1、 西华大学课程设计说明书 高精度温度检测装置 摘 要 ： 为了实现 xxxx，采用 /提出了一个 智能温度检测装置的设计方案，该检测装置通过集成温度传感器温度的变化对应电流的变化，再将电流的变化转换为电压的变化，该电压信号经放大后通过 A/D 转换器后将模拟信号转化为数字信号。最后将数字信号送入 AT89C51 单片机，经过软件的控制，在 LED 上显示输出相应的温度值，温度检测范围是 XXX，精度是 XXX。并提供了与 PC 机的串行通信接口，上位机采用VB 编程实现了时刻温度检值的监测记录 。 关键词： 集成温度传感器，温度检测， A/D， AT89C51， LED Abstract: T
2、he change of the temperature in AD590 is the current change in this design ,then convert the change of the current into voltages .the signal is amplified, then the anology was transformed into digital signal . Digital signal is transmitted into 89C51, and the results of temperature is displayed in t
3、he LED by the control of the software . The system has such advantages as novel circuit design， high measurement accuracy， and good practicality. Keywords: IC Temperature Sensor, Temperature Measurement, A/ D, AT89C51, LED 注意：本页行间距 20 磅，中文宋体 小四，英文字体为 Times New Roman 小四 西华大学课程设计说明书 第 I 页 目录 1 前言 .1 2
4、 整体方案设计（换页。之前空一行，空行为小 四） .2 2.1 方案论证 . 2 2.2 方案比较 . 3 3 单元模块设计 （换页。之前空一行，空行为小四） .4 3.1 集成温度传感器及放大模块 . 4 3.1.1 AD590 介绍 .4 3.1.2 AD590 介绍 .5 3.2 MC14433 的工作原理 . 6 3.3 单片机模块 . 9 4 软件设计（换页。之前空一行，空行为小四） . 10 5 系统技术指标及精度和误差 分析（换页。之前空一行，空行为小四） .11 6 结论（换页。之前空一行，空行为小四） . 12 7 设计小结（换页。之前空一行，空行为小四） . 13 8 参考
5、文献（换页。之前空一行，空行为小四） . 14 附录 1：电路总图（换页。之前空一行，空行为小四 ） . 15 附录 2：软件代码（换页。之前空一行，空行为小四 ） . 16 西华大学课程设计说明书 第 1 页 (空一行，空行为小 四 ) 1 前言 温度是表征物体冷热程度的物理量，温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。 进入 21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。 温度测试仪在工业、农业等方面
6、发挥着至关重要的作用。比如农业上的温室大棚、育种， 。 本文针对 XXX，在讨论 XXX 的设计方案的基础上，拟设计一个 XXXX 系统，包括各模块硬件电路 设计和软件设计。 特别注意：只要不是本章最后一页，不允许留空白，若遇到图形放不下的情况，可以通过调整文字填满前页！ 西华大学课程设计说明书 第 2 页 (空一行，空行为小四 ) 2 整体方案设计 （换页。之前空一行，空行为小四） Xxx 的整体思路是：利用流过集成温度传感器电流随温度线性变化的关系，将电流的变化转换为电压的变化，即 0时输出电压为 0V 显示在数码管上的数字为 000.0。当 100时输出电压为 100mV 通过 AD 转
7、换器输出显示在数码管上的数字为 100.0。即温度在 0100时电压的变化就对应于温 度的变化。数码管上输出的数字就是对应于所测量的实际温度。 2.1 方案论证 针对 XXX，可以采用两个方案，具体的方案见方案一和方案二。 方案一： XXXX 方案 采用铂电阻温度传感器的电阻与温度的关系是非线性的，用电桥实现温度升高引起的电阻变化对应于电压的变化。经 A/D 转换器后，送入锁存器锁存，在经译码器输出后，再在数码管上显示，由于 74LS373 具有锁存功能就能实现四位的温度显示。由于铂电阻与温度的关系是非线性的，因此输出的结果不能达到我们所要求的精度。 图 2.1 测温 整体方案一框图 方案二：
8、 XXXX 方案 见图 2.2.利用集成温度传感器的电流与温度的变化为线性的，我们将电流转换为电压的变化，通过放大电路输出送入 A/D 转换器 A/D 转换器输出后进入单片机系统，通过软件的控制，将电压对应于温度的数值通过查表的方式得出结果。在 LED 上显示出来。 电桥测温电路 放大电路 A/D 转换电路 锁存器 74LS373 译码器 7448 LED 数码显示 西华大学课程设计说明书 第 3 页 图 2.2 测温 整体方案二框图 2.2 方案比较 由于方案一涉及的电路相对较多，消耗的功率相对较大，而且单片机采集数据更加方便，便于处理，而且单片机已经成为主流产 品。单片机在电路上相对比较简
