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智能温度测量仪摘要： 随着现代工业技术的迅猛发展，工业上的各种技术指标精度的要求也越来越高，在众多的指标中，温度的测量是一个永恒的话题，只有了精确地温度测量，才能把加热和散热的工作做得更好。本课题是智能温度测量仪设计,由单片机AT89C51芯片为核心，和LED数码管显示，MC14433转换器和辅以必要的电路，构成的一个单片机智能温度测量仪。本设计详细介绍了智能温度测量仪的工作原理，硬件电路组成，软件设计的思路。主要包括以下几个模块：传感器模块、A/D转换模块、LCD显示器模块、单片机控制模块、和报警器模块等组成。能够智能对环境温度随时随地检测与显示，当环境温度超出预警值时，发出声报警。【关键词】： AT89C51单片机、模数转换、温度采集。1.1 指标要求1 配合温度传感器，实现温度的测量；2 具有开机自检、自动调零功能；具有克服随机误差的数字滤波功能；3 使220V/50Hz交流电源，设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。主要技术指标测量温度范围：1 0150测量误差：1%2 显示方式：4位LED数码管显示被测温度值。1.2智能型DVM的设计功能要求1 可以测量200V以下的直流电压具有开机自检、自动量程转换功能；2 具有克服随机误差的数字滤波功能；3 使用220V/50Hz交流电源，设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。主要技术指标：1 直流电压量程：200mV、2V、20V、200V2 测量误差：1%3 输入电阻：10M4 显示方式：4位LED数码管显示被测电压值。2.1 传感器的选择 方案一：热电阻。温度范围：-260+850；精度：0.001；热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。方案二：AD590。温度范围为-55+150；电源电压范围为430 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710 m；精度高，AD590在- 55+-150范围内，非线性误差仅为0.3。AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4 V至30 V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 A/K。AD590适用于150C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，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。AD590最重要的特性是：度每增加1，它会增加1A输出电流。AD590的接口电路十分简单，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便安装调试。比较方案一和二，方案二更适合本设计的温度测量仪。2.2 传感器采集电路我们选用的是AD590温度传感器，AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V30V，检测的温度范围为55150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA。在AD590的温度变化范围内，经过10K之后采样到的电压变化在2.182V4.232V之间，不超过5V所参考的电压范，因此我们采用参考电压+5V。由此可计算出经过A/D转换之后的摄氏温度显示的数据为： 如果（D*2350/128）2732，则显示的温度值为（2732（D*2350/128） 如果（D*2350/128）2732，则显示的温度值为（D*2350/128）2732） 由于本次设计的温度测量范围是 0150，所以在对我们而言，温度传感器给出的电压值就是2.732V4.232V之间。这里我们不难发现一个问题，传感器给出的电压差值只有1V，而我们A/D转换器的参考电平VREF(+)是5V，也就是说我们不能充分利用A/D转换器，导致转换精度不高，所以这种直接由温度传感器给模拟信号的方式并不可行。针对此问题，本设计采用了UA741运算放大器对传感器的电压信号进行了稳压、放大、反向，把模拟信号由2.732V4.232V变成了05V,这样就实现了与A/D转换器的参考电压相同，精度就提高了。具体电路接线图如下：2.3转换器MC14433MC14433是美国Motorola公司推出的垫片31/2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。其主要功能特性如下1 精度：读数的0.05%1字2 模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档3 转换速率：2-25次/s4 输入阻抗：大于1000M5 功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）MC14433管脚说明：（1） Pin1(VAG)模拟地，被测电压和基准电压的接入地。（2） Pin2(VR)基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR)，就能够复为至转换周期的起始点。 (3)Pin3(Vx)被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因此，满量程的Vx=VR。当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV2.000V之间选取。 (4)Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接积分元件端。次三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470k，而满量程为200mV时，R1取27k。 (5)Pin7、Pin8(C01、C02)外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容即可。 (6)Pin9(DU)更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。 (7) Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300k即可。 (8) Pin12(VEE负电源端。VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。 (9) Pin13(Vss)数字电路的负电源引脚。Vss工作电压范围为VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。 (10)Pin14(EOC)转换周期结束标志位。每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。 (11)Pin15（OR非）过量程标志位，当|Vx|VREF时， 输出为低电平。(12)Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路选通脉冲输出端。DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。(13)Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD码数据输出端。该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。(14) Pin24(VDD)正电源电压端。3.1 单片机控制电路本设计的核心处理器是采用Atmel公司的AT89C51单片机。AT89C51单片机主要特征如下： （1）8位CPU （2）内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次（3）完全定态操作：0Hz24Hz，可输出时钟信号（4）256B的片内数据存储器（5）32根可编程I/O线（6）2个16位定时/计数器（7）中断系统有6个中断源，可编为两个优先级（8）一个全双工UART（通用异步接收发送器）I/O口（9）具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式其引脚如下图， 单片机控制的主电路包括：（1）系统时钟电路；（2）系统复位电路；（3）显示电路；（4）对ADC0809转换电路的控制电路四部分组成。其硬件系统框图如图所示。3.2 单片机时钟电路系统时钟电路的设计如图所示。由于图中的C11、C12电容起着系统时钟频率调和稳定的作用，因此，在本系统的实际应用中我们选择参数为30pF，并保证电路具有良好的对称性。同时，要保证其温度系数要尽可能的低。资料表明，这两个电容元件对系统的检测误差有较大的关系。3.3 系统复位电路的设计我们采用的是RC复位方式。RC复位电路的实质是一阶充放电电路。但是我们在实际设计中，通常C1取值为10F以上，R1通常取值10K左右。因为我们实践发现，R1如果取值太小，例如1K，则会导致 RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。复位电路分为上电复位（下图左）和上电复位兼手动复位（下图右）。复位电路虽然简单，但是它的作用非常重要，一个单片机小系统能否正常工作，首先要看能否复位成功。4. LED数码管显示电路7段LED数码管是智能化测量仪器中简单而常用的显示设备。它的优点是价格低、寿命长，对电压电流的要求低及容易实现多路显示等。LED显示器的控制方式有静态显示和动态显示2种。这里我们采用4位共阴数码管动态显示方法以节约I/O线，简化显示电路。数码管工作时，逐位扫描轮流显示，但每个LED管的扫描时间非常短，由于人的视觉暂留，所以从宏观上看起来仍是所有器件都在显示。在位码处，我们可以加上NPN三