基于AD590温度控制系统的设计定稿

山西农业大学工程技术学院毕业设计说明书基于AD590温度控制系统的设计1 前言温度测量涉及各行各业,而传统的温度测量仪器有酒精温度计、煤油温度计、水银温度计等,都需人工手动测量。在科学技术发展的今天很多场合(有毒、高温、无人等) ,用传统的温度测量技术就显得比较麻烦。单片机的出现,电子技术的飞速发展,使温度计的自动化、数字化就变得容易实现。 依照中华人民共和国国家标准(GB/T7665-1987传感器通用术语)的规定，传感器(transducer/sensor)的定义为:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”，通常由敏感元件(sensing element)和转换元件(transduction element)组成。其中敏感元件“指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分”，此处的被测量一般为非电量;转换元件是“指传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分1”。敏感元件转换元件接口电路辅助电源被测（非电物理）量电信号图1 传感器原理图1.1 本课题研究的内容 温度是一个与人类的生活、工作息息相关的物理量，也是现代科学技术中最重要的物理量。常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶、PN结温度传感器、集成温度传感器、热电阻等2。 (1)热敏电阻:利用半导体的电阻随温度变化而显著变化的特性制成的半导体测温元件。目前使用的多为陶瓷热敏电阻。它的优点是:灵敏度高，工作温度范围宽，稳定性好，过载能力强，体积小。但它的不足之处在于非线性和互换性差。(2)热电偶:是利用物理学中的金属热电效应制成的温度传感器。结构简单，互换性好，是500-800温区的首选温度传感器。(3) PN结温度传感器:实质是一种半导体集成电路，利用晶体二极管、三极管的PN结电压随温度变化而变化的原理制成。线性度好，热惯性小，灵敏度高，但互换性差。(4)集成温度传感器:是把湿敏元件，放大电路、偏置电路及线形化电路集成在同一芯片上的温度传感器。相对其它传感器有较好的线性度和一致性，且体积小，使用方便。本系统主要由信号采集数据处理和显示、恒温控制组成。信号采集部分采用传感器将待测的物理信号转换为电信号并经一些模拟电路变为单片机可以接收的信号进行处理。具体工作过程为：先由温度传感器测得被测温度，该测量经过前端处理电路（包括集成运放和A/D），经放大器放大后送A/D转换器，由A/D转换器将此信号转换成为单片机所能识别的二进制信号再经P接口输入单片机。单片机每从感温传感器上采集一次信息，就将此信息暂时储存起来，然后再把所采集到的信号与补偿信号比较处理后得出实际的温度值并由驱动器处理，由LED显示输出结果，显示输出采用静态的LED显示方式。恒温控制提前预设温度值如50，低于50时，单片机发出指令开始启动电炉丝进行加热，直到相等停止加热。本试验的研究的目的在于设计出能实现水温调节自动化、智能化又大大降低成本的控制器。1.2 国内外关于温度传感器发展的方向56温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，其智能化取决于软件的开发水平。温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：1传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。传统的分立式温度传感器热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量，特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。2模拟集成温度传感器/控制器。模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此又称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。3智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。传感器技术已经从传统的物性型向功能技术复合型、微型化、多功能、数字化、智能化、系统化、网络化发展，应用领域也从90年代的高技术和军事领域迅速转移到传统基础工业改造、大型工程系统配套、汽车电子化配套、家电控制系统、医疗卫生、健康保健、环保监测治理等国民经济的各个领域，引起了各国政府的高度重视，特别是西方发达国家将传感器技术视为涉及科技进步、经济发展和国家安全的关键技术。据报道说传感器市场需求的产品结构将向着增加投资类产品的比例发展，其中设施农业、环保、医疗卫生以及仪器检测用传感器将有更广阔的新市场，然而传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目目前，我国部分敏感元件与传感器产品已经具有了一定的国际竞争力，如何让传感器产业的发展在传统产业的改造升级中发挥重要作用，政府部门和业界都应重视这一问题。传感器行业要实现跨越式发展，必须树立创新意识，大力加强新型传感器的开发，紧密结合我国国情和市场发展需求，努力开发新技术含量高、拥有自主知识产权的新型传感器，提高产品的性能价格比，加快科研成果的转化，加快新型传感器的产业化，迅速提高国产传感器的市场占有率，以更快的速度缩小与发达国家的差距。以MEMS技术为核心，发展新型传感器及微系统，以MEMS产品替代传统传感器产品，是推动传感器产业化发展的一条重要途径。改革开放20多年来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步，目前国内传感器面临着新的形势，未来10-20年传感器市场的发展会呈现稳中增长的趋势。这将是我国新型传感器技术得到全面、协调、持续发展的战略机遇期，也是我国传感器产业必须紧紧抓住，并且可以大有作为的重要发展期。2 集成温度传感器AD590的基本原理测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器。测温传感器的选择及合理使用是本系统的关键。本设计采用集成温度传感器AD590。