簡(jiǎn)易數字溫度計的設計與制作

摘　要：單片機在日用電子產(chǎn)品中的應用越來(lái)越廣泛，溫度則是人們日常生活中常常需要測量和控制的一個(gè)量。本文作者采用AT89C51單片機和溫度傳感器AD590從硬件和軟件兩方面介紹了一款簡(jiǎn)易數字溫度計的設計過(guò)程，并對硬件原理圖和程序流程圖作了簡(jiǎn)潔的描述。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱CAT89C51；溫度傳感器AD590；數字溫度計；模數轉換；數碼顯示

1.前言

隨著(zhù)單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機在日用電子產(chǎn)品中的應用越來(lái)越廣泛，溫度傳感器AD590具有線(xiàn)性?xún)?yōu)良、性能穩定、靈敏度高、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于冰箱、空調器、糧倉等日常生活中溫度的測量和控制。傳統的溫度計有反應速度慢、讀數麻煩、測量精度不高、誤差大等缺點(diǎn)，本文作者利用集成溫度傳感器AD590設計并制作了一款基于AT89C51的4位數碼管顯示的數字溫度計，其電路簡(jiǎn)單，軟硬件結構模塊化，易于實(shí)現。

2.系統功能原理及硬件組成

該數字溫度計利用AD590集成溫度傳感器及其接口電路完成溫度的測量并轉換成模擬電壓信號，經(jīng)由模數轉換器ADC0804轉換成單片機能夠處理的數字信號，然后送到單片機AT89C51中進(jìn)行處理變換，最后將溫度值顯示在D4、D3、D2、D1共４位七段碼LED顯示器上。

系統以AT89C51單片機為控制核心，加上AD590測溫電路、ADC模數轉換電路、4位溫度數據顯示電路以及外圍電源、時(shí)鐘電路等組成。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2.1　AT89C51單片機

Atmel公司的生產(chǎn)的AT89C51單片機是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，內部除CPU外，還包括128字節RAM，4個(gè)8位并行I/O口，5個(gè)中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計數器，片內集成4K字節可改變程序Flash存儲器，具有低功耗，速度快，程序擦寫(xiě)方便等優(yōu)點(diǎn)，完全滿(mǎn)足本系統設計需要。

單片機P0口作為ADC0804轉換數據的輸入端，P2.0接ADC0804的INTR端檢測數據轉換是否結束。P1.0～P1.3的輸出信號接到譯碼器7447上作為數碼管的顯示，P1.4～P1.7則作為４個(gè)數碼管的位選信號控制。P3口有特殊的功能，P3.6用于控制ADC0804的啟動(dòng)，P3.7用于控制讀取ADC0804的轉換結果。

2.2　AD590溫度傳感器

AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。AD590測溫范圍為－55℃～＋150℃，滿(mǎn)足人們日常生產(chǎn)和生活中的溫度范圍。AD590電源電壓可在4V～6V范圍變化，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì )被損壞。AD590產(chǎn)生的電流與絕對溫度成正比，它有非常好的線(xiàn)性輸出性能，溫度每增加1℃，其電流增加1μA。

AD590溫度與電流的關(guān)系如下表所示：

為了提高精度，擴大測量范圍，在A/D轉換前還要將信號加以放大并進(jìn)行零點(diǎn)遷移，因而一個(gè)高穩定性的、高精度的放大電路是必須的。當溫度變化時(shí)，AD590會(huì )產(chǎn)生電流變化，當AD590的電流通過(guò)一個(gè)10kΩ的電阻時(shí)，這個(gè)電阻上的壓降為10mV，即轉換成10mV／K，為了使此10kΩ電阻精確，可用一個(gè)9kΩ的電阻與一個(gè)2kΩ的電位器串聯(lián)，然后通過(guò)調節電位器來(lái)獲得精確的10kΩ。運算放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗，由運放A2減去2.732做零位調整（即把絕對溫度轉成攝氏溫度），最后由運放A3反相并放大５倍輸送給A/D轉換器。具體硬件連接圖如圖2所示。

