單片機控制的數字溫度計的設計

基于實(shí)際應用中許多場(chǎng)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，采用等精度頻率測量技術(shù)，設計了一款高精度數字溫度計。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(shí)現溫度的精確測量。實(shí)驗數據表明該溫度計的測溫相對誤差小于0.3%。

溫度是人們日常生活中常常需要測量和控制的一個(gè)物理量。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)，而在某些特定的場(chǎng)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(zhù)線(xiàn)性?xún)?yōu)良、性能穩定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結構實(shí)現了模塊化、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

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(shù)、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、自動(dòng)化和遙控等方面都得到廣泛的應用。熱敏電阻能夠將環(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(lái)直接處理。熱敏電阻構成的555振蕩電路能夠實(shí)現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(guān)系。處理器對頻率信號的處理精度直接影響著(zhù)溫度測量的精度，采用等精度測頻方案能夠滿(mǎn)足精度的要求，設計中采用查表法和插值法來(lái)建立頻率與溫度的轉換關(guān)系。

設計的數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、數據緩存及顯示部分，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。單片機最小系統或者稱(chēng)為最小應用系統，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。單片機最小系統一般應該包括：?jiǎn)纹瑱C、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(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、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(wú)需測試、保密性強、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現較大規模的電路設計，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內部結構為“與或陣列”，該結構來(lái)自于典型的PAL、GAL器件的結構。任意一個(gè)組合邏輯都可以用“與-或”表達式來(lái)描述，所以該“與或陣列”結構能實(shí)現大量的組合邏輯功能。CPLD最基本的單元是宏單元。一個(gè)宏單元包含一個(gè)寄存器(使用多達16個(gè)乘積項作為其輸入)及其他有用特性。因為每個(gè)宏單元用了16個(gè)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(xiàn)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(shí)器構成多諧振蕩電路如圖3所示，該電路能夠實(shí)現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(shí)的NTC熱敏電阻阻值，T規定溫度（K），B是NTC熱敏電阻的材料常數。由以上兩個(gè)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(guān)系，實(shí)現頻率到溫度的轉換：

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

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

其中常數a不僅與半導體材料的性質(zhì)有關(guān)而且與它的尺寸均有關(guān)，而常數b僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，常數a和b可通過(guò)實(shí)驗方法測得，計算出a和b后，就可以根據公式（3）計算出溫度值。因為NTC的阻值和溫度之間是指數關(guān)系，以單片機為處理器的系統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(jiǎn)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(shí)的輸出頻率實(shí)際測試出來(lái)并存儲在單片機的ROM中，建立時(shí)鐘頻率與溫度的對應表。而在每一個(gè)度的溫度段內近似認為頻率與溫度成線(xiàn)性關(guān)系在實(shí)際轉換過(guò)程中，首先根據測量的時(shí)鐘頻率確定其所在的溫度段，再按線(xiàn)性方程求出此頻率所對應的溫度值，由此實(shí)現由頻率到溫度的轉換。

2.2 等精度測頻電路的實(shí)現

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

等精度測頻功能的實(shí)現需要單片機與CPLD的協(xié)調合作實(shí)現。計數器1用單片機的定時(shí)器1實(shí)現，計數器2用CPLD來(lái)配置。單片機部分的主要作用是：負責控制外部計數器和內部定時(shí)器計數器的開(kāi)啟與關(guān)閉；外部計數器和內部定時(shí)器計數器的數據的讀??；處理以及數據輸出緩存。測量開(kāi)始，單片機首先發(fā)出清零信號，對外部CPLD計數器清零，然后將內部定時(shí)器清零，配置成外部時(shí)鐘控制方式，然后發(fā)出計數啟動(dòng)信號，隨后進(jìn)入等精度頻率測量計數模式，單片機通過(guò)查詢(xún)計數器，判斷計數時(shí)間，該計數時(shí)間必須小于外部32 bit計數器溢出時(shí)間，時(shí)間一到，單片機發(fā)出停止計數信號，查詢(xún)引腳P3.2，確認計數停止，讀回外部計數結果和內部計數器計數結果，假設分別為N1和N2，定時(shí)器計數時(shí)間間隔為T(mén)1，那么被測信號的頻率F=（N1/N2）T1，將計算出的數據輸送到頻率溫度轉化模塊等待數據轉換。

CPLD部分主要完成對被測信號的測量計數和總線(xiàn)設計。由于所用CPLD芯片內資源較少，其內部只能設置一個(gè)32位計數器。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(gè)部分：輸入、輸出、計數器和總線(xiàn)接口部分?？傮w設計結構如圖5所示，其中mcu_ctrl模塊為總線(xiàn)接口模塊，frequency模塊為測量計數模塊。

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）：

計算單片機的計數并根據基準時(shí)鐘的脈沖數目，時(shí)鐘周期由被測信號脈沖數目計算出待測信號頻率。

4 實(shí)驗結果

通過(guò)與基準溫度對比的方法對設計的溫度計精度進(jìn)行驗證。首先使用精度較高的溫度計測得實(shí)際溫度作為基準溫度，然后利用設計好的數字溫度計測量實(shí)際溫度與基準溫度進(jìn)行對比，測量結果如表1所示。通過(guò)對比測試結果，發(fā)現設計的數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(guò)利用單片機與CPLD的配合完成頻率的精確測量，實(shí)現了等精度測頻功能。利用等精度測頻功能確保了測量溫度數據處理的精確性，使設計的溫度計的精度達到實(shí)際應用的要求。在系統中等精度頻率測量模塊采用8位51單片機定時(shí)器作為基準信號的計數器，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。