数字远程温度测量讲解

1、数字远程温度测量数字远程温度测量 专业班级：电 子 1035 班 学 号： 20312221 姓名： 蔡 则 亚 时 间：1 月 1 日 -1 月 12 日 指导教师：皇 埔 立 群 2007 年 1 月 9 日 2 1 设计要求设计要求 基本范围-50-150 精度误差小于 0.2 LED 数码直读显示 可远距离测量温度 数字远程温度测量数字远程温度测量 摘要：摘要：本设计根据课题要求，主控器单元是单片机 AT89C51 和 V/F 转换器 AD654，选用完全符合测量温度范围要 求且价格低廉的 AD590 作为温度传感器，信号的调理主要由失调电压很低、线性误差极小的高精度仪用放大器 AD6

2、22(也可以用三个 LM324 组成的减法器)来完成。具有温度数码显示（精确到 0.1 度） ，超出量程报警（红色 LED 管 或用蜂鸣器）及自动断电等功能；也符合目前对工业现场参数远程监控的要求（用方波传数据，抗干扰强）！ 经过各 项实验测试，该系统的性能指标达到了任务书的基本要求！该系统根据需要，稍加改造可方便地移植于对压力、液位、 流量等方面的检测,其实就是换一个传感器就可以了！ 关键词：关键词：单片机，数字控制，温度远程测量，电压频率转换器, AD654，AT89C51, 1 引言引言 该设计控制器使用单片机 AT89C51，测温传感器使用 AD654，用 4 位共阳极 LED 数码管

3、实现温度显示,能准确达到 以上要求。 2 总体设计方案总体设计方案 2.12.1 数字温度计设计方案论证数字温度计设计方案论证 按照系统的设计功能要求，本时钟温度系统的设计应采用单片机软件系统实现,这样会减少元器件的数目及成本， 用单片机的自动控制能力来控制时钟, 数据的处理, 温度的显示。所以，我首先选择了 ATMEL 公司的单片机 AT89C51，也可以用 AT89C2051。 2.1.1 方案一 由于本设计是测温电路，使用热敏电阻类器件作为感温器件(找了很多这样的器件, 精度达不到要求)，然后把变化 的电压或电流采集下来，进行 A/D 转换器（如：ADC0809）转换后，送到单片机进行数

4、据处理，然后就可以将被测温度 显示出来。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性 输出特性等，常用的热电阻如 PT100、PT1000 等。这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55+125，而 且温度的测量精度都不高，好的才0.5,一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。这种设计感 温电路麻烦，数据准确度也不高，精度达不到要求,而且我对此了解不多，就放弃了。 2.1.2 方案二 进而考虑到用温度传感器，刚开始时找到了 LM92，是美国国家半导体公司近期生产的一种高精度数字温度传感器,内 含 12 b 温度 A/D 转换

5、器,工作电压：2.7+5.5 V;测温范围：-55150 ;精度：0.333 （30 时）。精度 达不到要求，没用它！又找到 AD 公司生产的数字温度传感器 AD741X 系列内部包括一个温度传感器和一个 10 位 A/D 转换器，精度可达 0.25，要不是精度不够，我就用了！找了很多温度传感器，从多方面考虑，最后采用温度传感器 AD590，价格廉价，精度高，但功能不是很强！ 使用温度传感器，然后把变化的电压采集下来，进行 V/F 转换器 AD654 转换后，送到单片机进行数据处理，然后 就可以将被测温度显示出来！ 从以上两种方案，采用方案二，电路比较简单，可以达到要求(主要是精度)，故采用了

6、方案二。 2.22.2 方案二的总体设计框图方案二的总体设计框图 温度计电路设计总体设计方框图如图 1 所示，主控制器件采用单片机 AT89C51 或 AT89C2051，温度传感器采用 AD590，用一个红色发光二极管(或蜂鸣器)显示超出量程, 用 4 位 LED 数码管实现温度显示。 3 主 控 器 件 AT89C51 也 可 以 换 为: AT89C2051 温 度 采 集 调节输出电压值 V / F 转 换 显 示 电 路 超出量程显示 复位电路及晶振 图 1总体设计方框图 2.2.1 主控制器 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8

7、 位微处理器。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中，ATMEL 的 AT89C51 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。 2.2.2 显示电路 显示电路采用 4 位共阳 LED 数码管，其中一个是显示负号或1的 ，由 P1 口控制；其他三个共阳 LED 数码管由 P0 口控制进行动态扫描显示！ 2.2.3 温度传感器 温度传感器 AD590 具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。AD590 是美国 模拟器件公司生产的单片集成电路温度传感器。 1 流过器

8、件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。 2 NAD590 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，电流变化 1mA，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 710MW。 5 精度高。AD590 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。 AD590 测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温 度控制场合。由于