9、单，而且消耗的功率相对较少，调试也较方便，因此设计采用了方案二。集成温度传感器 放大电路 A/D 转换电路 单片机模 块 LED 显示模块 西华大学课程设计说明书 第 4 页 (空一行，空行为小四 ) 3 单元模块设计 （换页。之前空一行，空行为小四） 集成温度传感器实际上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 be 结压降的不饱和值 Vbe 与热力学温度 T 和通过。 (两级标题之间需要有文字说明 ) 3.1 集成温度传感器及放大模块 集成温度传感器实际上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 be 结压降的不饱和值 Vbe 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的关系实现对温度的检测：
10、qKITVbe I （ 1） 式中， K-波尔兹常数： q电子电荷绝对值。 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，得到广泛的运用。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。电压输出的灵敏度一般位 10MV/K，温度为 0时输出为 0V。 目前，测温元件比较多，如热电偶。热敏电阻，PN 结温度传感器和石英晶体温度传感器等。 AD590 是一种新型的两端式恒流器件。 3.1.1 AD590 介绍 AD590 是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器，它兼有集成恒流源和温度传感器的特点，具有测量温度误差小，动态阻抗高，响应速度快，传输距离远，体积小
11、，微功耗等优点，适合远距离测温，控温，不需要线性校准的特点。 1、流过器件的电流（ A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： 1TIr A/K （ 2） 式中： 流过器件（ AD590）的电流，单位为 A； T 热力学温度，单位为 K。 2、 AD590 的测温范围为 -55 +150。 3、 AD590 的电源电压范围为 4V 30V。电源电压可在 4V6V 范围变化，电流 变化 1A，相当于温度变化 1K。 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 710M。 5、精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、
12、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。 其性能特点： AD590 属于采用激光修正的精密集成温度传感器。其内部电路见图 3.1 所西华大学课程设计说明书 第 5 页 示。 3.1.2 AD590 介绍 AD590 是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度 传感器，它兼有集成恒流源和温度传感器的特点，具有测量温度误差小，动态阻抗高，响应速度快，传输距离远，体积小，微功耗等优点，适合远距离测温，控温，不需要线性校准的特点。 1、流过 芯片中的 R1和 R2是采用激光 修正的校准电阻，它能使 +25下的输出电流恰好微 298.2uA。首先有晶体管 VT
13、8 和 VT11 产生与热力学温度成正比的电压信号。，在通过 R5,R6 把电压信号转换微电流信号，为保证有良好的温度特性， R5,R6 的电阻温度系数应非常小，这里采用激光修正的 SiCr 薄模电阻，其电阻温度系数低， VT10 的集电极电流能 够跟随 VT9 和 VT11的集电极电流的变化，使总电流达到额定值。 R5 和 R6也需要在 25的标准温度下校准。 AD590 等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗 10M ，能大大减小因电源电压波动而产生的测量误差，例如，当电源电压从 5V 变化到 10V 时，所引起的电流最大变化量仅为1uA，等价于 1的测温误差。 AD590 的工作电压为 +
14、4 30V，测温范围是 -55 +150，对应于热力学温度 T 每变化1K，输出电流就变化 1uA.其输出电流 Io（ uA）与热力学温度 T（ K）严格 成正比。电流温度系数 K1 的表达式为： K1= qRKTI 30 8 （ 3） 图 3.1 XXX 因此，输出电流的微安数就代表着被测量温度的热力学温度值。 AD590 的电流温度（ I-T）特性曲线见图四所示，热力学温标（ K）与摄氏温标（）的换算关系如下图 3.2所示： 外部存储器 电路 JTAG 接口 GPIO 接口 CAN 总线接口 电源电路 RS232 串口 RTL8019AS 以 太网接口电路 LPC2290 (ARM7TDM