2.1 AD590的功能及特性AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下7：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA /K (1)式中：Ir流过器件（AD590）的电流，单位为mA； 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4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，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710MW。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。 6. AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图1所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图2所示【3】。 2.2 AD590的工作原理在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mVK的电压信号。其基本电路如图3所示3 。 图3是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为UBE。因此，电流I1为： I1UBER（KTq）（lnn）R对于AD590，n8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1AK的I值。 图4所示是AD590的内部电路，图中的T1T4相当于图3中的T1、T2，而T9，T11相当于图3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的13。T9和T11的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出： UBE（R62 R5）I3 ，R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的23。 根据上式不难看出，要想改变UBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使UBE减小，不过，改变R5对UBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250之下使总电流I达到1AK。2.3 AD590的应用电路 2.3.1 基本应用电路7 图1（a）是AD590的封装形式，图1（b）是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kW时，输出电压VO随温度的变化为1mV/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R2，使VO=273.2mV。或在室温下(25)条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度。 2.3.2 AD590实际应用电路电路分析：1、 AD590的输出电流I=（273+T）A（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）A10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。 2、 由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V 3、 接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。2.3.3 摄氏温度测量电路 如图2所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出VO=0，然后在100时调整R4使VO=100mV。如此反复调整多次，直至0时，VO=0mV，100时VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么VO应为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。要使图2中的输出为200mV/，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/，则调整反馈电阻约为180kW，使得温度为0时， VO=17.8mV；温度为100时，VO=197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。3 硬件电路的设计 3.1 方案论证 本设计的电路原理图见附录1。本设计的电路由温度传感器、调理电路、A/D转换、控制处理及显示五部分构成。温度传感器采用电流型的AD590，调理电路将模拟电流信号转为电压信号并放大，ADC0809用作A/D转换器，将采集的模拟量转换成数字量通过AT89C51处理后由数码管显示出来。由于采集、处理、显示数据通过单片机软硬件相结合,所以控制系统具有可靠性，设计简单、实用性强的特点。具体工作过程为：由温度传感器AD590测得被测温度，经放大器放大后送A/D转换器，由A/D转换器将此信号转换成为单片机所能识别的二进制信号再经P1口输入单片机，由数码管显示出来。其中调理电路包括电流转换成电压及放大部分。结构框图如下图所示： LED显示单片机调理电路A/D转换温度传感器图1 系统总体结构框图3.1.1 A/D转换器的选择A/D转换器是将模拟量转换成数字量，它是控制系统中不可缺少的环节。A/D转换器位数的确定和系统所需测量控制的范围、精度有关。其一:实际选取的位数与其它环节所能获得的精度相适应，只要不低于它们就可以，不必太高。其二:如果微处理机是MCS-51单片机，采用8位以下的A/D转换器时，接口电路最简单。因此，在A/D转换的时候，也不要求有很快的转换速率。A/D器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件，A/D转换器的品种繁多，性能各异，在设计数据采集系统时，首先碰到的是如何选择合适的A/D转换器以满足系统设计要求的问题，选择合适的A/D转换器需要考虑器件本身的品质和应用场合的要求。