数字温度计设计Word文件下载.docx
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Thisinstrumentcansurveyfrequencycharacteristicscope-40℃--+150℃,dynamirange190℃,functionsandsoonmisalignmentautomaticcompensation.Thesystemperformanceisstable,selects51monolithicintegratedcircuits,reduceselectriccircuit'
scost,thesystemelementarefew,theperformance-to-priceratioishigh,hastheverygoodusability.With1602liquidcrystalsdemonstratedthatthepresetparameterandtheobservedvalue,andincre。
Keywords：
MonolithicintegratedcircuitAT89S52;
TemperaturesensorAD590;
Digitalthermometer;
Voltage/frequencytransformationLM331;
liquidcrystaldisplay
第1章绪论
1.1.前言
随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现．能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。
传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。
热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差。
与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。
1.2.历史及应用背景
温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。
在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、粮食储存、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。
传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们在数字化时代的要求。
本文提出了一种新型的数字式温度测量电路的设计方案,该方案集成了温度测量电路和实时时钟电路。
在此利用集成温度传感器AD590设计并制作了一款基于AT89S52的LCD显示的数字温度计，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。
还采用了12MHz的晶振作为AT89S52的时钟源LCD1602作为显示设备，通过编程的方式来实现实时时钟的显示、修改上下限温度等功能，使产品更具实用性。
1.3.研究数字温度计的目的和意义
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用等，比如:
婴儿智能看护系统，采用AD590采集温度数据，用单片机控制温度值稳定在预设范围，当婴儿皮肤和衣服之间的温度低于预设温度值下限时系统启动点暖，当这个温度低于预设温度值时系统断开电源，如果婴儿体表温度出现异常状况时发出报警提醒看护人进行相关处理等，所以研究数字温度计是刻不容缓的。
第二章系统设计与实现
一.总体设计方案的选取
1.1.总体方案的比较与选取
方案一：
采用凌阳SPCE061A单片机，此单片机工作电压2.6～3.6V（CPU）,I/O端口高电平VDDH为VDD～5.5V，其工作电流小于50mA。
虽然凌阳SPCE061A功能丰富，但是在设计温度计时显得有点功能浪费，并且，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，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，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，但不能远距离传输，且感温电路比较麻烦。
故不采用此方案。
方案二：
采用16位MSP430F2012系列单片机，此型号单片机电源电压采用的是1.8～3.6V，电压要求低。
MSP430F2012单片机中断源比较多，并且可以任意嵌套，使用起来非常方便：
其有内置的10位A/D转换，可以在不外加A/D芯片的前提下采集温度，减少了功耗。
在MSP430F2012中有两个不同的系统时钟系统：
基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统。
由于系统采用的工作模式不同，芯片的功耗有显著的不同，在系统中总共有一种工作模式和五种低功耗模式，在工作模式4下耗电仅为0.1uA，耗电极低。
但价格昂贵，实用性不强。
方案三：
Atmel公司的生产的AT89S52单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，内部除CPU外，还包括8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
具有低功耗，速度快，程序擦写方便，价格便宜等优点，LM331将电压转换成频率后通过对频率的计数完全满足本系统设计需要。
综合上述比较，在实现相同功能的前提下，MSP430具有更低的功耗，但价格昂贵，综合考虑下AT89S52更廉价，更适合要求，故选择方案三。
1.2.系统方框图
分析题目中的各项要求模块，我们将本设计分为以下几个模块：
温度采集模块、数模转换模块、键盘显示及处理模块、报警模块和稳压电源模块。
系统总体框图如下图
（一）：
图
（一）系统总体框图
二.系统各模块的方案论证与选取
2.1.温度采集模块
采用DS18B20数字温度传感器，其工作电压为3.0～5.5V，工作电流在1.5mA，与单片机连接时须在数据线上加一上拉电阻，这无意中又增加了功耗，且采集温度范围不是很宽，精度也不高，且价格昂贵，不能满足系统的要求，故不采用此方案。