9、 AD590 精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。 4 在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于 AD590 为电流输出元件，它的温度每升高 1K，电流就增加 1 A。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，为了使此电阻精确（0 1），可用一个 96k 的电阻与一个 1k 电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的 10k。 23 硬件电路的设计：硬件电路的设计： 放大器的选择放大器的选择 放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据相关资料查阅，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有 低噪声、低输入

10、偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图所示，三运放中由 A1、A2 构成 前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一 致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件 R1 与 R2、R3 与 R4、R5 与 R6，还包括 A1 与 A2 放大器的一致性，因此， 要自制高性能的放大器对器件要求相当高。随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内 部 结构是三运放。 摄氏温度AD590 电流经 10K 电压 0273.2 uA2.732V 10283.2 uA2.832 V 20293.2 uA2

11、.932 V 30303.2 uA3.032 V 40313.2 uA3.132 V 50323.2 uA3.232 V 60333.2 uA3.332 V 100373.2 uA3.732 V 5 三运放结构的高性能放大器原理图 AD654 介绍介绍 AD654 是美国模拟器件公司生产的一种低成本，8 脚封装的电压频率(V/F)转换器。它由低漂移输入放大器、精密 振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个 RC 网络，即可构成应用电路。AD654 既可以使用单电源供电，也可使 用双电源供电，且工作电压范围很宽。输出为频率受控于输入电压的方波。可用于信号源、信号调制、解调和 A/D 变换 等。

12、 主要技术性能主要技术性能 单电源供电电压：4.536V 双电源供电电压： 5 18V 输出频率范围：0500kHz 线性误差：0.06%（250kHz 时） 输入阻抗：250M 输入电压范围：单电源 0Vs-4V 双电源 -VsVs-4V 静态电流：2.0mA(Vs=30V 时) 封装形式：8DIP 和 8SOIC 两种 内部电路结构及引脚排列如图 1。 引脚说明引脚说明 +VIN 为输入放大器的同相输入引脚，当模拟输入为正电压时，从该引脚接入。 RT 为输入放大器的反相输入引脚，接定时电阻。 CT 为定时电容引脚，两个 CT 间接定时电容，与定时电阻一起确定输出频率。 FOUT 为振荡信号

13、输出引脚。 LOGIC COMMON 为逻辑地引脚，AD654 的逻辑电平可以取在-Vs 与+Vs-4V 之间。 +Vs，-Vs 分别为正负电源引脚。 6 V/F 变换器实际上是一个振荡频率随控制电压变化而变化的振荡电路。其特点是有良好的精度、线性度和积分输入，且 电路简单。图 2 为微算是器与 V/F 变换器及温度传感器的接口电路。其中 V/F 变换器采用 AD 公司的 AD654。通过调整， AD654 可输出 0500kHz 的脉冲串，将输出与单片机的定时器/计数器 T1 相连进行计数，并用定时器 T0 进行定时。通 过对所计的数进行计算与转换，便可得到传感器当前温度值。 七段显示译码器

14、七段显示译码器 74487448 七段显示译码器 7448 是一种与共阴极数字显示器配合使用的集成译码器，它的功能是将输入的 4 位二进制代码转 换成显示器所需要的七个段信号 ag。 下表为它的逻辑功能表。 ag 为译码输出端。另外，它还有 3 个控制端：试灯输入端 LT、灭零输入端 RBI、特殊 控制端 BI/RBO。其功能为： （1）正常译码显示。LT=1，BI/RBO=1 时，对输入为十进制数 l15 的二进制码（00011111）进行译码，产生对 应的七段显示码。 （2）灭零。当输入 RBI =0 ，而输入为 0 的二进制码 0000 时，则译码器的 ag 输出全 0，使显示器全灭；只

15、有当 RBI =1 时，才产生 0 的七段显示码。所以 RBI 称为灭零输入端。 （3）试灯。当 LT=0 时，无论输入怎样，ag 输出全 1，数码管七段全亮。由此可以检测显示器七个发光段的好坏。 LT 称为试灯输入端。 （4）特殊控制端 BI/RBO。BI/RBO 可以作输入端，也可以作输出端。 作输入使用时，如果 BI=0 时，不管其他输入端为何值，ag 均输出 0，显示器全灭， 。因此 BI 称为灭灯输入端。 作输出端使用时，受控于 RBI。当 RBI=0，输入为 0 的二进制码 0000 时，RBO=0，用以指示该片正处于灭零状态。 所以，RBO 又称为灭零输出端。 将 BI/RBO

