温度测量显示电路设计.docx
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温度测量显示电路设计
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第1章系统原理框图设计
1.1设计内容
以设计为主完成一个温度范围为0-500C的温度测量显示电路的设计与制作。
1、主要设计内容：
（1）系统原理框图设计与分析（包括传感器的选择与确定）；
（2）系统方案设计、比较及选定（给出两种以上的方案比较）；
（3）系统原理图设计（包含测量电路、放大电路、A/D转换及显示电路等）；
（4）确定原理图中元器件参数（给出测量电路、放大电路计算公式与数据）；
2、运用protel软件绘出系统原理电路图（鼓励能完成印刷电路板图的绘制）。
1.2原理框图设计
设计以测量显示部分电路为主，以单片机系统为核心，对单点的温度进行实时测量检测。
并采用温度传感器DS18B20、op07作为信号放大器、ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。
在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。
本系统由温度传感器DS18B20、AT89C52、LED数码管显示电路、软件构成。
DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等。
系统框图如图1.2.1所示：
蜂鸣器报警
温度传感器DS18B20
AT89C52
51单片机
LED数码管
编码
数字量
温度传感器DS18B20
红外遥控调节设置温限
如图1.2.1系统框图
第2章方案论证及确定
2.1系统方案的确定
LCD液晶
显示
编码
ICL7107A/D转换&译码显示模块
电压
AD590温度
传感器
温度
电压
同向放大器
方案1：
采用单片机测量并控制温度。
此方案硬件电路简单，但是需设计复杂的软件电路。
该方案为ICL7107A/D转换&译码方案。
常见A/D转换器的转换方式有非积分式和积分式两类，如逐次逼近比较式A/D转换、斜坡电压式A/D转换等属于非积分式，其特点是转换速度快，但抗干扰能力差。
电压反馈型V-F变换、双积分式A/D转换则属于积分式，其特点是抗干扰能力强、测量精度高，但转换速度低。
工作方框图如图2.1.1所示：
图2.1.1工作方框图
方案2：
该方案以AT89C52为控制器，采用DS18B20温度传感器检测温度信号，利用红外遥控设置温度测量的上下限数值，并通过LED数码管显示。
工作方框图如图2.1.2所示：
AT89C52
51单片机
温度传感器DS18B20
LED数码管
编码
数字量
红外遥控
图2.1.2工作方框图
经过综合研究分析，考虑整个设计和成本，方案2成本低，测量温度方便简单，故此次数字温度计课程设计选取方案2。
2.2显示器方案的确定
方案1：
采用LCD液晶显示。
液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。
LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。
通过数码控制这些极小的方格进行显像。
但其造价昂贵，不适合经费有限的学生使用。
方案2：
采用LED数码管显示。
LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管，如果是单色，一般是红色发光二级管。
如果是彩色，一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。
这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像，造价相对低廉，而且也能达到要显示的效果。
经过综合研究分析，考虑整个设计和成本，方案2成本低。
2.3传感器方案的确定
温度传感器：
利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的HYPERLINK"\t"_blank"传感器。
这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。
温度传感器是HYPERLINK"\t"_blank"温度测量仪表的核心部分，品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照HYPERLINK"\t"_blank"传感器材料及电子元件特性分为热电阻和HYPERLINK"\t"_blank"热电偶两类。
方案1：
采用热电偶。
热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围。
它们的特点是：
低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。
另外，热电偶需要外部参考端。
该设计不能使用热电偶作为温度传感器。
方案2：
采用集成温度电流传感器。
如AD590，它的测温范围为-50oC~+150oC，满刻度范围误差为±0.3oC，工作电压范围4~30V。
AD590温度传感器是一种已经IC化的温度传感器,它会将温度转换为电流。
AD590不能直接置于水中。
这种传感器的价格比校昂贵。
方案3：
采用DS18B20数字温度传感器。