采用NTC热敏电阻，通过一定的电路可以将周围环境的温度变化转化成电压的变化，通过AD转化器件将信号传输给单片机进行分析，从而测出当前环境温度，但误差大，不稳定，对环境要求较高，故不采用此方案。
采用AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
AD590测温范围为－55℃～＋150℃，非线性误差可达为0.1%，满足人们日常生产和生活中的温度范围。
且AD590电源电压可在4V～6V范围变化，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。
AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1℃，其电流增加1μA，且价格也实惠。
综合上述三种方案比较，AD590具有很好的线性性能，更宽的测量范围，更高的灵敏度且满足系统设计要求，故选择方案三。
2.2.数模转换模块
采用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片ADC0809，分辨率8位，转换时间100μs，但转换精度低，转换数度慢，故不采用此方案。
采用16位AD转换器AD7705，转换精度提高了，但价格昂贵，输入电压范围很小，故不满足系统的要求，故不采用此方案。
采用LM331进行V/F转换，该芯片的动态范围大可达100dB，线性度好该，电路抗干扰能力强，精度高，且可以实现远距离传输，满足系统设计要求。
综合上述比较，LM331既满足了AD转换又能实现远距离传输，且价格便宜，故选择方案三。
2.3.键盘模块
选用2*1键盘，该电路简单，但达不到系统的要求。
采用4*4键盘矩阵，该系统设计控制简单，4*4键盘矩阵占用I/0口较多，浪费资源，故不采用此方案。
选用5*1独立键盘，在功能种可用按键复用功能，这样控制方便，程序也简单。
综合上述比较，我们最终选择方案三来实现键盘电路。
2.4.显示电路
由发光二极管组成的七段码LED显示器是单片机应用产品中最常用的廉价输出设备，用于显示各种数字和字符。
用4位数码管来显示温度，但单片机的高电平不能完全驱动数码管，不仅要另加驱动电路，而且显示位数有限。
采用LCD12864显示，该液晶虽然能显示各种文字及图形，控制方面。
但分析该题目的要求，用LCD12864显示不仅浪费、价格昂贵而且功耗超过系统设计要求，故不采用此方案。
用LCD1602显示，既兼容了数码管的不能直观显示字符，而且价格比LCD12864便宜很多，完全能达到题目的要求，
综合上述比较，我们最终选择方案三来实现显示电路。
2.5.报警模块
采用不同颜色的LED发光二极管实现报警电路。
但这种报警不直观，故不采用此方案。
方案二：
采用无源轰鸣器实现报警，但报警声很小，且不能直观的反映是高报警温度还是低报警温度，故不采用此方案。
方案三：
采用轰鸣器加LED发光二极管实现报警电路，当温度高与设定值时红色发光二极管闪烁发光且轰鸣器发出报警声，当温度低于设定值是绿色发光二极管闪烁发光且轰鸣器发出报警声。
综合上述比较，我们最终选择方案三来实现温度报警电路。
2.6.稳压电源模块
用双路直流稳压电源提供稳压电源，但不方便携带。
用高精度LM399来给各个模块提供电源。
该方案的精度可达到几mV,能满足系统的要求，但价格昂贵，系统成本大大增加，故不采用此方案。
用普通三端集成稳压芯片LM337、LM317构成一路可调的电源用来给个模块提供电压，稳定性好，既经济又实用，且方便可调。
综合上述比较我们最终选择方案三来实现直稳压电源控制模块。
三.选用器件的依据，选型理由
3.1.AT89S52
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，且价格非常便宜，做出来的系统廉价。
3.2.LM331
模数变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。
LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。
同时它动态范围宽，可达100dB；
线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；
变换精度高，数字分辨率可达12位；
外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路，并且容易保证转换精度，且可以实现远距离传输。
3.3.OP07
OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±
2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
特点：
超低偏移：
150μV最大、低输入偏置电流：
1.8nA、低失调电压漂移：
0.5μV/℃、超稳定、时间：
2μV/month最大高电源电压范围：
±
3V至±
22V等优点。
四.理论分析与参数计算
4.1.系统设计原理
本系统采用美国哈里斯公司采用激光生产的精密集成电流型温度传感器芯片AD590产生精确的信号源作为输入，经10K精密可调电位器将电流转换为电压取出，采用差分输入做为AD590的信号调理放大电路，输出后送到LM331做V/F转换后直接送往单片机，由单片机对LM331送来的脉冲进行计数处理，将脉冲信号转换为相应的温度显示出来。
4.2.AD590温度传感器
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
AD590测温范围为－55℃～＋150℃，满足人们日常生产和生活中的温度范围。
AD590电源电压可在4V～6V范围变化，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。
AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1℃，其电流增加1μA。
AD590温度与电流的关系如下表
（一）所示：
表
（一）
摄氏温度
AD590电流
经10KΩ电压
-40℃
233.2μA
2.332V
-30℃
243.2μA
2.432V
-20℃
253.2μA
2.532V
-10℃
263.2μA
2.632V
0℃
273.2μA
2.732V
10℃
283.2μA
2.832V
