毕业设计（论文）基于单片机基础的数字温度计设计

1、成都理工大学工程技术学院毕业论文基于单片机基础的数字温度计设计姓 名：专业名称：指导教师： 基于单片机基础的数字温度计设计摘要现代测温应用中，温度计向数字化方向发展。传统的机遇物理方法的温度计功能单一，而数字温度计以其便携，检测精度高，功能多等优点应用的越来越广泛。论文研究四位数字温度计的设计与实现，并采用protues软件和keil软件来对其进行仿真，其功能旨在将ad590因温度变化，导致电流变化，经opa转换为电压变化输入adc0804，输出电压经a/d转换后，其值由8751处理，最后将其显示在4个七段显示器上。论文首先简要介绍了总体设计及思路，然后详细介绍硬件和软件，以及各个功能模块的实

2、现细节等。数字温度计在现代测温应用方面具有诸多优势，值得进一步学习和研究。关键词：单片机8751；温度传感器ad590；数字温度计；模数转换；数码显示- iv -abstractmodern measuring temperature applications, the thermometer digitalized development direction. the traditional method of physical function of opportunity, and a thermometer in the portable digital thermometer, hi

3、gh accuracy, the function is much more widespread application etc .research four-digit thermometer of design and implementation, and protues keil software and using of the software simulation, its function to be caused by the temperature changes, ad590 to change the current, voltage change opa conve

4、rting input, output voltage adc0804 via a/d conversion, the value of 8751 processing, the display in the last four 7 on display. paper firstly introduces the overall design and thinking, and then introduced hardware and software, and the various modules of the implementation details.keywords: 8751 m

5、icrocontroller, the temperature sensor ad590, digital thermometer, frequency-field, digital display目录摘要iabstractii目录iii前言11总体设计方案及相关器件说明21.1总体设计方案21.2 重要性能指标21.3 相关器件说明31.3.1 传感器adc590的介绍31.3.2 adc0804的介绍71.3.3 8051单片机的引脚功能介绍81.3.4 7447译码器的介绍102 硬件电路设计132.1 硬件电路主要模块132.2 主要模块功能介绍142.2.1 ad590单片集成两端感

6、温电流源142.2.2 adc0804模数转换器162.2.3七段码led温度显示电路173 软件设计和功能说明183.1系统主程序183.2 十进制数据转换调整子程序193.3 led数码显示子程序204 proteus仿真214.1 protues简介214.1.1 进入protues isis214.1.2 工作界面214.2 仿真结果图22总结24致谢25参考文献26附件271 总体电路图272 程序28前言数字温度计作为一种读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示的测温仪器，已经广泛应用于现代测温应用中。最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略发明的。他的第一只温度

7、计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。这种温度计，受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。荷兰人华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银作为测量物质，制造了更精确的温度计。把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0，把纯水凝固时的温度定为32，把标准大气压下水沸腾的温度定为212，用代表华氏温度，这就是华氏温度计。 随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度传感器ad590具有线性优良、性能稳定、灵敏度

8、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。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，本文作者利用集成温度传感器ad590设计并制作了一款基于at89c51的4位数码管显示的数字温度计，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。1总体设计方案及相关器件说明1.1总体设计方案本设计是测温电路，使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，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温度是非电量模拟信号，数字显示温度就必须将这一非电量信号转换成电量（电压或电

9、流），然后将模拟电信号经a/d转换器转换成数字信号，最后经译码显示器显示温度值。由论述可知，所设计的这种温度计的功能是传统的物理温度计无法完成的。在分析之后决定采用单片机8051为核心，加上ad590测温电路、adc模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。1.2 重要性能指标本电路旨在将ad590（0时为273.2ua）因温度变化，导致电流变化（1ua / ），经opa转换为电压变化输入adc0804，输入电压vin(0-5v之间)经ad转换后，其值由8751处理，最后显示在d4,d3,d2,d1共4各七段显示器。该温度计所显示测量范围0-100。1.3 相关器件说明1

10、.3.1 传感器adc590的介绍1.3.1.1 ad590主要特性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：1,流过器件的电流（ua）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：it/t=1 ua/k式中： it流过器件（ad590）的电流，单位为ua；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it变化1ua，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710兆欧。5、精度高。a

11、d590 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。1.3.1.2 ad590的应用电路1、基本应用电路图 1.1（a）是ad590 的封装形式，图1-1（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1k欧时，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vo=273.2+2

