1、 第 1 页 共 43 页高精度电子温度计的研究摘要本设计的目的是设计研究一款高精度室温电子温度计，用来测量室温并实时显示。在本设计研究中采用 AD590、C8051F005 单片机、SMC1602ALCD 以及调理电路组成的温度采集、处理、转换、控制、并实时显示的系统。介绍了以 AD590 为温度传感器，经过流压转换、信号调理电路，利用 C8051 单片机内部集成 AD 转换模块将所采集电压值经过单片机处理，最终将温度值显示在 LCD 上的系统,详细描述了利用数字温度传感器 AD590 开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接进行了详尽分析，以及简要学习 C 语言软件编程的知识，
2、对各部分电路的连接以及主要元器件的选择也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现实时温度采集和显示。在论文中给出了系统设计的软硬件方法，该温度计测温较准确，显示直观，电路设计简单。它使用起来相当方便，具有精度较高、量程较宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于室温的温度测量、显示。设计中应用protel 软件进行电路图和 PCB 图的绘制，并应用 KEIL 软件对控制显示程序进行仿真。关键词：C8051F005，AD590，AD 转换，LCD 第 2 页 共 43 页High-accuracy electronic thermometer researchAbstractthe present
3、paper narrated the application of monolithic integrated circuit C8051F005 constitution and the main function of intelligent thermometer, the hardware composition and the software design.This system function is carries on gathering through the temperature sensor AD590 to the temperature, then carries
4、 on ADC conversion through AINO, passes to the monolithic integrated circuit to carry on processing, thus realization temperature real time display.Overall system structure compact, simple reliable, operation nimble, function strong, performance price scaled height of burst, has satisfied the room t
5、emperature measurement and the scientific research need well.Key word： monolithic integrated circuit, temperature sensor ,ADC,Real time display第章 引言随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中电子温度计就是一个典型的例子，本设计就是利用单片机进行控制和显示的室温电子温度计的研究设计。但人们对温度的检测与控制的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的、更方便的设施就需要从单片机技术入
6、手，一切向着数字化控制、智能化控制方向发展。 本设计所介绍的电子温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温稳定、准确，其输出温度采用LCD数字显示，主要用于测温比较准确的场所，或科研实验室的室温测量使用。在设计中介绍了温度传感器的测量、转换和控制之间的关系：检测是转换、控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的，现代第 3 页 共 43 页化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。例如对于温度的测量由传统的水银温度计、热电阻温度计、热电偶温度计向集成数字温度计和电子温度计
7、的发展促进了温度的控制和科学的发展。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前，在温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途以及显示精度等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型温度传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的测温、控制、显示系统。国内外对于高精度电子温度计的设计大多数都采用单片机控制显示，对于温度传感器的选择往往采用集成数字、电子温度传感器，温度传感器的集成发展促进了温度的测量控制，同样，单片机的发展也促进
8、了测温水平和精度的提高。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。对于新型电子温度计的结构来说一般都包括以下几部分：温度传感器、单片机控制、数
9、字实时显示三部分。各部分都有自己的特点和要求来实现整体电路的测温目的。新型电子温度计的显示精度可以达到0.1，但是考虑到整个系统以及电路的稳定性和精度，本设计要求精度0.5。在本设计中依次介绍测温电路的传感和放大、单片机的使用原则、设计过程中用到的其他芯片介绍以及电路图的设计连接。这几部分中又详细的分为传感器、单片机、运放主要芯片的选择和使用参数介绍；单片机ADC的使用和设置；单片机内部其它本设计中用到的部件的介绍；最后总结了本设计过程中遇到的问题和某第 4 页 共 43 页些不足，以及总结设计过程中的所得。第 2 章 硬件电路的设计在电子温度计的总体模块包括信号传感部分、调理电路部分、单片机
