数字温度计的电路设计.docx

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数字温度计的电路设计

数字温度计电路设计

摘要

随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。

本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，这款简易数字温度计主要由集成温度传感器AD590、信号处理电路和逐次逼近式A/D转换器ADC0809和基于AT89C51的4位共阳极LED数码管扩展显示器组成。

这种温度计具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便，软硬件结构模块化，电路简单，易于实现的特点，十分具有创新性、科学性、可行性。

关键词：

温度传感器，A/D转换器，LED数码管，单片机

DesignofDigitalThermographCircuit

Abstract

WiththeprogressofTheTimesanddevelopment,Chiptechnologyhasspreadtoourlife,work,scientificresearch,eachfield,hasbecomeamorematuretechnology.Thispaperintroducesamethodbasedonsinglechipmicrocomputercontroldigitalthermometer,thissimpledigitalthermometermainlybyintegratedtemperaturesensorAD590to,signalprocessingcircuitsandsuccessiveapproximationoftheA/DconverterADC0809basedonAT89C51andfouraltogetheranodeLEDdigitaldisplayexpansionpipe.Thethermometerhasexcellentlinearity,highsensitivity,stableperformance,stronganti-jammingcapability,useconvenient,softwareandhardwarestructure,thecircuitmoduleissimpleandeasytoimplement,andveryinnovative,scientificandfeasible.

Keywords:

Thetemperaturesensor,A/Dconverter,LEDdigitaltube,MicroController

1概述

温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制七个基本物理量之一，它对产品的质量、生产效率、能源节约、生产安全、人体健康起着非常重要的作用。

在日常生活和工农业生产中，经常需要测量温度，但普通温度计存在许多的缺陷，如测温时间长、量程小、精确度低、无法远距离测量等，给温度的测量带来了不便。

随着单片机技术在日用电子产品中的应用越来越广泛，基于单片机应用的集成电路数字温度计能完全克服以上缺点，数字式温度计不仅读数方便，而且测量较精确，得到广泛应用。

本课题设计的一款简易数字温度计主要由集成温度传感器AD590、信号处理电路和逐次逼近式A/D转换器ADC0809和基于AT89C51的4位共阳极LED数码管扩展显示器组成。

这种温度计具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便，软硬件结构模块化，电路简单，易于实现的特点，该设计十分具有创新性、科学性、可行性。

2设计过程

2.1分析设计要求，构思总体方案

从题目可知该课题的任务主要有三个方面。

其一是设计温度采集电路，采集周围环境温度；其二是数据转换电路，从而实现所测温度模拟量转化为易输出的数字量；其三是数据输出电路，实现所采集温度值的显示。

所以，整个系统可分为三部分，即采温电路、转换电路、显示电路，其中，采温电路包括温度采集电路和放大器；转换电路是最复杂最重要的，它由A/D转换器和单片机处理芯片组成。

2.2主要元器件选取

通常，在自然情况下，窗户的开与关与生活环境和人体的舒适度有关，温度的检测系统是该设计的关键。

传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点，我们在设计采温电路时，虽然传感器有很多种，但由于很多原因，如：

热敏电阻的线性不是太好，而热电偶虽有：

1）温度测范围宽；2）性能稳定、准确可靠；3）信号可以远传和记录的特点，但热电偶由于热电势小，因而灵敏度较低，而且我所要求的范围也不是太高，所以我们选择AD590温度信号的采集电路。

温度传感器AD590具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点，广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制。

模-数转换器（简称ADC或A/D转换器）用来将模拟量转换成数字量。

N位模－数转换器输出N位二进制数，它正比于加在输入端的模拟电压。

A/D转换器的种类很多，按工作原理的不同，可以分为双积分型、逐次比较型、并行比较型等。

并行比较型ADC的速度最快，但成本也最高；双积分型ADC精度高、抗干扰能力强，但速度太慢，适合转换缓慢变化的信号；逐次比较型ADC有较高的转换精度、工作速度中等、成本低等优点，因此获得广泛的应用。

本设计采用逐次逼近式A/D转换器ADC0809，它有8路模拟量输入，有利于系统设计，同时也便于与AT89C51单片机连接。

本设计采用AT89S51单片机，它是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS　8位单片机，片内含4　kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128　bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

2.3数字温度计的工作原理　

利用温度传感器AD590采集温度，通过运算放大器将温度引起的电流变化转化为电压变化，然后经过逐次逼近式A/D转换器ADC0809将模拟信号转化为数字信号，并送入单片机处理芯片AT89C51处理，经过处理的信号送入显示电路，由共阳极LED数码管显示采集到的温度值。