该产品采用美国DALLAS公司生产的HYPERLINK"\t"_blank"DS18B20可组网数字温度传感器HYPERLINK"\t"_blank"芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面拥有很大优势，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
经过上述三种方案的论证比较，综合考虑成本、性能等因素，最终选取方案3。
第3章系统硬件电路分析
3.1AT89C52简介
AT89C52是一8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机（MCU）。
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ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，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。
其管脚图如图3.1。
图3.1AT89C52管脚图
3.2DS18B20传感器原理
3.2.1DS18B20简介
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
3.2.2DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。
64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。
ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20内部结构如图3.2.2.1所示。
64
位
ROM
和
单
线
接
口
存储器与控制逻辑
温度传感器
高温触发器TH
低温触发器TL
配置寄存器
高速缓存
8位CRC发生器
供电方式选择
DQ
图3.2.2.1DS18B20内部结构
图3.2.2.2DS18B20的管脚排列
DS18B20的管脚功能描述：
3.2.3DS18B20测温原理
DS18B20低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
此外，用斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。
3.3LED数码管
LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。
位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。
。
颜色有红，绿，蓝，黄等几种。
led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。
选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。
图3.3.1LED数码管
第4章系统原理图设计
4.1A/D转换电路的设计
AD转换器将模拟电压信号转化为数字信号，通过加法器、比较器、与非门接连成十进制译码器通过LED数字译码显示器显示。
如图4.1.1。
电路说明：
（1）、AD转换的高4位输出到比较器（U12）的A0~A3，低4位放到比较器（U13）的A0~A3。
（2）、十六进制计数器（U8）输出端QA～QD接到比较器（U12）的B0~B3，十六进制计数器（U4）输出端QA～QD接到比较器（U13）的B0~B3，低位的十六进制计数器（U4）经过与门接脉冲XFG2。
（3）、十进制计数器U9、U10、U11按从低位到高位连接，低位经过与门接与十六进制计数器（U4）接的脉冲XFG2。
（4）、通过两个比较器之后，当B大于A的时候，通过与门和非门的组合输出一个低电平，把脉冲截止，停止计数。
（5）、所得的数就是十六进制转换成的十进制数。
（6）、脉冲XFG3控制十进制计数器U17,当计数器输出都为高电平时通过或非门得到一个高电平，控制十进制计数器U9、U10、U11和十六进制计数器U4、U8，同时清零，重复计数。
AT89C52
显示电路
A/D转换
复位电路
晶振
图4.1.1A/D转换电路
4.2放大电路的设计
对信号放大，使用了低价格、高精度的仪器放大器OP07，它运用方便，是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，可以通过外接电阻方便的进行各种增益的调整。
其增益计算公式为：
（1）
由于A/D检测到的模拟电压值
（2）
计算可到的值，然后利用如下公式求出温度值：
（3）
其中，
4.3显示电路的设计
在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
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。
图8为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a～g笔段构成“”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。
有共阴和共阳两种接法。
如图4.3.1所示。
图4.3.1LED数码管
4.4主程序流程设计
主程序说明：
小于10度，亮黄色LED，表示较凉，开蜂鸣器；
大于24度，亮绿色LED，表示温度较热，开蜂鸣器；
遥控远程控制，改变上下限报警温度。
主程序流程图如图4.4.1所示：
开始