12、5=298.2（mv）。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度。图1.1 ad590的封装基本应用电路2、摄氏温度测量电路如图 1.2 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

13、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。图1.2 用于测试摄氏温度的电路3、温差测量电路及其应用(1). 电路与原理分析图 1.3是利用两个ad590 测量两点温度差的电路。在反馈电阻为100k欧的情况下，设1#和2#ad590 处的温度分别为t1（）和t2 （），则输出电压为( t1-t2 )100mv/ .图中电位器r2用于调零。电位器 r4 用于调整运放lf355 的

14、增益。由基尔霍夫电流定律：i + i2 = i1 + i3 + i4 （1）由运算放大器的特性知：i3 = 0 （2）va = 0 （3）调节调零电位器r2使： i4 = 0 （4）由（1）、（2）、（4）可得： i = i1 i2设：r4=90k欧则有：v = i（r3 + r4） = （i1i2）*（r3 +r4）= ( t1 - t2 )100mv/ （5）其中， (t1 - t2 )为温度差，单位为。由式（5）知，改变(r3 + r4 )的值可以改变vo的大小。(2). 应用举例以某节能型药材仓库温、湿度控制系统为例，若要求库房温度低于t ， 相对湿度低于a1b1%rh。则采取的两种控

15、制模式如下：控制模式一：当库内相对湿度高于 a1b1%rh且库外温度低于t时，进行库内外通风。这种方式是利用库内外湿度差进行空气的交换，以达到库内除湿的要求，其优点是高效、节能、节省资金。但这种方式受到严格的控制。首先，库外的相对湿度要低于库内的，它们之间的差要大于a2b2%rh，这样才能有效保证及时地进行库内的除湿。其次，库内库外的温度差要小于t，这是因为，如果在库外温度远高于库内温度时进行通风，热空气进入库区后遇上冷空气就会造成药品、器材表面结露的现象，进而影响药品和器材的质量。反之，如果在库内温度远高于库外温度时进行通风，冷空气进库内后也会在药品器材表面结露。另外，库外温度不能接近t。这

16、是因为，如果库外温度接近t时进行通风，很可能使密闭的库温升高，从而超过温度上限t。控制模式二：当温度高于 t或湿度高于a1b1%rh 但不满足第一种情况时，开启冷冻空调机组进行库内降温除湿。为避免因库内外温差过大通风时药品、器材表面结露的现象，必须严格控制系统温差值的精度。传统的测温差方法是对两点温度分别进行处理（调理电路、a/d、运算处理）后求差值，此方法所得温差精度低。库内外温差测量可采用图1-3 所示电路，利用温差值直接与设定值相比较，既能保证较高的精度，又简化了系统的软件设计，提高了系统的可靠性。4、n 点最低温度值的测量将不同测温点上的数个 ad590 相串联，可测出所有测量点上的温

17、度最低值。该方法可应用于测量多点最低温度的场合。5、n 点温度平均值的测量把 n 个ad590 并联起来，将电流求和后取平均，则可求出平均温度。该方法适用于需要多点平均温度但不需要各点具体温度的场合。图1.3 测试两点温度差的电路1.3.2 adc0804的介绍1，adc0804主要技术指标如下： (1) 高阻抗状态输出 (2) 分辨率：8 位(0255) (3) 存取时间：135 ms (4) 转换时间：100 ms (5) 总误差：-1+1lsb (6) 工作温度：adc0804c为0度70度；adc0804l为-40 度85 度 (7) 模拟输入电压范围：0v5v (8) 参考电压：2.

18、5v (9) 工作电压：5v (10) 输出为三态结构2，adc0804引脚功能 接脚说明见下图1.4：adc0804 为一只具有20引脚8位cmos 连续近似的a/d 转换器，图1.4 adc0804引脚图1.3.3 8051单片机的引脚功能介绍我们先来了解一下引脚图，如图1.5，具体功能在如下：单片机的40个引脚大致分为4类：电源、时钟、控制和i/o引脚。 1，电源：（1）vcc-芯片电源，接+5v； （2）vss-接地端；2，时钟：xtal1、xtal2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3，控制线：控制线共有4根 （1）ale/prog：地址锁存允许/片内eprom编程脉冲。 ale功能