原理框图如图2.1所示。

图2.1原理框架图

3单元电路介绍

3.1采温电路

采温电路用二端温度传感器AD590M采集数据，放大电路输入口连接温度传感器AD590的两个引脚，信号经放大器放大。

在设计测温电路时，首先应将温度变化引起的电流变化转换成电压变化。

由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高或降低1K，电流就增加或减少1μA。

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。

为了使此电阻精确到0.1％，可用一个9.6kΩ的电阻与一个1kΩ电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ。

AD590是一个随温度变化而输出不同电流的恒流源，温度每升高1K，电流就增加1μA。

当温度为0℃时，输出电流约为273μA，所以图中A点电压≈273μA×10kΩ≈2.73V。

A1和R2组成高输入阻抗（约1013Ω）、低输出阻抗（约10-1Ω）的电压跟随器，以减小后续测量电路对的UA干扰，UA=UB（UB为B点电压）。

另外，A2和R3、R4、R5、R6、W1组成反相加法器，UC=-[]R4，（UC为C点电压）。

调节R6的大小，可以使UC=-kt℃（k为比例系数）即t=0℃，UC=0k；t=20℃时，UC=-20k。

又A3和R7、R8、R9组成反相放大器，可得UD=-UC℃，（UD为D点电压）。

R10和电位器W2组成分压器，改变W1和W2的大小，可以使数字显示电路显示不同范围的温度数值。

其电路如图3.1所示。

图3.1采温电路

3.2数据转换电路

为了便于与AT89C51单片机连接，同时又有利于系统设计，A/D转换器选了ADC0809芯片，ADC0809是逐次逼近型芯片，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0~~5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR，控制与时序电路等。

输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线。

ADC0809的分辨率为8位，单一5V供电，功耗为15mW，不必进行零点和满刻度调整，外部时钟频率范围为10KHz~~1280KHz，ADC0809和AT89S51的硬件接口有三种方式：

查询方式、中断方式、等待延时方式，此测量仪采用中断方式。

利用单片机对7FFFH口写数据启动A/D转换器，A/D转换结束时ADC0809的EOC向AT89C51发出中断请求信号，CPU响应中断请求信号，并通过对7FFFH口的读操作，读取转换结果，并存入被测量的缓存单元中。

再重新选择被测量（修改各相关指针），再次启动A/D转换后，中断返回。

A∕D转换器ADC0809与单片机的连接实现的数据转换电路如下图3.2所示

图3.2数据转换电路

3.3数据显示电路

ADC0809的8个通道我们这里只用了一个，连接温度传感器的测量和放大电路的输出。

ADC0809通道0输入的模拟电压转换成数字量，要送往显示缓冲区驱动指示灯显示数值。

单片机系统中常用的显示器有发光二极管、七段数码显示器、液晶显示器等。

其中LED显示器从外观可分为“8”字形的七段数码管、米字形数码管、点阵块、矩形平面显示器、数字笔划显示器等。

本设计采用发光二极管简称LED（LightEmittingDiode）显示数值，七段LED数码管显示器能够显示十进制或十六进制数字及某些简单字符。

但控制简单，使用方便，在单片机系统中应用较多，其结构如图3.3（a）所示。

数码显示管a～g七个笔划（段）及小数点dp均为发光二极管。

数码管显示器根据公共端的连接方式，可以分为共阴极数码管和共阳极数码管。

共阳极数码管连接如图3.3（b）

图3.3（a）图3.3（b）

单片机系统扩展LED数码管时多用共阳LED。

共阳数码管每个段笔画是用低电平（“0”）点亮的，要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平（“0”）点亮的，要求驱动功率较大。

通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻，而且它的主要特点是坚固耐用，驱动简单，价格低，特别适合电子试验。

因此LED被广泛用于各种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。

经AT89C51单片机处理后的信号经373类锁存器与LED数码管相连，由译码驱动器和LED数码管知，只要接通+5电源和将十进制数的BCD码接至译码器的相应输入端，即可显示0到9的数字。

显示电路如图3.4所示

图3.4显示电路

4所用元器件介绍

4.1集成温度传感器AD590M

4.1.1AD590简介

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，具有体积小、反应快、测量精度高、稳定性好、校准方便和价格低等优点，因而获得了广泛的应用。

它的主要特性如下：

（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：

（4.1）

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的电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

另外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710MΩ。

（5）精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其