 孟臣 李敏 李爱传 I2C 总线数字式温湿度传感器 SHT11 及其在单片机系统的应用 J 国外电子元 器件 2004 3 50 54 10 刘迎春 叶湘滨 现代新型传感器原理与应用 M 北京 国防工业出版社 1998 11 何希才 传感器及其应用电路 M 北京 电子工业出版社 2001 12 沙占友 智能化集成温度传感器原理与应用 M 北京 机械工业出版社 2002 13 赵继文 传感器与应用电路设计 M 北京 科学出版社 2002 14 丁镇生 传感器及传感技术应用 M 北京 电子工业出版社 1998 15 张洪润 刘秀英 张亚凡等 单片机应用设计 200 例 M 北京 航空航天大学出版社 2006 16 Nordic VLSI ASA nRF24E1 and nRF24E2 RF layouts P Application Note ordercode 200503 nAN24 0 2003 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 14 页 空一行 空行为小四 附录附录 1 1 电路总图 电路总图 换页 之前空一行 空行为小四 换页 之前空一行 空行为小四 Title NumberRevisionSize B Date 13 Mar 2006Sheet of File C Documents and Settings Administrator 个个 个个 DDBDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 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 U