基于單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計的設(shè)計

摘要：基于實際應(yīng)用中許多場合對溫度高精度測量的需求，利用ATF1504芯片與單片機(jī)最小系統(tǒng)，采用等精度頻率測量技術(shù)，設(shè)計了一款高精度數(shù)字溫度計。該方案采用ATF1504芯片作為可編程邏輯器件，以高靈敏度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻為溫度傳感器。利用ATF1504芯片與單片機(jī)配合完成待測信號頻率的精確測量，從而實現(xiàn)溫度的精確測量。實驗數(shù)據(jù)表明該溫度計的測溫相對誤差小于0.3%。

溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y量和控制的一個物理量。傳統(tǒng)的溫度計有反應(yīng)速度慢、讀數(shù)麻煩、測量精度不高、誤差大等缺點，而在某些特定的場合，器材設(shè)備對溫度的要求極高，設(shè)計一種高精度的溫度計就顯得十分有意義。設(shè)計的高精度溫度計有著線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了模塊化、電路簡單等優(yōu)點。

1 設(shè)計方案

熱敏電阻是對溫度變化非常敏感的電阻元件，它在測溫技術(shù)、無線電技術(shù)、自動化和遙控等方面都得到廣泛的應(yīng)用。熱敏電阻能夠?qū)h(huán)境溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻自身阻值的變化，它將溫度的變化轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電信號的變化，再由外電路把該電信號轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可處理的脈沖(頻率)信號，由單片機(jī)來直接處理。熱敏電阻構(gòu)成的555振蕩電路能夠?qū)崿F(xiàn)由電阻到頻率的轉(zhuǎn)換功能，建立起由溫度到電阻值再到頻率的對應(yīng)關(guān)系。處理器對頻率信號的處理精度直接影響著溫度測量的精度，采用等精度測頻方案能夠滿足精度的要求，設(shè)計中采用查表法和插值法來建立頻率與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

設(shè)計的數(shù)字溫度計主要由下面4部分組成：溫度傳感部分、等精度測頻部分、頻率溫度轉(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)緩存及顯示部分，原理圖如圖1所示。設(shè)計中用到的主要模塊有：1)單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。2)CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)。復(fù)雜可編程邏輯器件。其具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計制造成本低、對設(shè)計者的硬件經(jīng)驗要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、保密性強(qiáng)、價格大眾化等特點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“與或陣列”，該結(jié)構(gòu)來自于典型的PAL、GAL器件的結(jié)構(gòu)。任意一個組合邏輯都可以用“與-或”表達(dá)式來描述，所以該“與或陣列”結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)大量的組合邏輯功能。CPLD最基本的單元是宏單元。一個宏單元包含一個寄存器(使用多達(dá)16個乘積項作為其輸入)及其他有用特性。因為每個宏單元用了16個乘積項，因此設(shè)計人員可部署大量的組合邏輯而不用增加額外的路徑。單片機(jī)與CPLD之間的三總線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2 硬件部分設(shè)計

2.1 溫度與頻率轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計

由熱敏電阻與555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路如圖3所示，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)由溫度變化到電阻變化再到頻率變化的變換。

555振蕩電路頻率：

其中Rn是熱敏電阻NTC，C為放電電容，RN是在額定溫度TN（K）時的NTC熱敏電阻阻值，T規(guī)定溫度（K），B是NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由以上兩個公式可將建立起由溫度到電阻值，再由電阻值到頻率的換算關(guān)系，實現(xiàn)頻率到溫度的轉(zhuǎn)換：

1）555電路的振蕩頻率：f=1/（（R1+2RT1）C1ln2），即頻率與電阻值的關(guān)系；

2）半導(dǎo)體熱敏電阻NTC的特性曲線（溫度與電阻的關(guān)系）。在一定溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體材料的電阻RT和絕對溫度T的關(guān)系可表示為：

其中常數(shù)a不僅與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)而且與它的尺寸均有關(guān)，而常數(shù)b僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，常數(shù)a和b可通過實驗方法測得，計算出a和b后，就可以根據(jù)公式（3）計算出溫度值。因為NTC的阻值和溫度之間是指數(shù)關(guān)系，以單片機(jī)為處理器的系統(tǒng)計算這一方程效率很低，因此本文使用查表法與插值法計算溫度，提高了測量的效率，簡化了計算的復(fù)雜性。假設(shè)測溫范圍為-10～50，可先將-10～50分為60段，每一度的氣溫對應(yīng)一段頻率值。然后分別將NE555電路在-10°，-9°，-8°……48°，49°，50°時的輸出頻率實際測試出來并存儲在單片機(jī)的ROM中，建立時鐘頻率與溫度的對應(yīng)表。而在每一個度的溫度段內(nèi)近似認(rèn)為頻率與溫度成線性關(guān)系在實際轉(zhuǎn)換過程中，首先根據(jù)測量的時鐘頻率確定其所在的溫度段，再按線性方程求出此頻率所對應(yīng)的溫度值，由此實現(xiàn)由頻率到溫度的轉(zhuǎn)換。

2.2 等精度測頻電路的實現(xiàn)