10、控制部分、显示部分四大模块。系统的基本组成和工作原理传感器 单片机 数字显示芯片信号调理电路图 2.1 高精度电子温度计系统组成通过传感器将外部温度变化的模拟信号转换为电压量或者电荷量，再由信号调理电路进行放大、滤波等，然后把模拟信号输入单片机,由其内部的 A/D 转换器转换为数字量，通过软件控制，最后由数字显示芯片显示出来。2.1 测温电路的传感2.1.1 温度传感器的选择和介绍温度传感器的选择：选择温度传感器比选择其它类型传感器所需要考虑内容多许多。首先，必须选择传感器结构，使敏感元件在规定测量时间之内达到所测流体或被测表面温度。温度传感器输出敏感元件所测温度。实际上，要确保传感器指示温度
11、即所测对象温度，常常很困难。大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几方面问题： （1） 被测对象温度否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。（2） 测温范围大小和精度要求。（3） 测温元件大小是否适当。（4） 被测对象温度随时间变化场合，测温元件滞后能否适应测温要求。 （5） 被测对象环境条件对测温元件是否损害。 （6） 价格如何，使用是否方便。 半导体温度传感器是以集成电路结构制造的，基本设计原理基于半导体二极管的伏安特性与温度之间的关系。IC 温度传感器适合于-55+150温度范围内的应用。虽然 IC 温度传感器的测量范围比热电偶的测量范围小一些，但是它们有小封装、高精度
12、和低价格等特点，并且容易与其它器件连接，例如，放大器、稳压器、数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）。IC 温度传感器技术不断进第 5 页 共 43 页步，可以提供各种各样的功能、特性和接口。准确度：集成电路温度传感器的电压输出是与温度成线性比，即使在较高的温度范围内，集成电路温度传感器也具有很高的准确度；反之若采用热敏电阻器，就需依靠查表或加设电路才得知输出电压与温度的关系。要使用查表就表示需要有一个额外的记忆硬件，而无论是查表或是外加电路，成本都会较高。功率消耗：集成电路温度传感器的功率消耗较热敏电阻器为低，因为两者在感觉温度的方法都不同。集成电路温度传感器可以用很低的电耗就可以感觉
13、到温度，但热敏电阻器却是由电流消耗中感觉温度，功率消耗自然就比较高。而且，当长时间去感觉温度时，热敏电阻器本身的温度也会愈来愈高，它的温度准确性自然也大受影响。 成本：单一个的热敏电阻器的价钱可能较大部份的集成电路温度传感器为低，但是热敏电阻器需要跟其它有关的元件相配合才能达到一个集成电路温度传感器的准确度，故从整体价格来说，热敏电阻器却是较集成电路温度传感器为贵。而且，热敏电阻器需要更多印刷电路板的板面空间，对要求体积小的电子类产品，例如移动电话等，自然就非理想之选。再者，印刷电路板的成本是用电路板空间跟线路布置来结算的，电路板所需空间愈大，成本也愈高。反之，若采用集成电路温度传感器，需要较
14、少的芯片支持，有助节省印刷电路板的板面空间。而且，集成电路温度传感器更有助简化部分系统的设计，节省系统设计的时间，加快产品推出市场的时间。 选用集成温度传感器 AD590,其温度分辨率为 0.3。AD590 输出的是模拟信号，当温度为 0时，输出电流 273.2uA，并且电流变化量与温度变化量呈线性关系，温度每变化一度，输出电流变化 1 微安。如采用 AD590 作温度传感器，传感器外围电路比较简单，只需将采样电阻与 AD590 连接，然后对信号进行放大。AD590集成温度传感器：AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源电流输出型集成温度传感器的代表产品, 它是利用PN结正向电
15、流与温度成正比关系的原理制成的, 具有良好的互换性和性能稳定、使用方便、抗干扰能力强、输出阻抗高等优点。性能参数如下：输出电流为223uA (-50)423uA (+150)；灵敏度为1uA/；第 6 页 共 43 页AD590的测温范围为-55+150；电源电压范围为4V30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710M；精度高，AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA。对比另外一种非常常用而且
16、精度比较高的数字温度计DS18B20的性能指标：数字温度传感器DS18B20主要特点1. 适用电压为3V5V2. 912位分辨率可调 3. TO-92、SOIC及CSP封装可选 4. 测温范围：-55+125 5. 精度：-10+85范围内0.5 6. 无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起 7. 每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待批量价格6-8元。考虑到精度和非线性度，以及DS18B20内部已经是以二进制的形式存储，912位分辨率可调，初始设置为9位。而AD590的分辨率为0.3，对比DS18B20的分辨率为0.5，而且所选单片机ADC为12位，所以选择AD590。AD5
17、90 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 b-e结压降的不饱和值 VBE 与热力学温度 T 和通过发射极电流的关系实现对温度的检测。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型（可以串联一个 10K 欧姆的电阻）的灵敏度一般为 10mV/K，温度 0时输出为 2.732V，温度 25时输出 2.982V。电流输出型的灵敏度一般为 1uA/K。 2.1.2 AD590 的校正因为流过 AD590 的电流与热力学温度成正比，当电位器 RP5（见附录图中）第 7 页 共 43
