基于单片机控制的数字温度计设计

基于实际应用中许多场合对高精度温度测量的需求，采用ATF1504芯片和单片机zui小系统，采用等精度频率测量技术，设计了高精度数字温度计。 该方案采用ATF1504芯片作为可编程逻辑器件，高灵敏度负温度系数作为温度传感器。 ATF1504芯片与单片机配合完成待测信号的频率测量，从而实现温度测量。 实验数据表明温度计温度测量的相对误差小于0.3% 温度是人们日常生活中经常需要测量和控制的物理量。 传统的温度计具有反应速度慢、读数麻烦、测量精度低、误差大等缺点。然而，在某些特定场合，设备和器材对温度要求极高，因此设计高精度温度计非常有意义 设计的高精度温度计具有线性度好、性能稳定、灵敏度高、使用方便、软硬件结构模块化、电路简单等优点。 1.设计方案热敏电阻是一种对温度变化非常敏感的电阻元件。它广泛应用于温度测量技术、无线电技术、自动化和远程控制等领域。 热敏电阻可以将环境温度的变化转化为电阻本身电阻值的变化。它将温度的变化转化为连续电信号的变化，然后外部电路将电信号转化为可由单片机处理的脉冲(频率)信号，可由单片机直接处理 555热敏电阻组成的振荡电路可以实现电阻到频率的转换功能，建立温度到电阻值到频率的对应关系。 处理器对频率信号的处理精度直接影响温度测量的精度。等精度频率测量方案能够满足精度要求。设计中采用查表法和插值法建立频率与温度的转换关系。 设计的数字温度计主要由以下四个部分组成:温度传感部分、等精度测频部分、频率温度转换部分、数据缓存和显示部分。示意图如图1所示 设计中使用的主要模块有:1)单片机系统 单片机zui small system，简称zui small application system，是指由zui small组件组成的单片机能够工作的系统。 单片机zui小型系统一般应包括:单片机、晶体振荡器电路、复位电路 2)复杂可编程逻辑器件 复杂可编程逻辑器件 它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、应用范围广、开发工具先进、设计制造成本低、对设计人员硬件经验要求低、无需测试标准产品、保密性强、价格普及等特点。它可以实现大规模电路设计，因此广泛应用于产品的原型设计和产品生产。 可编程逻辑器件的内部结构是:和或数组。该结构来自典型的PAL和GAL器件 任何组合逻辑都可以使用& ldquo和或。表达，所以& ldquo和或数组。该结构可以实现大量的组合逻辑功能。 CPLDzui的基本单位是宏单位。 宏单元包含一个寄存器(较多使用16个产品术语作为输入)和其他有用的特性 因为每个宏单元使用16个乘积项，所以设计者可以部署大量的组合逻辑，而无需添加额外的路径。 单片机和CPLD之间的三总线结构如图2所示。 2.硬件设计2.1温度和频率转换部分的设计由热敏电阻和555定时器组成的多谐振荡器电路如图3所示。该电路可以实现从温度变化到电阻变化再到频率变化的转换。 555振荡电路频率:其中RN是热敏电阻NTC，c是放电电容，Rn是额定温度TN(K)下的NTC热敏电阻电阻，t指定温度(K)，b是NTC热敏电阻材料常数 从以上两个公式可以建立温度到电阻值和电阻值到频率的转换关系，实现频率到温度的转换:1)555电路的振荡频率:f = 1/((R1+2rt1) c1ln2)，即频率和电阻值的关系；2)半导体热敏电阻的特性曲线 在一定的温度范围内，半导体材料的电阻rt与温度t之间的关系可以表示为:常数a不仅与半导体材料的性质有关，还与半导体材料的尺寸有关，而常数b仅与材料的性质有关。常数a和b可以用实验方法测量。在计算a和b之后，可以根据公式(3)计算温度值 由于NTC的电阻值与温度呈指数关系，单片机系统在计算该方程时效率很低，因此本文采用查表法和插值法计算温度，提高了测量效率，简化了计算复杂度。 假设温度测量范围为-10 ~ 50，我们可以先将-10 ~ 50分成60段，每一温度对应一个频率值。 然后将NE555电路设置在-10°；，-9°；，-8°；& hellip& hellip48 °;，49 °;，50 °;当输出频率被实际测试并存储在单片机的只读存储器中时，就建立了相应的时钟频率和温度表 在实际转换过程中，根据测量的时钟频率确定频率所在的温度段，然后根据线性方程获得对应于该频率的温度值，从而实现从频率到温度的转换。 2.2等精度频率测量电路的实现等精度频率测量的主要思想是使用两个计数器在同一时间段内同时计数两个时钟信号。要测量的信号频率可以从已知的时钟频率和两个计数器的计数值中获得。 如图4所示，首先设置时钟门信号的宽度。在此期间，计数器1和计数器2同时计数两个时钟信号。计数器1计数的时钟信号的频率是已知的参考时钟，其频率是Fb 假设计数器2以相等的时间分别计数Nb和Nx，由计数器2计数的时钟信号是要测量的时钟信号 这两个计数器在同一时间段内计数，并具有以下关系:& nbsp。等精度测频功能的实现需要单片机和可编程逻辑器件之间的协调与配合 计数器1由单片机定时器1实现，计数器2由CPLD配置 单片机的主要功能是控制外部计数器和内部计时器的开启和关闭。读取外部计数器和内部计时器的数据；处理和数据输出缓存 测量开始时，单片机先发出清零信号清零外部CPLD计数器，然后清零内部定时器，将内部定时器配置为外部时钟控制模式，然后发出计数开始信号，然后进入等精度测频计数模式。单片机通过查询计数器来判断计数时间，计数时间必须小于外部32位计数器的溢出时间。当时间到达时，单片机发出停止计数信号查询管脚P3.2。确认计数停止，分别假设N1和N2，定时器计数时间间隔为T1，则测量信号的频率f = (n1/N2) t1，并将计算数据发送至频率温度转换模块等待数据转换 可编程逻辑器件部分主要完成被测信号的测量计数和总线设计。 由于可编程逻辑器件芯片中的资源较少，在可编程逻辑器件芯片中只能设置一个32位计数器。 该部分利用原理图输入，完成了马克斯+plusII环境下电路的硬件设计和仿真。 硬件设计包括四个部分:输入、输出、计数器和总线接口 总体设计结构如图5所示，其中mcu_ctrl模块为总线接口模块，频率模块为测量计数模块 3.软件设计源程序的流程图如图6所示。 主程序分析(频率和温度转换部分):计算单片机的计数，根据时钟周期内参考时钟的脉冲数，从待测信号的脉冲数中计算出待测信号的频率 4.实验结果通过与参考温度的比较，验证了设计的温度计精度 首先，使用高精度测量的实际温度温度计作为参考温度，然后使用设计的数字温度计来测量实际温度并将其与参考温度进行比较。测量结果如表1所示 通过对比试验结果，发现设计数字温度计测量温度与参考温度相差不大，误差小于0.1℃，相对误差小于0.3%，满足设计精度要求 总之，利用单片机和可编程逻辑器件的配合完成了频率测量，实现了等精度的频率测量功能。 等精度测频功能保证了温度测量的数据处理，设计的温度计精度满足实际应用的要求。 在系统的中精度频率测量模块中，采用8位51单片机定时器作为参考信号的计数器，由于其频率较低，对精度有一定的影响。 如果采用较高频率的参考信号，也可以提高频率测量精度，从而提高温度测量精度。

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