数字式温度测量电路设计概述

数字式温度测量电路设计专业班级：电子 1035班姓名：陈艳时间：1月1日 ---1月12日指导教师：皇甫立群2007 年 1 月 9日数字远程温度测量一. 设计目的专业方向课程设计是一项重要的实践性教育环节,是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的,系统的,综合的工程训练.在教师指导下,运用工程的方法,通过一个较复杂课题的设计练习,可使学生通过综合的系统设计,熟悉设计过程,设计要求,完成的工作内容和具体的设计思想。

二. 设计要求及课程简介本课题的具体要求即:基本测量范围-50℃-150℃,精度误差小于0.2℃,非线性度小于0.2%，LED数码直读显示,可远距离测量温度.温度传感器类型较多,近年来集成温度传感器被广泛应用,例如AD590就是一个线性度优良的电流型温度传感器。

使用传感器将温度信号转换为电流信号后经放大预处理环节后将输出一个温度成比例的电压信号。

三. 设计分析数字式温度测量是采用数码管直接显示出被测温度值,这种数字显示不仅直观,测量精度高而且便于控制.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AD622(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！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数码管实现温度显示,能准确达到以上要求。

四. 总体设计方案1.设计方案论证⑴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。

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。

⑵方案二：重新考虑用温度传感器，一开始找到了LM92，是美国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转换器,工作电压：＋2.7～+5.5 V;测温范围：-55～＋150 ℃;精度：±0.333 ℃（30 ℃时）。

但精度达不到本设计的要求，放弃！查找到AD公司生产的数字温度传感器AD741X 系列,其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℃，但还是精度不够！找了很多温度传感器，综合考虑，最后还是采用温度传感器AD590，价格廉价，精度高，线性优良,使用方便且适于远距离传送！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，最后就可以将被测温度显示出来！比较上述两种方案，采用方案二，电路比较简单，可以达到要求(主要是精度)，故采用了方案二。

2.方案二的总体设计框图温度测量电路总体设计框图如图1所示，主控器件采用单片机AT89C51或AT89C2051，温度传感器采用AD590，采用一个红色发光二极管(或蜂鸣器)显示超出量程, 4位LED数码管实现温度显示。

图1总体设计方框图五. 硬件电路及设计分析系统整体硬件电路㈠总原理图单片机AT89C51部分，它控制着数据显示、温度数据处理功能。

根据以上各功能模块得到应用电路总原理图。

㈡. 电路分析①温度采集AD590是电流型集成温度传感器, 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）AD590可测量-55℃～+150℃范围的温度, AD590的电源电压工作范围为4V～30V。

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。

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AD590可用于测量热力学温度、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。

图4所示是AD590的内部电路，。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。

T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。

T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。

T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。

R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。

T1～T4是为热效应而设计的连接方式。

而C1和R4则可用来防止寄生振荡。

该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。

T9和T11 的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。

T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：ΔU BE＝（R6－2 R5）I／3R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。

根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE 减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。

实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K。

首先应将电流转换成电压。

由于AD590为电流输出元件，温度每升高1K，电流就呈线性增加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／K，为了使此电阻精确（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。

②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和闪烁存储器集成在单个芯片中，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。

③显示电路显示电路采用4个共阳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！七段显示译码器7448的逻辑功能表④放大器的选择本设计中电压放大器应具有高输入电阻、低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求,采用自制的三运放结构，如图所示，三运放中由A1和A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，其输入电阻很高,可获得很高的共模抑制比和低漂移特性.后级A3为差动输入放大电路，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的要求就相当高。

随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能仪用放大器，它的内部核心结构是三运放，但如果采用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题。

⑤ AD654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。

主要技术性能：单电源供电电压：4.5～36V；双电源供电电压： 5～ 18V；输出频率范围：0～500kHz；线性误差：0.06%（250kHz时）；输入阻抗：250M ；输入电压范围：单电源 0～Vs-4V；双电源 -Vs～Vs-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：+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。

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0～500kHz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。