18、 页的电阻为 10k 时，输出电压随温度的变化为 10mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把 AD590 放于冰水混合物中，调整电位器 RP5，使 VO=273mV。或在室温下(25)条件下调整电位器,使 （mV）。但这样调整只可保298573ov证在 0或 25附近有较高精度。但是由于是一款室温测量电路，所以这种校正已经比较合适。2.1.3 AD590 的应用AD590 用来测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于 AD590 精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，
19、常用于测温和热电偶的冷端补偿中应用。2.2 测温电路的放大在运放的选择上应该根据设计目标的综合考虑来决定运放类型,必须综合考虑设计目标的信号电平，闭环增益，要求精度，所需带宽，电路阻抗，环境条件及其它因素，并把设计要求的性能转换成运放的参数，建立各个参数的取值以及它们随温度、时间、电流电压等变化的范围,来选择具有最优性能价格比的运放,必须把设计目标的性能、所选择器件的性能指标与价格联系起来，以最低的价格获得符合设计目标提出的物理、电气和环境要求。例如:LM358 性能一般，价格便宜，双路，可单电源，双电源供电。OP07 高精度单运放, 低输入失调电压和漂移, 适合作前级放大器，放大微弱信号。使
20、用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求, 低输入失调电压：75uV(最大)；低失调电压温漂：1.3uV/(最大)；低失调电压时漂：1.5uV/月(最大)；低噪声：0.6uV P-P(最大)；宽输入电压范围：14V；宽电源电压范围：3V18V；价格2-4元 ；LM741 工业级标准，耐高温，精度一般，双电源供电，单路，可补偿；输入失调电压0.8mV；偏置电流：30nA；增益带宽积：1.5MHz ；转换速率： 0.7V/uS ；耗电流：1.7mA ；电源：+/-3V - +/-22V；LM318 输入失调电压4mV；偏置电流：150nA；增益带宽积：15MHz；转换速率：70V/uS；耗
21、电流：5mA；电源：+/-20V； LM747 普通双路运放；可补偿； 第 8 页 共 43 页OP27 高精度单运发；速度快；价格贵；OPA340 单电源微运算放大器；高精度；具有轨到轨的输入和输出，因此适合用于驱动AD转换芯片；轨到轨功能能较好的达到电源电压而不失真，因此可以较好的实现模拟到数字信号的转变。另外，OPA340用作模拟信号转化为数字信号时的隔离，因为在模拟信号传入单片机的时候，一般会有较大的电流，这时大电流将可能损害单片机，因此用OPA340做成隔离电压跟随器，一方面可以较好的保持原电压波形，另一方面可以隔离大电流，由运放电源输出的小电流输入单片机管脚，这样就保护了单片机。综
22、上所述，故选择了OPA340运放芯片作为本设计中采用的放大器,作为单片机的ADC前置电路.以下是OPA340的详细介绍:频带带宽GBW为5.5MHz；单通道的静态电流为750uA，可以工作在单电源和双电源模式下进行工作，本设计中采用单电源5V供电工作。它良好的工作特性使它成为出色的模数转换器的前置电路；本设计采用的OPA340为单运放集成运放芯片，良好的工作参数可以工作在最低2.5V供电状态；可以工作在-40+85，保存温度范围为-55+125，考虑到本课程设计的目的是测量室温温度，所以完全满足要求；OPA340芯片有8根引脚，其中2、3引脚分别为反相端和同相端，7、4引脚分别为正负供电电压，
23、6引脚为输出端；输出电压波动为40mV；工作电压范围：2.5V to 5.5V；IO = 0, VS = +5V时，静态电路为750uA；极限参数：驱动电压5.5V，单端输入电压(V)0.5V到(V+)+0.5V，单端输入电流10mA；封装信息:三种封装形式的温度范围都为-40+85,考虑到尺寸的大小不适合用双列直插式封装,故采用SO-8封装形式;应用参数：OPA340系列运放采用0.6mmCMOS制造工艺，它们稳定的放大增益参数适合于一系列广泛的应用，轨到轨输入输出端口使其成为采样A/D转换器的前置第 9 页 共 43 页理想放大器；对于电源驱动引脚，为了提高动态参数和减小电源波动对运放的影
24、响，常需要在电源输入端引入0.01uF的陶瓷电容作为旁路电容。工作电压：OPA340系列运放指定驱动电压在2.7V到5V之间，但是工作电压可以承受2.5V5.5V的电压范围，这种超过电源驱动电压范围而可以正常工作的模式是OPA340系列运放的一个独特的特点；此外，很多规格参数适用于-40 到+85。在整个工作电压范围内，大多数参数基本保持不变，动态性能特别好。2.3 测温电路的转换和控制2.3.1 单片机的选择和介绍单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还具有
25、外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成。早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而且性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始
26、出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系
27、列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的第 10 页 共 43 页Windows 和 Linux 操作系统。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机，甚至比人类的数量还要多。2.3
28、.2 单片机的应用领域目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴：1 在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。2 在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等。
