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温度测量显示电路设计

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温度测量显示电路设计

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第1章系统原理框图设计

1.1设计内容

以设计为主完成一个温度范围为0-500C的温度测量显示电路的设计与制作。

1、主要设计内容：

（1）系统原理框图设计与分析（包括传感器的选择与确定）；

（2）系统方案设计、比较及选定（给出两种以上的方案比较）；

（3）系统原理图设计（包含测量电路、放大电路、A/D转换及显示电路等）；

（4）确定原理图中元器件参数（给出测量电路、放大电路计算公式与数据）；

2、运用protel软件绘出系统原理电路图（鼓励能完成印刷电路板图的绘制）。

1.2原理框图设计

设计以测量显示部分电路为主，以单片机系统为核心，对单点的温度进行实时测量检测。

并采用温度传感器DS18B20、op07作为信号放大器、ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。

在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升，具有更高的性价比。

本系统由温度传感器DS18B20、AT89C52、LED数码管显示电路、软件构成。

DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等。

系统框图如图1.2.1所示：

蜂鸣器报警

温度传感器DS18B20

AT89C52

51单片机

LED数码管

编码

数字量

温度传感器DS18B20

红外遥控调节设置温限

如图1.2.1系统框图

第2章方案论证及确定

2.1系统方案的确定

LCD液晶

显示

编码

ICL7107A/D转换&译码显示模块

电压

AD590温度

传感器

温度

电压

同向放大器

方案1：

采用单片机测量并控制温度。

此方案硬件电路简单，但是需设计复杂的软件电路。

该方案为ICL7107A/D转换&译码方案。

常见A/D转换器的转换方式有非积分式和积分式两类，如逐次逼近比较式A/D转换、斜坡电压式A/D转换等属于非积分式，其特点是转换速度快，但抗干扰能力差。

电压反馈型V-F变换、双积分式A/D转换则属于积分式，其特点是抗干扰能力强、测量精度高，但转换速度低。

工作方框图如图2.1.1所示：

图2.1.1工作方框图

方案2：

该方案以AT89C52为控制器，采用DS18B20温度传感器检测温度信号，利用红外遥控设置温度测量的上下限数值，并通过LED数码管显示。

工作方框图如图2.1.2所示：

AT89C52

51单片机

温度传感器DS18B20

LED数码管

编码

数字量

红外遥控

图2.1.2工作方框图

经过综合研究分析，考虑整个设计和成本，方案2成本低，测量温度方便简单，故此次数字温度计课程设计选取方案2。

2.2显示器方案的确定

方案1：

采用LCD液晶显示。

液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。

LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。

通过数码控制这些极小的方格进行显像。

但其造价昂贵，不适合经费有限的学生使用。

方案2：

采用LED数码管显示。

LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管，如果是单色，一般是红色发光二级管。

如果是彩色，一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。

这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像，造价相对低廉，而且也能达到要显示的效果。

经过综合研究分析，考虑整个设计和成本，方案2成本低。

2.3传感器方案的确定

温度传感器：

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的HYPERLINK"\t"_blank"传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是HYPERLINK"\t"_blank"温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照HYPERLINK"\t"_blank"传感器材料及电子元件特性分为热电阻和HYPERLINK"\t"_blank"热电偶两类。

方案1：

采用热电偶。

热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围。

它们的特点是：

低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。

另外，热电偶需要外部参考端。

该设计不能使用热电偶作为温度传感器。

方案2：

采用集成温度电流传感器。

如AD590，它的测温范围为-50oC~+150oC，满刻度范围误差为±0.3oC，工作电压范围4~30V。

AD590温度传感器是一种已经IC化的温度传感器,它会将温度转换为电流。

AD590不能直接置于水中。

这种传感器的价格比校昂贵。

方案3：

采用DS18B20数字温度传感器。

该产品采用美国DALLAS公司生产的HYPERLINK"\t"_blank"DS18B20可组网数字温度传感器HYPERLINK"\t"_blank"芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面拥有很大优势，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

