基于單片機控制的數(shù)字溫度計的設計

摘要：基于實際應用中許多場合對溫度高精度測量的需求，利用ATF1504芯片與單片機最小系統(tǒng)，采用等精度頻率測量技術，設計了一款高精度數(shù)字溫度計。該方案采用ATF1504芯片作為可編程邏輯器件，以高靈敏度負溫度系數(shù)熱敏電阻為溫度傳感器。利用ATF1504芯片與單片機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�活中常常需要測量和控制的一個物理量。傳統(tǒng)的溫度計有反應速度慢、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，器材設備對溫度的要求極高，設計一種高精度的溫度計就顯得十分有意義。設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、軟硬件結構實現(xiàn)了模塊化、電路簡單等優(yōu)點。

1 設計方案

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、無線電技術、自動化和遙控等方面都得到廣泛的應用。熱敏電阻能夠?qū)�環(huán)境溫度的變化轉化為電阻自身阻值的變化，它將溫度的變化轉換為連續(xù)的電信號的變化，再由外電路把該電信號轉化成單片機可處理的脈沖(頻率)信號，由單片機來直接處理。熱敏電阻構成的555振蕩電路能夠?qū)崿F(xiàn)由電阻到頻率的轉換功能，建立起由溫度到電阻值再到頻率的對應關系。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，設計中采用查表法和插值法來建立頻率與溫度的轉換關系。

設計的數(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、頻率溫度轉換部分、數(shù)據(jù)緩存及顯示部分，原理圖如圖1所示。設計中用到的主要模塊有：1)單片機最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。2)CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)。復雜可編程邏輯器件。其具有編程靈活、集成度高、設計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經(jīng)驗要求低、標準產(chǎn)品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設計，因此被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。CPLD內(nèi)部結構為“與或陣列”，該結構來自于典型的PAL、GAL器件的結構。任意一個組合邏輯都可以用“與-或”表達式來描述，所以該“與或陣列”結構能實現(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。單片機與CPLD之間的三總線結構，如圖2所示。

2 硬件部分設計

2.1 溫度與頻率轉換部分的設計

由熱敏電阻與555定時器構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系，實現(xiàn)頻率到溫度的轉換：

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

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

其中常數(shù)a不僅與半導體材料的性質(zhì)有關而且與它的尺寸均有關，而常數(shù)b僅與材料的性質(zhì)有關，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)關系，以單片機為處理器的系統(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，簡化了計算的復雜性。假設測溫范圍為-10～50，可先將-10～50分為60段，每一度的氣溫對應一段頻率值。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的ROM中，建立時鐘頻率與溫度的對應表。而在每一個度的溫度段內(nèi)近似認為頻率與溫度成線性關系在實際轉換過程中，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的溫度值，由此實現(xiàn)由頻率到溫度的轉換。

2.2 等精度測頻電路的實現(xiàn)

等精度測頻的主要思想：利用兩個計數(shù)器在同一時間段內(nèi)同時對兩個時鐘信號進行計數(shù)，由已知時鐘的頻率和兩個計數(shù)器的計數(shù)值可得出待測信號的頻率。具體如圖4所示，首先設置時鐘閘門信號的寬度，在這段時間內(nèi)，計數(shù)器1和計數(shù)器2同時對兩個時鐘信號進行計數(shù)，計數(shù)器1所計的時鐘信號的頻率為已知的基準時鐘，其頻率為Fb。計數(shù)器2所計的時鐘信號為待測的時鐘信號，假設在等時間內(nèi)計數(shù)器1計數(shù)器2計數(shù)數(shù)值分別為Nb和Nx。由兩計數(shù)器在同時間段內(nèi)計數(shù)，有以下關系式：

等精度測頻功能的實現(xiàn)需要單片機與CPLD的協(xié)調(diào)合作實現(xiàn)。計數(shù)器1用單片機的定時器1實現(xiàn)，計數(shù)器2用CPLD來配置。單片機部分的主要作用是：負責控制外部計數(shù)器和內(nèi)部定時器計數(shù)器的開啟與關閉；外部計數(shù)器和內(nèi)部定時器計數(shù)器的數(shù)據(jù)的讀�。惶幚硪约皵�(shù)據(jù)輸出緩存。測量開始，單片機首先發(fā)出清零信號，對外部CPLD計數(shù)器清零，然后將內(nèi)部定時器清零，配置成外部時鐘控制方式，然后發(fā)出計數(shù)啟動信號，隨后進入等精度頻率測量計數(shù)模式，單片機通過查詢計數(shù)器，判斷計數(shù)時間，該計數(shù)時間必須小于外部32 bit計數(shù)器溢出時間，時間一到，單片機發(fā)出停止計數(shù)信號，查詢引腳P3.2，確認計數(shù)停止，讀回外部計數(shù)結果和內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)結果，假設分別為N1和N2，定時器計數(shù)時間間隔為T1，那么被測信號的頻率F=（N1/N2）T1，將計算出的數(shù)據(jù)輸送到頻率溫度轉化模塊等待數(shù)據(jù)轉換。

CPLD部分主要完成對被測信號的測量計數(shù)和總線設計。由于所用CPLD芯片內(nèi)資源較少，其內(nèi)部只能設置一個32位計數(shù)器。這部分在Max+p lusII環(huán)境下完成電路的硬件設計與仿真，采用原理圖輸入。硬件設計共包括4個部分：輸入、輸出、計數(shù)器和總線接口部分�？傮w設計結構如圖5所示，其中mcu_ctrl模塊為總線接口模塊，frequency模塊為測量計數(shù)模塊。

3 軟件部分設計

源程序流程圖如圖6所示。

主要程序分析（頻率溫度轉換部分）：

計算單片機的計數(shù)并根據(jù)基準時鐘的脈沖數(shù)目，時鐘周期由被測信號脈沖數(shù)目計算出待測信號頻率。

4 實驗結果

通過與基準溫度對比的方法對設計的溫度計精度進行驗證。首先使用精度較高的溫度計測得實際溫度作為基準溫度，然后利用設計好的數(shù)字溫度計測量實際溫度與基準溫度進行對比，測量結果如表1所示。通過對比測試結果，發(fā)現(xiàn)設計的數(shù)字溫度計測量的溫度與基準溫度相差很小，絕對誤差小于0.1℃，相對誤差小于0.3%，達到了設計的精度要求。

總之，通過利用單片機與CPLD的配合完成頻率的精確測量，實現(xiàn)了等精度測頻功能。利用等精度測頻功能確保了測量溫度數(shù)據(jù)處理的精確性，使設計的溫度計的精度達到實際應用的要求。在系統(tǒng)中等精度頻率測量模塊采用8位51單片機定時器作為基準信號的計數(shù)器，由于該基準信號頻率較低，對精度有一定影響。如果采用更高頻率基準信號，測頻精度還可提高，從而提高測量溫度的精度。