初始化
温度读取
<10度
>24度
遥控信号
判定按键
数值送显示
开黄灯报警
开绿灯报警
改变上下限温
摄氏变华氏
Y
Y
Y
N
N
N
图4.4.1主程序流程图
参考文献
[1]张国雄等编，测控电路，机械工业出版社，2001.8
[2]赵负图主编，现代传感器集成电路，人民邮电出版社，2000.1
[3]刘征宇主编，线性放大器应用手册，福建科学技术出版社，2005.1
[4]蔡锦福等编，运算放大器原理与应用，科学出版社，2005.7
[5]黄继昌等编，实用单元电路及其应用[M].人民邮电出社，2002.4
[6]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社.1993.8
附录一源程序
DATBITP3.0;数据通信口
WDLSBDATA30H;读出的温度低字节
WDMSBDATA31H;读出的温度高字节
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG000BH
SJMPTIMER0
ORG0040H
TIMER0:
MOVP0,40H
ORLP0,#70H;
CALLT1MS
MOVP0,41H
ORLP0,#60H
CALLT1MS
MOVP0,42H
ORLP0,#50H
CALLT1MS
MOVP0,43H
ORLP0,#40H
RETI
T1MS;MOVR5,#00H
TT:
MOVR6,#9
DJNZR5,TT
RET
MAIN:
MOVSP,#60H
MOVP2,#0FFH
MOVR2,#8
MOVR0,#40H;
OVER:
MOV@R0,#00H
INCR0
DJNZR2,OVER
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#LOW（65536-10000）
MOVTL0,#HIGH（65536-10000）
SETBEA
SETBET0
SETBTR0
LOOP:
LCALLDSWD;调用读出DS18B20温度程序
SJMPLOOP;读出DS18B20温度程序
DSWD:
CLREA
LCALLRST
JNBF0,KEND;如果没有应答，返回主程序
MOVR0,#0CCH
LCALLSEND_BYTE
MOVR0,#44H;发出温度转换命令
LCALLSEND_BYTE
SETBEA
MOVP1,#00001111B
MOV48H,#1;廷时75ms以上准备读
SS2:
MOV49H,#255
SS1:
MOV4AH,#255
SS0:
DJNZ4AH,SS0
DJNZ49H,SS1
DJNZ48H,SS2
MOVP1,#11111100B
CLREA
LCALLRST
JNBF0,KEND
MOVR0,#0CCH;跳过ROM匹配
LCALLSEND_BYTE
MOVR0,#0BEH;发出读温度命令
LCALLSEND_BYTE
LCALLREAD_BYTE
MOVWDLSB,A
LCALLREAD_BYTE
MOVWDMSB,A
LCALLTRANS12
KEND:
movp1,#01010101b
SETBEA
RET
MOV3AH,A
MOVA,31H
ANLA,#0FH
ORLA,3AH
SWAPA
MOVB,#10
DIVAB
MOV43H,A
MOV42H,B;
MOVDPTR,#TABB
MOVA,30H
ANLA,#0FH
MOVB,#2
MULAB
MOVCA,@A+DPTR
MOV41H,A
MOVA,30H
ANLA,#0FH
MOVB,#2
MULAB
INCA
MOVCA,@A+DPTR
MOV40H,A
RET
TABB:
DB0,0,0,6,1,2,1,8,2,5,3,1,3,7,4,3,5,0
DB5,6,6,2,6,8,7,5,8,1,8,7,9,3
READ1:
LCALLREAD
RRCA
DJNZR5,READ1;循环8次，读一个字节
MOVR0,A
RET
RST:
SETBDAT
NOP
NOP
CLRDAT
MOVR6,#250;
DJNZR6,$
MOVR6,#50
DJNZR6,$
SETBDAT;
MOVR6,#15
DJNZR6,$
CALLCHCK;调用应答检查程序
MOVR6,#60
DJNZR6,$
SETBDAT
RET
CHCK:
MOVC,DAT
JCRST0
SETBF0;检测到信号，置位F0
SJMPCHCK0
RST0:
CLRF0;未准备好F0复位
CHCK0:
RET
WRITE_0:
;写0
CLRDAT
MOVR6,#30
DJNZR6,$
SETBDAT
RET
WRITE_1:
CLRDAT;写1
NOP
NOP
SETBDAT
MOVR6,#30
DJNZR6,$
RET
SETBDAT;置位DAT准备接收数据
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
MOVC,DAT
MOVR6,#23
DJNZR6,$
RET
END
附录二系统原理图
附录三元器件清单
单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补充，达到内容的完善
教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。
教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。
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