16、和 RBI 配合使用，可以实现多位数显示时的“无效 0 消隐”功能。 在多位十进制数码显示时，整数前和小数后的 0 是无意义的，称为“无效 0” 。 在图 4.3.12 所示的多位数码显示系 统中，就可将无效 0 灭掉。从图中可见，由于整数部分 7448 除最高位的 RBI 接 0、最低位的 RBI 接 1 外，其余各位的 RBI 均接受高位的 RBO 输出信号。所以整数部分只有在高位是 0，而且被熄灭时，低位才有灭零输入信号。同理，小数部分除最高位的 RBI 接 1、最低位的 RBI 接 0 外，其余各位均接受低位的 RBO 输出信号。所以小数部分只有在低位是 0、而且被熄灭时，高位 才有灭

17、零输入信号。从而实现了多位十进制数码显示器的“无效 0 消隐”功能。 7 七段显示译码器 7448 的逻辑功能表 输入输入/输 出 输出功能 （输入） LT RBIA3 A2 A1 A0BI/RBOa b c d e f g 显示 字形 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 灭灯 灭零 试灯 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1

18、1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0

19、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 七段七段 LEDLED 显示器显示器 七段 LED 显示器的工作原理 ：七段 LED 显示器是有七个 LED 发光二极管按一定的图形排列组成。七段 LED 显示器的各个二极管分别称为 a,b,c,d,e,f,g 段 , 有些七段显示器增加一个 dp 段表示小数点，也成为八段 LED 显 示器。 8 七段 LED 显示器有两种结构：共阴极七段 LED 显示器和共阳极七段 LED 显示器，如图 10-11 （ b ）（ c ） 所示。 所有二极管的阴极接在一起的称为共阴极七段 LED 显示器；所有二极管的阳

20、极接在一起的称为共阳极七段 LED 显示器。 共阴极七段 LED 显示器的各个二极管阳极接高电平“ 1 ” ，公共阴极接低电平“ 0 ” 时，则点亮各段；公共阴极 接高电平“ 1 ” 时，则熄灭各段。共阴极七段 LED 显示器的各个二极管阳极接高电平“ 1 ” ，公共阴极接低电平 “ 0 ” 时，则熄灭各段。共阳极七段 LED 显示器工作时，其公共极接到高电平， LED 的阴极则接到低电平。 LED 显示器的驱动： LED 显示器的驱动 由于 LED 是电流发光器件，加到 LED 显示器上的段码首先应通过驱动电路，产生驱动 LED 发光所需的驱动电流。驱 动电路可以由三极管组成，也可以是 其它

21、具有驱动能力的集成电路，如 MC1413 ， 74LS07 ， 74LS244 等。 LED 的译码原理： 用专用芯片完成段译码的示意（共阳极） 9 为了将一个 4 位二进制数（可能为一个十六进制，也可能为一个 BCD 码）在一个 LED 上显示出来，就需要将 4 位二 进制数译为 LED 的 7 位显示段码。 7447 （即采用专用的带驱动器的 LED 段译码器）可以实现对 BCD 码的译码，但 不能对大于 9 的 BCD 码进行译码。 7447 有 4 个输入端， 7 个输出端。使用时，只要将 7447 的输入端与主机系统 输出端口的某 4 个数据位（也可以和存储器的某 4 位输出）相连，

22、而 7447 的 7 位输出直接与 LED 的 A G 相 接，便可实现对 1 位 BCD 码的显示。 7448 与 7447 原理相似！ 2.42.4 系统整体硬件电路系统整体硬件电路 单片机 AT89C51 部分，它控制着数据显示、温度数据处理功能。如下有采样和 A/D 转换之间的电路图,单片机接口 电路,根据以上各功能模块得到应用电路总原理图。 11 12 3 系统软件算法分析系统软件算法分析 系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。用 中断方式，而不是查询，大大的提高了 AT89C51 的效率！ 3.1 主程序主程序 主程序的主

23、要功能是负责温度的实时显示，温度测量每 32.768ms 测一次温度！ 开 始 程 序 初 始 化 设定定时计数工作模式 启动 T0，T1 显 示 程 序 R5=1？ R5=0？ N Y Y N 13 3.23.2 T1T1 中断程序框图中断程序框图: : T1 中断入口开始 清 零 TF1 堆栈重要数据及 PSW R7 自加 1 中断恢复及返回 3.3T0T0 中断程序框图中断程序框图 14 中断开始 保护现场 R5=0? TF1=1? TF1 清 零 R7 自加 1 读入 TL1,关闭 T1 LCALL 数据处理子程序 输出数据的调整程序 给 T0 赋初值 给 R5 赋#01H 中断返回

24、R5=1？ R5=2 给 T0 赋初值 中断返回 R5=2? R5=3 给 T0 赋初值 中断返回 R5=4 R5=3? 给 T0 赋初值 中断返回 R5=0 给 T0 赋初值 开启 T1 给 T1 赋初值 中断返回 TTTT TTTT N N 15 3.4 计算温度子程序计算温度子程序 计算温度子程序进行 BCD 码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如下. 开始 判断 R7 大小程序 LJMP 程序 确定符号位子程序 确定小数位子程序 确定个位子程序 确定十位子程序 程序返回 4 仿真结果仿真结果 采样电路仿真结果：采样电路仿真结果： 16 R1 100k R3 9.1k D1