本设计选择ADC0809。 ADC0809为8位转换器，其综合功能技术指标为4】： 分辨率 8位； 总的不可调误差1LSB1.25LSB； 无失码； 转换时间100s； 单电源5V供电； 八通道模拟输入； 模拟范围 0V5V； 可锁存的三态输出，与TTL电路兼容； 工作温度范围 4080； 时钟频率10KHz1280KHz，典型值610KHz； 无须调零和满量程调整； 最低功耗15mW；（1）内部结构图和管脚排列图该芯片的内部机构图和管脚排列图分别如图2 (a)和(b)所示。图2 ADC0809原理框图和管脚排列图（2）主要组成及功能4该芯片内部由8位模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与时序电路、三态输出锁存器等组成。虚线框中为芯片核心部分。8个多路转换开关可直接接通8个模拟通道中的任意一个通道，并提供通道扩展功能。由于能对多路转换器进行锁存和译码，加上地址线是三态输入，数据转换后是以锁存的三态形式输出，容易与多种微控制器连接使用。且该转换器不需要在外部进行满度和零点调节4。 (3) 引脚功能ADC0809共有28个引脚，各引脚功能如下：IN0IN7：8路模拟电压输入端。由ADC0809内部地址译码选通。A，B，C：模拟输入通道的地址选择线。当CBA=000时，选中IN0；CBA=001时，选中IN1依此类推，当CBA=111时，选中IN7。见下表：表1.ADC0809通道选择真值表地址线被选通的模拟通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 START：A/D转换启动控制信号，输入，正脉冲有效。START的上升沿将内部逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，如在转换过程中START再次有效，则将中止正在进行的转换，开始新的转换。START信号最小宽度为ALE的宽度。 CLK：时钟脉冲输入端，最大频率640KHZ。D7D0：数据输出端，D7为高位。OE：输出允许端，输入高电平有效。该端为高电平时，芯片输出锁存器被开启，将A/D转换结果送至数据总线。打开三态输出缓冲器，输出转换结果。UREF(+)和UREF(-)：外接基准电压的正极和负极。这两个输入端为ADC内部D/A转换逻辑提供权电阻的标准水平。UREF(-) 接0时该端同时也成为A/D转换器的模拟地。EOC：转换结束标志输出信号，高电平有效。EOC平时为高电平，在START信号的上升沿之后08个时钟周期内，变为低电平，转换结束后，再次升为高电平，向外部发出转换结束信号。EOC信号可作为中断申请信号。如将EOC与START连接，则每次转换结束时将启动一次新的转换，转换继续进行。这种直接启动方式要求转换开始时由一外部脉冲信号启动。GND：数字端ALE：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当该信号有效时，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道，并通过译码逻辑接通所选择的通道进行A/D转换。基于以上优点我们选择八通道模拟输入的ADC0809。 3.1.2 显示电路选择 单片机系统常用的显示器件有LCD（液晶显示模块）和LED（数码显示摸块）两种。LCD显示功耗低但成本高，LED要比LCD经济的多，且课题也就仅要求显示数字，所以选用LED来显示。LED显示器有两种显示方式：静态显示和动态显示。数字系统中常常使用的是七段LED显示器和带小数点的七段LED显示器。本课题由于要采集确切温度值，所以选用带小数点的七段LED显示器静态显示。静态显示是指当八段数码管显示一个字符时，该字符对应段的发光二极管控制信号一直保持有效。动态显示则是轮流点亮数码管的方式，由于点亮每个数码管的时间极短（约为1ms）。3.1.3 单片机的特点及其功能 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案10。 图4 AT89C51管脚图1.主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 电源电路和复位电路的设计3.2.1 电源电路 在该系统中需要用到+5V的直流稳压电源，在我们的生活中一般都是使用220V的交流电，为了获得高质量的5V直流稳压电源，采用CW7805三端稳压片即可满足要求，这就需要我们进行电压转化。其转化图如图5所示9： 图5 系统电源电路3.2.2 复位电路4复位是单片机的初始化操作，只需给复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就复位，复位时，PC初始化为0000H，使AT89C51从OUT单元开始执行程序。本设计采用的电路如图6所示。工作原理是：上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，R取1K。上电自动复位电路由上电瞬间C与R构成充电电路，RESET端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。 图6 复位电路部分原理图3.3 时钟电路的设计4时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计选用内部时钟方式如图7：图7 时钟电路部分原理图 电路中的电容C1和C2典型值通常选择30pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212MHz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。3.4 温度采集电路设计3.4.1 AD590传感器的测温原理AD590在摄氏零度时，输出电流值为273.2A ，它与热力学温度273.2 K相对应。而人们习惯用摄氏温标表示温度，摄氏温标与开氏温标的转换关系即T(K)=273.2+t() （2）在信号处理时，应将开氏温度转换为摄氏温度。由于AD590的温度变化范围在55150之间，经过10K之后采样到的电压变化在2.182V4.232V之间，不超过5V电压所表示的范围，因此参考电压取电源电压VCC，（实测VCC4.70V）。由此可计算出经过A/D转换之后的摄氏温度显示的数据。 