圖2 AD590溫度采集及模數轉換電路

2.3 ADC0804模數轉換器

AD590測溫電路輸出的電壓信號為模擬信號，要進(jìn)行數碼顯示，還需將此信號轉換成數字信號。為此我們通過(guò)A/D轉換器ADC0804將輸入的模擬值轉換成數字值，經(jīng)AT89C51單片機處理后輸出到P1以控制溫度顯示電路。

ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型摸數轉換芯片，分辨率8位，轉換時(shí)間100μs，輸入電壓范圍為0～5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片內有輸出數據鎖存器，當與計算機連接時(shí)，轉換電路的輸出可以直接連接在CPU數據總線(xiàn)上，無(wú)須附加邏輯接口電路。具體硬件連接圖如圖2所示。

2.4 七段碼LED溫度顯示電路

由發(fā)光二極管組成的七段碼LED顯示器是單片機應用產(chǎn)品中最常用的廉價(jià)輸出設備，用于顯示各種數字和字符。該數字溫度計的溫度顯示由4位七段碼LED顯示器組成，單片機以并行通信方式從P1.0～P1.7口輸出段碼和控制信號，通過(guò)7447 TTL BCD譯碼器譯碼，用4個(gè)共陽(yáng)極LED動(dòng)態(tài)顯示溫度的各個(gè)數位。具體硬件連接圖如圖3所示。

圖3 溫度顯示及單片機時(shí)鐘、復位電路

3.系統軟件設計與編程

該數字溫度計軟件部分用MCS-51匯編語(yǔ)言編程實(shí)現，采用模塊化程序設計思想，將軟件劃分成若干單元，主要包括主程序、十進(jìn)制數據轉換及調整子程序、LED數碼顯示子程序和延時(shí)子程序等。本系統具體匯編源程序見(jiàn)后附。

3.1 系統主程序

在主程序中，系統上電自動(dòng)復位以后首先設置堆棧，然后啟動(dòng)ADC0804，開(kāi)始轉換AD590測溫電路輸入的電信號，待數據轉換結束后讀入到累加器A，然后進(jìn)行十進(jìn)制數據轉換調整，輸出給顯示電路。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 十進(jìn)制數據轉換調整子程序

由于ADC0804轉換后的數據是二進(jìn)制數據，而七段碼LED顯示器所要顯示的數據是十進(jìn)制數據，因此需要進(jìn)行二、十進(jìn)制數據轉換。ADC0804輸出的最大轉換值為FFH(255)，由于運放Ａ３放大５倍，因此本數字溫度計的最大測量溫度為5.1V/5＝1.02Ｖ，即102℃。由255*Ｘ=102，得知Ｘ＝0.4，即先乘４再除10。255*4=1020，其中高位10送高位顯示緩沖區R4，低位20送低位顯示緩沖區R5，將小數點(diǎn)設在D2位上，并將其分別顯示為1(D4) 0(D3) 2(D2) . 0(D1) ℃。所以，十進(jìn)制轉換調整流程為A/D（二進(jìn)制）→十進(jìn)制→乘４→顯示。程序流程圖如圖５所示。

圖5 十進(jìn)制數據轉換調整子程序流程圖

3.3 LED數碼顯示子程序

十進(jìn)制轉換調整后的數據送到寄存器R5、R4中，然后通過(guò)P1口把數據輸出給D4、D3、D2、D1四個(gè)數碼顯示器中，從而最終把測得的溫度顯示出來(lái)。顯示子程序流程圖如圖６所示。

圖６ 顯示子程序流程圖

４.結束語(yǔ)

本文采用AT89C51單片機做主控芯片，利用溫度傳感器AD590測量溫度，并配上相應的外部接口電路，介紹了一款簡(jiǎn)易數字溫度計的設計與制作過(guò)程。該溫度計系統實(shí)現簡(jiǎn)單、功能穩定、使用方便，適用于人們日常生活和工、農業(yè)生產(chǎn)中的各種溫度測量。

參考文獻：

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[4]楊剛,周群.電子系統設計與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

附作者簡(jiǎn)介：

郇玉龍（1982－）,男，山東師范大學(xué)傳播學(xué)院研究生，主要研究方向：電子信息科學(xué)技術(shù)及數字衛星電視;趙寧（1983－),女，山東師范大學(xué)傳播學(xué)院研究生，主要研究方向：電子信息科學(xué)技術(shù)及數字衛星電視。