25、 1N4097 R12 2K _LIN Key = A 50% V1 9 V VCC 3V U1 OPAMP_3T_VIRTUAL R2 1.0k R4 1.0k R5 1.0k R6 1.0k R7 200K _LIN Key = A 50% XMM1 XMM2 XMM3 XMM4 17 5程序清单：程序清单： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP ST0 ORG 001BH LJMP ST1 ORG 0030H MAIN: MOV SP, #70H MOV TMOD, #60H ;设定 0 模 0，计 1 模 1 MOV TH0,#63H MOV TL0,#

26、18H MOV TH1,#05H MOV TL1,#05H SETB TR0 SETB TR1 MOV R5,#00H MOV R6,#0AH MOV R3,#01H MOV A,#0FFH CLR CY SUBB A,R0 MOV B,R6 DIV AB MOV R2,B MOV B,R6 DIV AB MOV R1,B MOV R0,A RET TWO: CJNE A,#02H,THREE MOV R3,#00H MOV A,R0 CLR CY SUBB A,#05H MOV B,R6 19 MOV R7,#00H WAIT: CJNE R5,#00H,OUTR3 LJMP WAIT OU

27、TR3: CJNE R5,#01H,OUTR0 CLR P2.2 CLR P2.1 ;选中符号管 MOV P1,R3 OUTR3T: CJNE R5,#01H,OUTR0 LJMP OUTR3T OUTR0: CJNE R5,#02H,OUTR1 CLR P2.2 MOV P0,R0 OUTR0T: CJNE R5,#02H,OUTR1 LJMP OUTR0T OUTR1: CJNE R5,#03H,OUTR2 SETB P2.2 MOV P0,R1 OUTR1T: CJNE R5,#03H,OUTR2 LJMP OUTR1T OUTR2: CJNE R5,#04H,OUTR2 CLR P2.

28、2 MOV P0,R2 OUTR2T: CJNE R5,#04H,OUTWAIT LJMP OUTR2T OUTWAIT: CJNE R5, #00H, OUTR3 LJMP WAIT ST1: CLR TF1 PUSH PSW INC R7 RETI ST0: CLR TF0 PUSH PSW MOV A,R5 CJNE A,#00H,OUTSIGN JNB TF1,MZDD CLR TF1 INC R7 MZDD: MOV R0,TL1 MOV TL1,#05H MOV A ,R7 MOV R7,#00H CLR TR1 ;停止计数器 1 LCALL CHLSHJ MOV A, #0E0H

29、 ADD A, R0 MOV R0, A DIV AB MOV R2,B MOV B,R6 DIV AB MOV R1,B MOV R0,A RET THREE: CJNE A,#03H,FOUR MOV R3,#00H MOV A,R0 CLR CY SUBB A,#05H MOV B,R6 DIV AB MOV R2,B MOV B,R6 DIV AB MOV R4,A MOV B ,A ADD A ,#05H MOV R1,B MOV A,R4 ADD A,#02H MOV R0,A RET FOUR: CJNE A,#04H,FIVE MOV R3,#00H MOV A,R0 CLR

30、CY SUBB A,#05H MOV B,R6 DIV AB MOV R2,B MOV B,R6 DIV AB MOV R1,B ADD A,#05H MOV R0,A RET FIVE: CJNE A,#05H,SIX MOV R3,#00H MOV A,R0 CLR CY SUBB A,#05H MOV B,R6 DIV AB 2 MOV A, #0D0H ADD A, R1 MOV R1, A MOV A, #0B0H ADD A, R2 MOV R2, A MOV R5, #01H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H RETI OUTSIGN: CJNE A, #01H

31、,OUTTEN MOV R5,#02H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H RETI OUTTEN: CJNE A, #02H,OUTGV MOV R5,#03H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H RETI OUTGV: CJNE A, #03H,OUTXSH MOV R5,#04H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H RETI OUTXSH: MOV R5,#00H MOV TH0,#63H MOV TL0,#18H SETB TR1 MOV TL1,#05H MOV TH1,#05H RETI CHLSHJ: CJNE A,#00H,ONE MOV R3,#01H MOV A, #0FFH CLR CY SUBB A,R0 MOV B,R6 DIV AB MOV R2,B ADD A, #19H MOV B,R6 DIV AB MOV R1,B MOV R0,A RET MOV R2,B MOV B,R6 DIV AB MOV R4,A MOV A,B ADD A,#05H MOV R1,A MOV A, R4 MOV A,#07H MOV R0,A RET SIX: CJNE A,#06