六仿真图10R 9 1.1.1.1.20七.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。

1主程序主程序的主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！2. T1中断程序框图:3.T0中断程序框图4 .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：八.程序ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP ST0ORG 001BHLJMP ST1ORG 0030HMAIN: MOV SP, #70HMOV TMOD, #60H ;设定0模0，计1模1MOV TH0,#63HMOV TL0,#18HMOV TH1,#05HMOV TL1,#05HSETB TR0SETB TR1MOV R5,#00HMOV R6,#0AHMOV R7,#00HWAIT: CJNE R5,#00H,OUTR3LJMP W AITOUTR3: CJNE R5,#01H,OUTR0CLR P2.2CLR P2.1 ;选中符号管MOV P1,R3OUTR3T: CJNE R5,#01H,OUTR0LJMP OUTR3TOUTR0: CJNE R5,#02H,OUTR1CLR P2.2MOV P0,R0OUTR0T: CJNE R5,#02H,OUTR1LJMP OUTR0TOUTR1: CJNE R5,#03H,OUTR2SETB P2.2MOV P0,R1OUTR1T: CJNE R5,#03H,OUTR2LJMP OUTR1TOUTR2: CJNE R5,#04H,OUTR2CLR P2.2MOV P0,R2OUTR2T: CJNE R5,#04H,OUTW AITLJMP OUTR2TOUTW AIT: CJNE R5, #00H, OUTR3LJMP WAITST1: CLR TF1PUSH PSWINC R7RETIST0: CLR TF0PUSH PSWMOV A,R5CJNE A,#00H,OUTSIGNJNB TF1,MZDDCLR TF1INC R7MZDD: MOV R0,TL1MOV TL1,#05HMOV A ,R7MOV R7,#00HCLR TR1 ;停止计数器1LCALL CHLSHJMOV A, #0E0HADD A, R0MOV R0, AMOV A, #0D0HADD A, R1MOV R1, AMOV A, #0B0HADD A, R2MOV R2, AMOV R5, #01HMOV TH0,#00HMOV TL0,#00HRETIOUTSIGN: CJNE A, #01H,OUTTENMOV R5,#02HMOV TH0,#00HMOV TL0,#00HRETIOUTTEN: CJNE A, #02H,OUTGVMOV R5,#03HMOV TH0,#00HMOV TL0,#00HRETIOUTGV: CJNE A, #03H,OUTXSHMOV R5,#04HMOV TH0,#00HMOV TL0,#00HRETIOUTXSH: MOV R5,#00HMOV TH0,#63HMOV TL0,#18HSETB TR1MOV TL1,#05HMOV TH1,#05HRETICHLSHJ: CJNE A,#00H,ONEMOV R3,#01HMOV A, #0FFHCLR CYSUBB A,R0MOV B,R6DIV ABMOV R2,BADD A, #19HMOV B,R6DIV ABMOV R1,BMOV R0,ARETONE: CJNE A,#01H,TWOMOV R3,#01HMOV A,#0FFHCLR CYSUBB A,R0MOV B,R6DIV ABMOV R2,BMOV B,R6DIV ABMOV R1,BMOV R0,ARETTWO: CJNE A,#02H,THREEMOV R3,#00HMOV A,R0CLR CYSUBB A,#05HMOV B,R6DIV ABMOV R2,BMOV B,R6DIV ABMOV R1,BMOV R0,ARETTHREE: CJNE A,#03H,FOURMOV R3,#00HMOV A,R0CLR CYSUBB A,#05HMOV B,R6DIV ABMOV R2,BMOV B,R6DIV ABMOV R4,AMOV B ,AADD A ,#05HMOV R1,BMOV A,R4ADD A,#02HMOV R0,ARETFOUR: CJNE A,#04H,FIVEMOV R3,#00HMOV A,R0CLR CYSUBB A,#05HMOV B,R6DIV ABMOV R2,BMOV B,R6DIV ABMOV R1,BADD A,#05HMOV R0,ARETFIVE: CJNE A,#05H,SIXMOV R3,#00HMOV A,R0CLR CYSUBB A,#05HMOV B,R6DIV ABMOV R2,BMOV B,R6DIV ABMOV R4,AMOV A,BADD A,#05HMOV R1,AMOV A, R4MOV A,#07HMOV R0,ARETSIX: CJNE A,#06H,SEVENMOV R3,#06HMOV A,R0CLR CYSUBB A,#05HMOV B,R6DIV ABMOV R2,BMOV B,R6DIV ABMOV R1,BMOV R0,ARETSEVEN: CJNE A,#07H,EIGHTMOV R3,#06HMOV A,R0CLR CYSUBB A,#05HMOV B, R6DIV ABMOV R2, BMOV B, R6DIV ABMOV R4,AMOV A,BADD A,#05HMOV R1,AMOV A, R4ADD A,#02HMOV R0,ARETEIGHT: SETB P2.0 ;?????RETEND九.总结与体会历时两周的专业方向课程设计，终于完成了我的数字式温度测量电路的设计，虽然没有完全达到设计的要求，但通过自己查找资料,拟定设计方案,系统设计等一些步骤,还是有很大收获的，毕竟自己的工作能力,绘图能力,解决问题能力等都得到了很大的提高,但高兴之余不得不深思！在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前也做过这样的设计,但这次设计真的让我认识学习到很多，对一些芯片的引脚功能及接法有了更进一步的了解。