数字温度计的电路设计.docx
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数字温度计的电路设计.docx
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数字温度计的电路设计
数字温度计电路设计
摘要
随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活,工作,科研,各个领域,已经成为一种比较成熟的技术。
本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计,这款简易数字温度计主要由集成温度传感器AD590、信号处理电路和逐次逼近式A/D转换器ADC0809和基于AT89C51的4位共阳极LED数码管扩展显示器组成。
这种温度计具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便,软硬件结构模块化,电路简单,易于实现的特点,十分具有创新性、科学性、可行性。
关键词:
温度传感器,A/D转换器,LED数码管,单片机
DesignofDigitalThermographCircuit
Abstract
WiththeprogressofTheTimesanddevelopment,Chiptechnologyhasspreadtoourlife,work,scientificresearch,eachfield,hasbecomeamorematuretechnology.Thispaperintroducesamethodbasedonsinglechipmicrocomputercontroldigitalthermometer,thissimpledigitalthermometermainlybyintegratedtemperaturesensorAD590to,signalprocessingcircuitsandsuccessiveapproximationoftheA/DconverterADC0809basedonAT89C51andfouraltogetheranodeLEDdigitaldisplayexpansionpipe.Thethermometerhasexcellentlinearity,highsensitivity,stableperformance,stronganti-jammingcapability,useconvenient,softwareandhardwarestructure,thecircuitmoduleissimpleandeasytoimplement,andveryinnovative,scientificandfeasible.
Keywords:
Thetemperaturesensor,A/Dconverter,LEDdigitaltube,MicroController
1概述
温度是表征物体冷热程度的物理量,是国际单位制七个基本物理量之一,它对产品的质量、生产效率、能源节约、生产安全、人体健康起着非常重要的作用。
在日常生活和工农业生产中,经常需要测量温度,但普通温度计存在许多的缺陷,如测温时间长、量程小、精确度低、无法远距离测量等,给温度的测量带来了不便。
随着单片机技术在日用电子产品中的应用越来越广泛,基于单片机应用的集成电路数字温度计能完全克服以上缺点,数字式温度计不仅读数方便,而且测量较精确,得到广泛应用。
本课题设计的一款简易数字温度计主要由集成温度传感器AD590、信号处理电路和逐次逼近式A/D转换器ADC0809和基于AT89C51的4位共阳极LED数码管扩展显示器组成。
这种温度计具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便,软硬件结构模块化,电路简单,易于实现的特点,该设计十分具有创新性、科学性、可行性。
2设计过程
2.1分析设计要求,构思总体方案
从题目可知该课题的任务主要有三个方面。
其一是设计温度采集电路,采集周围环境温度;其二是数据转换电路,从而实现所测温度模拟量转化为易输出的数字量;其三是数据输出电路,实现所采集温度值的显示。
所以,整个系统可分为三部分,即采温电路、转换电路、显示电路,其中,采温电路包括温度采集电路和放大器;转换电路是最复杂最重要的,它由A/D转换器和单片机处理芯片组成。
2.2主要元器件选取
通常,在自然情况下,窗户的开与关与生活环境和人体的舒适度有关,温度的检测系统是该设计的关键。
传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点,我们在设计采温电路时,虽然传感器有很多种,但由于很多原因,如:
热敏电阻的线性不是太好,而热电偶虽有:
1)温度测范围宽;2)性能稳定、准确可靠;3)信号可以远传和记录的特点,但热电偶由于热电势小,因而灵敏度较低,而且我所要求的范围也不是太高,所以我们选择AD590温度信号的采集电路。
温度传感器AD590具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点,广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制。
模-数转换器(简称ADC或A/D转换器)用来将模拟量转换成数字量。
N位模-数转换器输出N位二进制数,它正比于加在输入端的模拟电压。
A/D转换器的种类很多,按工作原理的不同,可以分为双积分型、逐次比较型、并行比较型等。
并行比较型ADC的速度最快,但成本也最高;双积分型ADC精度高、抗干扰能力强,但速度太慢,适合转换缓慢变化的信号;逐次比较型ADC有较高的转换精度、工作速度中等、成本低等优点,因此获得广泛的应用。
本设计采用逐次逼近式A/D转换器ADC0809,它有8路模拟量输入,有利于系统设计,同时也便于与AT89C51单片机连接。
本设计采用AT89S51单片机,它是美国Atmel公司生产低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含4 kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大。
AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
2.3数字温度计的工作原理
利用温度传感器AD590采集温度,通过运算放大器将温度引起的电流变化转化为电压变化,然后经过逐次逼近式A/D转换器ADC0809将模拟信号转化为数字信号,并送入单片机处理芯片AT89C51处理,经过处理的信号送入显示电路,由共阳极LED数码管显示采集到的温度值。
原理框图如图2.1所示。
图2.1原理框架图
3单元电路介绍
3.1采温电路
采温电路用二端温度传感器AD590M采集数据,放大电路输入口连接温度传感器AD590的两个引脚,信号经放大器放大。
在设计测温电路时,首先应将温度变化引起的电流变化转换成电压变化。
由于AD590为电流输出元件,它的温度每升高或降低1K,电流就增加或减少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。
为了使此电阻精确到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。
AD590是一个随温度变化而输出不同电流的恒流源,温度每升高1K,电流就增加1μA。
当温度为0℃时,输出电流约为273μA,所以图中A点电压≈273μA×10kΩ≈2.73V。
A1和R2组成高输入阻抗(约1013Ω)、低输出阻抗(约10-1Ω)的电压跟随器,以减小后续测量电路对的UA干扰,UA=UB(UB为B点电压)。
另外,A2和R3、R4、R5、R6、W1组成反相加法器,UC=-[]R4,(UC为C点电压)。
调节R6的大小,可以使UC=-kt℃(k为比例系数)即t=0℃,UC=0k;t=20℃时,UC=-20k。
又A3和R7、R8、R9组成反相放大器,可得UD=-UC℃,(UD为D点电压)。
R10和电位器W2组成分压器,改变W1和W2的大小,可以使数字显示电路显示不同范围的温度数值。
其电路如图3.1所示。
图3.1采温电路
3.2数据转换电路
为了便于与AT89C51单片机连接,同时又有利于系统设计,A/D转换器选了ADC0809芯片,ADC0809是逐次逼近型芯片,片内带有锁存功能的8路模拟多路开关,可对8路0~~5V的输入模拟电压信号分时进行转换,片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR,控制与时序电路等。
输出具有TTL三态锁存缓冲器,可直接连到单片机数据总线。
ADC0809的分辨率为8位,单一5V供电,功耗为15mW,不必进行零点和满刻度调整,外部时钟频率范围为10KHz~~1280KHz,ADC0809和AT89S51的硬件接口有三种方式:
查询方式、中断方式、等待延时方式,此测量仪采用中断方式。
利用单片机对7FFFH口写数据启动A/D转换器,A/D转换结束时ADC0809的EOC向AT89C51发出中断请求信号,CPU响应中断请求信号,并通过对7FFFH口的读操作,读取转换结果,并存入被测量的缓存单元中。
再重新选择被测量(修改各相关指针),再次启动A/D转换后,中断返回。
A∕D转换器ADC0809与单片机的连接实现的数据转换电路如下图3.2所示
图3.2数据转换电路
3.3数据显示电路
ADC0809的8个通道我们这里只用了一个,连接温度传感器的测量和放大电路的输出。
ADC0809通道0输入的模拟电压转换成数字量,要送往显示缓冲区驱动指示灯显示数值。
单片机系统中常用的显示器有发光二极管、七段数码显示器、液晶显示器等。
其中LED显示器从外观可分为“8”字形的七段数码管、米字形数码管、点阵块、矩形平面显示器、数字笔划显示器等。
本设计采用发光二极管简称LED(LightEmittingDiode)显示数值,七段LED数码管显示器能够显示十进制或十六进制数字及某些简单字符。
但控制简单,使用方便,在单片机系统中应用较多,其结构如图3.3(a)所示。
数码显示管a~g七个笔划(段)及小数点dp均为发光二极管。
数码管显示器根据公共端的连接方式,可以分为共阴极数码管和共阳极数码管。
共阳极数码管连接如图3.3(b)
图3.3(a)图3.3(b)
单片机系统扩展LED数码管时多用共阳LED。
共阳数码管每个段笔画是用低电平(“0”)点亮的,要求驱动功率很小;而共阴数码管段笔画是用高电平(“0”)点亮的,要求驱动功率较大。
通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻,而且它的主要特点是坚固耐用,驱动简单,价格低,特别适合电子试验。
因此LED被广泛用于各种电子仪器和电子设备中,可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。
经AT89C51单片机处理后的信号经373类锁存器与LED数码管相连,由译码驱动器和LED数码管知,只要接通+5电源和将十进制数的BCD码接至译码器的相应输入端,即可显示0到9的数字。
显示电路如图3.4所示
图3.4显示电路
4所用元器件介绍
4.1集成温度传感器AD590M
4.1.1AD590简介
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源,具有体积小、反应快、测量精度高、稳定性好、校准方便和价格低等优点,因而获得了广泛的应用。
它的主要特性如下:
(1)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)度数,即:
(4.1)
式中:
Ir—流过器件(AD590)的电流,单位为mA;T─热力学温度,单位为K。
(2)AD590的测温范围为-55℃~+150℃。
(3)AD590的电源电压可在4V~6V范围变化,电流变化1mA,相当于温度变化1K。
另外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710MΩ。
(5)精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其
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- 数字 温度计 电路设计