20℃
293.2μA
2.932V
30℃
303.2μA
3.032V
40℃
313.2μA
3.132V
50℃
323.2μA
3.232V
60℃
333.2μA
3.332V
100℃
373.2μA
3.732V
120℃
393.2μA
3.932V
140℃
413.2μA
4.132V
150℃
423.2μA
4.232V
为了提高精度，扩大测量范围，在A/D转换前还要将信号加以放大并进行零点迁移，因而一个高稳定性的、高精度的放大电路是必须的。
当温度变化时，AD590会产生电流变化，当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV／K，为了使此10kΩ电阻精确，可用一个9kΩ的电阻与一个2kΩ的电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ。
运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗，由运放A2减去2.732做零位调整（即把绝对温度转成摄氏温度），最后由运放A3反相并放大５倍输送给A/D转换器。
典型硬件连接图如图
（二）所示。
图
（二）、AD590的典型电路
4.3.LM331的工作原理与线性变化
按照图三设计电路,LM331采用单电源供电，电源电压VCC，模拟信号的输入范围-VCC～0V,频率范围为0～100KHZ，非线性低于0.01％。
模拟信号经积分器LF356积分处理后,在INPUT端变成与输入电压成正比的稳定电流输入,通过LM331芯片进行V/F转换后,变成与电压成正比的频率信号,FOUT端输出的频率信号送到计算机的计数/定时端口,计算机对频率信号进行采集、处理、存储。
从而实现模拟信号到数字信号的转换。
由于LM331的转换线性度直接影响转换结果的准确性，而通常引起V/F转换产生非线性误差的原因是引脚1的输出阻抗，它使输出电流随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度V/F转换器在1脚和7脚间加入了一个积分器，这个积分器是由常规运放LF356和积分电容C4构成的反积分器。
加上积分电路后，由于电流源（1引脚）总是保持地电位，电压不随或FOUT变化，因此有很高的线性度。
下图三是由LM331等构成的电压/频率转换典型电路。
LM331是由片内1•9v的基准电压、电流开关.比较器和触发器等构成的单片电压/频率转换集成电路.为了扩大量程范围,电路中增设A1运算放大器.基准电流IR由（Rl+R（RPl））进行设定，由于内部基准电压为1•9V，因此
，通常的设定范围为100一500μA。
另外，电流开关输出（1脚）端的电流平均值I。
与输人电流Ii相等。
对于片内的充放电电路，当充电电压达到电源电压的2A时，电路复位，因此脉冲宽度等于
。
由于输入电流Ii等于
，输入电流
与振荡频率f0成比例，即输出频率f0与-Ui成比例，
图（三）、LM331典型电路
输入电压和对应的频率关系如下图：
输入电压Vi（V）
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
输出频率（KHz）
KHz
10
15
20
25
30
35
40
45
50
5.5
V
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
五.系统各模块电路的设计
5.1.AD590前端电路模块设计
采用TL431作为基准电压更稳定，精度更高，采用差分输入提高输入电阻使系统工作更稳定，受温度变化更小。
TL431提供基准电压给AD590，在0℃的冰水混合物中调节R7是U1的正负输入端电压为2.332V，此时U2的正负输入端的电压应为2.732V.TL431如图（四）
图（四）TL431典型图
图（五）AD590电路图
5.2.LM331电压转频率模块
由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。
输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。
当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。
当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；
电子开关使电容C3对电阻R3放电。
当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。
输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。
其输入电压和输出频率的关系为：
由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。
电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。
图（六）LM331电压/频率转换电路图
5.3.单片机最小系统、显示、报警电路
单片机采用AT89S52控制，用5*1独立式键盘,方便输入预置的参数，按键的处理变得简单、易控。
采用LCD1602液晶屏幕显示各种预制和显示数据。
图（七）51单片机最小系统、1602显示和报警电路电路图
六.软件设计
6.1.软件开发工具
AT89S52单片机编译器：
KeiluVision2
单片机下载软件：
AVR_fighter
模拟部分仿真：
Multisim10.1
6.2.软件实现功能
本系统中单片机起控制和数据处理以及显示控制作用，所以软件设计比较简单，启动后进入参数设置。
6.3.软件流程图
软件设计是本设计的关键，软件程序编写的好坏直接影响着系统运行情况的良好。
因本程序涉及的模块较多，所以程序编写也采用模块化设计，C语言具有编写灵活、移植方便、便于模块化设计的特点，所以本系统的软件采用C51编写。
程序框图如下：
YY
图（八）主程序流程图
图（九）测温度程序流程图
图（十）按键检测流程图
七.测试方案与测试结果
7.1.测试条件
室温25℃，工频220V交流电源
7.2.测试仪器
信号发生器：
YB1605
60MHz数字示波器：
TDS1002
四位半数字万用表：
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