由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电阻进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中调整电位器，值如下表示：表3 AD590温度与电流关系摄氏温度AD590电流经10K电压0273.2A2.732V10283.2A2.832V20293.2A2.932V30303.2A3.032V40313.2A3.132V50323.2A3.232V60333.2A3.332V100373.2A3.732V3.4.2 温度传感器及其调理电路AD590对温度变化体现为电流变化，温度和电流呈线性关系，而A/D转换器采集的为电压信号，因此需要有电流电压转换电路，将电流信号转换成电压信号，转换电路如图8所示： 图8 温度传感器及其调理电路8其输出电流公式为I=CT(27315+ t)。式中，CT=1 uAK，是标称温度系数；t表示摄氏温度()。AD590的输出信号经第1级放大器LM324将电流信号变换为反相电压信号。信号经第2级放大器LM324放大为稳定的电压信号。根据AD590特性，温度为绝对温度xK时，AD590的输出电流为xA。令第1级放大器的输出电压为V1 ，第2级放大器的输出电压为V0，则：V1=一(R1+Rw1)x 10-6；V0R5+Vtef(R4 +Rw2)+V1R2=0 (3)3.5 A/D转换电路设计ADC0809采用28引脚双列直插式封装。它是最常用的8位模拟开关，可对0-5V，8路的输入模拟电压进行转换，完成一次转换约100s，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接与51单片机的总线相连。图9 单片机与ADC0809连接电路图3.6显示电路的设计本设计中采用的是4位数码管静态显示方式，共阴极数码管用74HC595驱动。也可以用动态扫描的方式，但是这种方式用共阴极数码管时需用三极管驱动，4个数码管需要用5个三极管来驱动，总共占用单片机13个I/O口线，这样就使得连接射频模块的I/O口线不够用，而前者只需占用3个I/O口，节省了很大部分的资源，所以显示电路用74HC595驱动的静态显示方式。数码管管脚图及其七段LED码如下所示： 显示字符共阴极段码显示字符共阴极段码03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH表5 七段LED码 图10数码管管脚图74HC595它是一个8bit串行并出的移位寄存器和一个8bit输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的。使用串入并出方式的芯片74HC595来驱动显示电路，接口电路如下图所示。引脚SER是串行数据的输入端，接主机的P1.0口，引脚SRCLK是移位寄存器的移位时钟脉冲，接主机的P1.1口，在其上升沿发生移位，并将SER的下一个数据打入最低位。移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCLK是输出锁存器的打入信号，接主机的P1.2口，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。引脚E是输出三态门的开放信号，只要当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高阻态。/SRCLR信号是移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。数码管与74HC595的连接图如下。显示模块驱动器与在单片机的P1口相连，SER是串行数据的输入端与P10口相连，引脚SRCLK是移位寄存器的时钟脉冲与P11口相连，P12与/SRCLR相连，具体连接参看下图： 图11显示电路4 软件设计4.1 数据采集程序设计在一个数据采集系统中，通过传感器先将被测得物理量变成模拟电流信号，然后由A/D转换器将此模拟量再转换成数字量后，即可确定被测物理量的数值。开始单片机初始化设定温度采集数据测量温度度测量温度与设定比较不动作启动加热电阻丝结束相等低图12 软件流程图4.2 显示子程序设计本设计的显示部分采用74HC595来驱动四位数码显示器，AT89C51单片机的I/O口P1.0、P1.1、P1.2分别与74HC595的14脚、11脚、12脚相连。14脚为SER为串行数据输入端；12为脚RCLK为移位时钟端，上升沿时将14脚数据移入寄存器，11脚SRCLK为锁存器，上升沿时锁存数据；13脚E三态输出控制端，接低电平时数据输出。单片机输出数据和移位时钟，在时钟上升沿将数据移入74HC595。开始将A左移1位清除显示 P11=1读数据CF=0？ NP10=1P10=0转换成BCD码 Y依次读取4位BCD码的十进制数，转换成4位LED码P11=0R3（用作循环计数器）赋值为4 读出一位BCD码的LED码送A寄存器R4-1-R4=0? N R3-1-R3=0?R4（用作循环计数器）=8 Y 结束 N Y 图13 显示子程序流程图结论本文采用单片机AT89C51和集成温度传感器AD590测量水浴温度，并和设定温度相比较，根据比较结果控制加热电阻丝的动作，从而控制水浴的温度。文中详细的研究了系统总体设计方案，对温度检测系统硬件进行了设计，并对电源电路和LED显示电路以及A/D转换电路进行了分析。实验结果证明，该温度检测系统具有结构简单、稳定性好、精度高等优点，值得推广。随着自动化程度的不断提高，需要对传统的温度控制方法进行改进，以满足更高精度和灵敏度等新的要求。本系统中的温度数据采集与控制系统采用了高精度集成温度传感器与单片机控制，在应用中合理搭配了软硬件的应用，使得以较低的复杂程度和较小的成本完成了温度数据的采集与实现水温调节的自动化，满足了系统要求。参考文献1张福学.传感器敏感元器件实用指南.北京:电子工业出版社，1993 .82何希才.传感器及其应用电路.北京:电子工业出版社，2001, 33逢玉台.王团部,集成温度传感器AD590及其应用.国外电子元器件J.2002 4郭文川.单片机原理与接口技术，中国农业出版社，2007，85李景丽,陈瑞球.我国传感器现状及其发展趋势J. 仪表技术 , 2003,(05)6吴荣军,张宝成,亢春梅.国外传感器市场发展现状及预测J.传感器技术 , 2003,(05)7刘振全.集成温度传感器