19、：用来锁存p0口送出的低8位地址 prom功能：片内有eprom的芯片，在eprom编程期间，此引脚输入编程脉冲。 （2）psen：外rom读选通信号。 （3）rst/vpd：复位/备用电源。 rst功能：复位信号输入端。 vpd功能：在vcc掉电情况下，接备用电源。 （4）ea/vpp：内外rom选择/片内eprom编程电源。 ea功能：内外rom选择端。 vpp功能：片内有eprom的芯片，在eprom编程期间，施加编程电源vpp。4，i/o线 80c51共有4个8位并行i/o端口：p0、p1、p2、p3口，共32个引脚。p3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

20、图1.5 51单片机引脚图及引脚功能1.3.4 7447译码器的介绍工作电压5v图1.6为7447集成电路译码器之引脚图与真值表如表1.1。在正常操作时，当输入dcba=0010 则输出abcdefg=0010010。故使显示器显示2。当输入dcba=0110 时，输出abcdeg=1100000，显示器显示6。图1.6 dm7447a dm5447a 引脚功能图表1.1 dm7447a dm5447a 真值表在7447 中尚有lt、rbi 与bi/rbo 之控制脚，其功能分述如下:该电路是由与非门、输入缓冲器和7 个与或非门组成的bcd-7 段译码器/驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的

21、输出可直接驱动显示器。7 个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的bcd 数据及其补码至7 个与或非译码门。剩下的与非门和3 个输入缓冲器作为试灯输入（lt）端、灭灯输入/动态灭灯输出(bi/rbo)端及动态灭灯输入(rbi )端。该电路接受4 位二进制编码十进制数（bcd）输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。输出结构设计成能承受7 段显示所需要的相当高的电压。驱动显示器各段所需的高达24ma 的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供bcd 输入计数9 以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一信号。该电路有自动前、后沿灭零控制（rbi和rbo）。试灯（lt）可在端处在

22、高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（bi），它用来控制灯的亮度或禁止输出。该电路在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或直接驱动白炽灯指示器。 7447 之输出是为驱动器设计，其逻辑0 之吸入电流高达40ma，故在使用必须加入330 左右电阻加以限流，以免过大电流流经led 而烧毁显示器，如图1.7 所示。图1.7 显示器保护电路2 硬件电路设计2.1 硬件电路主要模块设计单片机数字温度计需要考虑以下3个方面温度传感器芯片的选择；单片机和温度传感器的接口电路；控制温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的软件。单片机的接口信号是数字信号。要想用单片机获取温度这类非电信号的信息,必须使用

23、温度传感器,将温度信息转换为电流或电压输出。如果转换后的电流或电压输出是模拟信号,还必须进行a/d转换,以满足单片机接口的需要。传统的温度检测大多以热敏电阻作为温度传感器。但是,热敏电阻的可靠性较差、测量温度准确率低,而且还必须经专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理。20世纪90年代中期出现了智能温度传感器(亦称数字温度传感器)。智能温度传感器的内部都包含温度传感器、a/d转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路,其特点是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(mcu)。其中ad590就是一种广泛应用的温度传感器，它具有体积小，反应快，稳定性好，测

24、量精度高等优点。本次温度计设计决定采用单片机8051为核心的系统设计。主要有以下几个模块：ad590测温电路、adc模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等。如图2.1所示。图2.1 硬件主要模块2.2 主要模块功能介绍2.2.1 ad590单片集成两端感温电流源ad590 单片集成两端感温电流源。由美国模拟器件公司生产，测温范围为55150，满足人们日常生产和生活中的温度范围。ad590电源电压可在4v6v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1a。

25、ad590温度与电流的关系如下表所示：表2.1 ad590温度与电流的关系为了提高精度，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10k的电阻时，这个电阻上的压降为10mv，即转换成10mvk，为了使此10k电阻精确，可用一个9k的电阻与一个2k的电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10k。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。

26、具体硬件连接图如图2.2所示。图2.2 ad590温度采集及模数转换电路2.2.2 adc0804模数转换器adc0804 a/d转换器，将输入电压转换为三态结构输出。ad590测温电路输出的电压信号为模拟信号，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。为此我们通过a/d转换器adc0804将输入的模拟值转换成数字值，经at89c51单片机处理后输出到p1以控制温度显示电路。adc0804是用cmos集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05v，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5v。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以