经过上述三种方案的论证比较，综合考虑成本、性能等因素，最终选取方案3。

第3章系统硬件电路分析

3.1AT89C52简介

AT89C52是一8K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，俗称单片机（MCU）。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，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ATMEL的AT89C52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。

其管脚图如图3.1。

图3.1AT89C52管脚图

3.2DS18B20传感器原理

3.2.1DS18B20简介

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

3.2.2DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构主要由4部分组成：

64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。

64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。

ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20内部结构如图3.2.2.1所示。

64

位

ROM

和

单

线

接

口

存储器与控制逻辑

温度传感器

高温触发器TH

低温触发器TL

配置寄存器

高速缓存

8位CRC发生器

供电方式选择

DQ

图3.2.2.1DS18B20内部结构

图3.2.2.2DS18B20的管脚排列

DS18B20的管脚功能描述：

3.2.3DS18B20测温原理

DS18B20低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

此外，用斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

3.3LED数码管

LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。

位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

。

颜色有红，绿，蓝，黄等几种。

led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

图3.3.1LED数码管

第4章系统原理图设计

4.1A/D转换电路的设计

AD转换器将模拟电压信号转化为数字信号，通过加法器、比较器、与非门接连成十进制译码器通过LED数字译码显示器显示。

如图4.1.1。

电路说明：

（1）、AD转换的高4位输出到比较器（U12）的A0~A3，低4位放到比较器（U13）的A0~A3。

（2）、十六进制计数器（U8）输出端QA～QD接到比较器（U12）的B0~B3，十六进制计数器（U4）输出端QA～QD接到比较器（U13）的B0~B3，低位的十六进制计数器（U4）经过与门接脉冲XFG2。

（3）、十进制计数器U9、U10、U11按从低位到高位连接，低位经过与门接与十六进制计数器（U4）接的脉冲XFG2。

（4）、通过两个比较器之后，当B大于A的时候，通过与门和非门的组合输出一个低电平，把脉冲截止，停止计数。

（5）、所得的数就是十六进制转换成的十进制数。

（6）、脉冲XFG3控制十进制计数器U17,当计数器输出都为高电平时通过或非门得到一个高电平，控制十进制计数器U9、U10、U11和十六进制计数器U4、U8，同时清零，重复计数。

AT89C52

显示电路

A/D转换

复位电路

晶振

图4.1.1A/D转换电路

4.2放大电路的设计

对信号放大，使用了低价格、高精度的仪器放大器OP07，它运用方便，是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，可以通过外接电阻方便的进行各种增益的调整。

其增益计算公式为：

（1）

由于A/D检测到的模拟电压值

（2）

计算可到的值，然后利用如下公式求出温度值：

（3）

其中，

4.3显示电路的设计

在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。

LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。

LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。

图8为0.5英尺LED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应a～g笔段构成“”字形另一只发光二极管Dp作为小数点。

因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。

有共阴和共阳两种接法。

如图4.3.1所示。

图4.3.1LED数码管

4.4主程序流程设计

主程序说明：

小于10度，亮黄色LED，表示较凉，开蜂鸣器；

大于24度，亮绿色LED，表示温度较热，开蜂鸣器；

遥控远程控制，改变上下限报警温度。

主程序流程图如图4.4.1所示：

开始

初始化

温度读取

<10度

>24度

遥控信号

判定按键

数值送显示

开黄灯报警

开绿灯报警

改变上下限温

摄氏变华氏

Y

Y

Y

N

N

N

图4.4.1主程序流程图

参考文献

[1]张国雄等编，测控电路，机械工业出版社，2001.8

[2]赵负图主编，现代传感器集成电路，人民邮电出版社，2000.1

[3]刘征宇主编，线性放大器应用手册，福建科学技术出版社，2005.1

[4]蔡锦福等编，运算放大器原理与应用，科学出版社，2005.7

[5]黄继昌等编，实用单元电路及其应用[M].人民邮电出社，2002.4

[6]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社.1993.8

附录一源程序

DATBITP3.0;数据通信口

WDLSBDATA30H;读出的温度低字节

WDMSBDATA31H;读出的温度高字节

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG000BH

SJMPTIMER0

ORG0040H

TIMER0:

MOVP0,40H

ORLP0,#70H;

CALLT1MS

MOVP0,41H

ORLP0,#60H

CALLT1MS

MOVP0,42H

ORLP0,#50H

CALLT1MS

MOVP0,43H

ORLP0,#40H

RETI

T1MS;MOVR5,#00H

TT:

MOVR6,#9

DJNZR5,TT

RET

MAIN:

MOVSP,#60H

MOVP2,#0FFH

MOVR2,#8

MOVR0,#40H;

OVER:

MOV@R0,#00H

INCR0

DJNZR2,OVER

MOVTMOD,#01H

MOVTH0,#LOW（65536-10000）

MOVTL0,#HIGH（65536-10000）

SETBEA

SETBET0

SETBTR0

LOOP:

LCALLDSWD;调用读出DS18B20温度程序

SJMPLOOP;读出DS18B20温度程序

DSWD:

CLREA

LCALLRST

JNBF0,KEND;如果没有应答，返回主程序

MOVR0,#0CCH

LCALLSEND_BYTE

MOVR0,#44H;发出温度转换命令

LCALLSEND_BYTE

SETBEA

MOVP1,#00001111B

MOV48H,#1;廷时75ms以上准备读

SS2:

MOV49H,#255

SS1:

MOV4AH,#255

SS0:

DJNZ4AH,SS0

DJNZ49H,SS1

DJNZ48H,SS2

MOVP1,#11111100B

CLREA

LCALLRST

JNBF0,KEND

MOVR0,#0CCH;跳过ROM匹配

LCALLSEND_BYTE

MOVR0,#0BEH;发出读温度命令

LCALLSEND_BYTE

LCALLREAD_BYTE

MOVWDLSB,A

LCALLREAD_BYTE

MOVWDMSB,A

LCALLTRANS12

KEND:

movp1,#01010101b

SETBEA

RET

MOV3AH,A

MOVA,31H

ANLA,#0FH

ORLA,3AH

SWAPA

MOVB,#10

DIVAB

MOV43H,A

MOV42H,B;

MOVDPTR,#TABB

MOVA,30H

ANLA,#0FH

MOVB,#2

MULAB

MOVCA,@A+DPTR

MOV41H,A

MOVA,30H

ANLA,#0FH

MOVB,#2

MULAB

INCA

MOVCA,@A+DPTR

MOV40H,A

RET

TABB:

DB0,0,0,6,1,2,1,8,2,5,3,1,3,7,4,3,5,0

DB5,6,6,2,6,8,7,5,8,1,8,7,9,3

READ1:

LCALLREAD

RRCA

DJNZR5,READ1;循环8次，读一个字节

MOVR0,A

RET

RST:

SETBDAT

NOP

NOP

CLRDAT

MOVR6,#250;

DJNZR6,$

MOVR6,#50

DJNZR6,$

SETBDAT;

MOVR6,#15

DJNZR6,$

CALLCHCK;调用应答检查程序

MOVR6,#60

DJNZR6,$

SETBDAT

RET

CHCK:

MOVC,DAT

JCRST0

SETBF0;检测到信号，置位F0

SJMPCHCK0

RST0:

CLRF0;未准备好F0复位

CHCK0:

RET

WRITE_0:

;写0

CLRDAT

MOVR6,#30

DJNZR6,$

SETBDAT

RET

WRITE_1:

CLRDAT;写1

NOP

NOP

SETBDAT

MOVR6,#30

DJNZR6,$

RET

SETBDAT;置位DAT准备接收数据

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

MOVC,DAT

MOVR6,#23

DJNZR6,$

RET

END

附录二系统原理图

附录三元器件清单

单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补充，达到内容的完善

教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。

教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。