27、直接连接在cpu数据总线上，无须附加逻辑接口电路。具体硬件连接图如图2.2所示。2.2.3七段码led温度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。该数字温度计的温度显示由4位七段码led显示器组成，单片机以并行通信方式从p1.0p1.7口输出段码和控制信号，通过7447 ttl bcd译码器译码，用4个共阳极led动态显示温度的各个数位。如图2.3所示。图2.3温度显示及单片机时钟、复位电路3 软件设计和功能说明3.1系统主程序在主程序中，系统上电自动复位以后首先设置堆栈，然后启动adc0804，开始转换ad590测温电路输入

28、的电信号，待数据转换结束后读入到累加器a，然后进行十进制数据转换调整，输出给显示电路。主程序流程图如图3.1所示。图3.1 主程序流程图3.2 十进制数据转换调整子程序由于adc0804转换后的数据是二进制数据，而七段码led显示器所要显示的数据是十进制数据，因此需要进行二、十进制数据转换。adc0804输出的最大转换值为ffh(255)，由于运放3放大5倍，因此本数字温度计的最大测量温度为5.1v/51.02，即102。由255*=102，得知0.4，即先乘再除10。255*4=1020，其中高位10送高位显示缓冲区r4，低位20送低位显示缓冲区r5，将小数点设在d2位上，并将其分别显示为1

29、(d4) 0(d3) 2(d2) . 0(d1) 。所以，十进制转换调整流程为a/d（二进制）十进制乘4显示。程序流程图如图3.2所示。图3.2十进制数据转换调整子程序流程图3.3 led数码显示子程序十进制转换调整后的数据送到寄存器r5、r4中，然后通过p1口把数据输出给d4、d3、d2、d1四个数码显示器中，从而最终把测得的温度显示出来。显示子程序流程图如图3.3所示。图3.3显示子程序流程图4 proteus仿真4.1 protues简介4.1.1 进入protues isis双击桌面上的isis 6 professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”“程序”“proteus 6

30、professional” “isis 6 professional”，出现如图4.1所示屏幕，表明进入proteus isis集成环境。图4.1 启动时的屏幕4.1.2 工作界面proteus isis的工作界面是一种标准的windows界面，如图4.2所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。图4.2 proteus isis的工作界面4.2 仿真结果图当vin+=0v时，温度计显示0。 当vin+=2.5v时，温度计显示50。总结论文主要介绍了数字温度计的设计过程，设计重点在于

31、怎样把各个相互独立的模块通过有机的组合，最终达到所需功能的实现。通过该论文的设计，我受益匪浅，让我了解并掌握了protues软件以及keil软件的操作与应用，更重要的是让我明白了很多以前自己似懂非懂的知识，理解了软件对硬件的控制以及硬件对软件的制约。更让我深刻领悟到“实践出真知”这句俗语。总的来说，此次毕业设计让我将书本知识和实践相联系，让我更好的理解与掌握所学的东西，同时也学到了很多新的知识，增强了我的思维能力，也丰富了我的实战经验。最后敬请老师对论文提出宝贵的指导意见和建议。致谢在本论文的写作过程中，我的导师兰英老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的

32、具体问题，严格把关，循循善诱。她严谨细致、一丝不苟的作风是我工作、学习中的榜样，她不拘一格的思路给予我无尽的启迪，在此我表示衷心感谢！同时我还要感谢学院领导，是你们给了我们如此好的学习环境。感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。再见理工，再见我的母校！参考文献1 郭亨礼. 传感器实用电路m.上海科学技术出版社.19922 高晓蓉. 传感器技术m.西南交通大学出版社.20033 黄继昌. 传感器工作原理及应用实例m.人民邮电出版社.19984 陈杰. 传感器与检测技术m.高等教育出版

33、社.20025 张迎新. 单片机初级教程m.北京航空航天大学出版社.20006 谢宜仁. 单片机实用技术问答m.人民邮电出版社.20037 康华光. 电子技术基础数字部分m.高等教育出版社.19888 高吉祥. 数字电子技术m.电子工业出版社.20039 康华光. 电子技术基础模拟部分m.高等教育出版社.198810 周航慈. 单片机程序设计基础m.北京航空航天大学出社.200311 何立民. 单片机高级教程m.北京航空航天大学出版社.2000 12 肖来胜. 单片机技术实用教程m.华中科技大学出版社.200413 韩全立. 单片机控制技术及应用m.电子工业出版社.200114 陈汝全. 单片机实用技术m.电子工业出版社.199215 卜益民. 模拟电子技术m.北京邮电大学出版社.200516 陈小忠. 单片机接口技术实用子程序m.人民邮电出版社.200517 朱善君. 单片机接口技术与应用m.清华大学出版社.200