15、I-S) I2C 总线 矩阵键盘电路 彩色液晶屏 西华大学课程设计说明书 第 6 页 T( )=T(K)-273.15 （ 5） A/D 转换器 MC14433 的输入信号从第三脚输入，输入的是模拟信号，经过 A/D 转换后，从 Q0,Q1,Q2,Q3 口输出为 BCD 码的形式， DS1,DS2,DS3,DS4 为选通信号端，决定哪一位输出信号，将输出的信号送入锁存器的输入端口，将选通信号送到锁存器的使能端。来实现数据的锁存，译码后，在数码管上显示。 3.2 MC14433 的工作原理 MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 1/2 位 A/D 转换器，其中集成了双积分
16、式A/D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻 抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻 容件即可构成一个完整的 A/D 转换器， 当测量温度传感器的输出电压为 0 伏时，其对应的温度是 0；当测量温度传感器的输出电压为 1.000 伏时，其对应的温度为 100。在线性范围内传感器变化 1时，电压的变化为 10 mv。测量的电压即可得到测量温度，必须对输出电压 A/D 转换为 BCD 码的形式经过译码显示电路，再由数码管显示相应的温度值。 MC14433 的芯片图如图 3.5 和图 3.6 所示： 其主要功能
17、特性如下： 1、 精度 ：读数的 0.05%1 字 1、 模拟电压输入量程： 1.999V 和 199.9mV 两档 2、 转换速率： 2-25 次 /s 3、 输入阻抗：大于 1000M 4、 电源电压： 4.8V8V 5、 功耗： 8mW（ 5V 电源电压时，典型值） 6、 采用字位动态扫描 BCD 码输出方式，即千、百、十、个位 BCD 码分时在 Q0Q3轮流输出，同时在 DS1DS4 端输出同步字位选通脉冲，很方便实现 LED 的动态显示。 7、 MC14433 最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的 A/D 转换接 口 。 西华大学课程设计说明书
18、第 7 页 图 3.6 XXXX 图 若需要较高的时钟频率稳定度，则需采用外接石英晶体或 LC 电路， 见 图 3.7 和图 3.8。 分器 .积分器的输出波形如下所示 ,A2 接成比较器 ,主要的功能是完成 ”0”电平捡出 ,比较器输出作为内部数字监控电路的一个判别信号。 由于三个运放在工作时不可避免的存在失调电压 ,因此在转换过程中 ,还得进行自动调零 .在调零操作过程中 ,还得进行自动调零的工作 .在调零的过程时 ,跟随器和积分器的失调电压存放在补偿电容 C0 上 .而比较器的失调电压用数字心事存放在内部的寄存器中，在转换时积分 输入电压要经 C0 耦合，由此实现自动调零工作。 一次 A
19、/D 转换过程从开始道结束共分为六个阶段，上图中阶段一和阶段三为模拟调零的过程，在这两个阶段中，把跟随器与积分器的输入失调电压存放在电容 C0 上。这两个阶段 分别占用 4000 个脉冲周期。阶段二与阶段五为数字调零的过程，在阶段二中，把比较器的失调电压以数字的形式存放在那比锁存器中，在阶段五，则把该数字扣除。因此这两个阶段锁占用的脉冲周期相等，具体时间由比较器的失调电压决定，但最多不超过 800 个时钟脉冲周期，阶段四与阶段六分别为输入电压 V,和基准电压 Vref进行积 分，并在阶段六结束时得到 A/D 转换结果，这两个阶段也分别占用 4000 个脉冲周期。 由上面的分析可以知道，一次 A
20、/D 转换周期约需 16400 个时钟脉冲周期，当时钟脉冲频率为 66KHz时，每秒可进行四次 A/D 转换。 上面的逻辑框图中，除了模拟部分外，还包括： （ 1）三位半十进制计数器用来技术 0 19999 （ 2）锁存器存放 A/D 转换结果 上位机 键盘 温度测试电路 显示电路 （ LCD） 报警电路 AT89C51 单片机 湿度测试电路 西华大学课程设计说明书 第 8 页 （ 3）多路开关输出多路调制的 BCD 码 Q0Q3,并输出多路调制选通脉冲信号DS1DS4。下图显示出转换周期结束标志输出信号 EOC 和 DS 信号的时序波形 其时序见图 3.10： EOC在每一次 A/D转换周期
21、结束时输出一正脉冲。正脉冲宽度为时钟周期的二分之一。DS 信号为高电平有效选通，在对应 DS2,DS3,DS4 选通期间， Q0Q3 输出 BCD 全位数据，即以 8421 码方式输出十进制数的 09，其中 DS4 对应个位， DS3 对应百位， DS2 对应十位，DS1 对应千位。在 DS1 选通期间 ,Q0Q3 输出千位的 0 或 1 及过量程，欠量程和极性标志信号。 E O CD S 1D S 2D S 3D S 4（最低位）1 / 2 CL K 周期1 6 4 0 0 个时钟周期18 个时钟周期2 个时钟周期（最高位）图 3.10 A/D 转换器时序模块图 输出形式如表 3.1 所示：
22、 表 4.2 CAN 模块的存储器映射 地址范围 用途 E003 8000 87FF 验收过滤器 RAM (2048 字节 ) E003 C000 C017 验收过滤器寄存器 E004 0000 000B 中央 CAN 寄存器 E004 4000 405F CAN 控制器 1 寄存器 E004 8000 805F CAN 控制器 2 寄存器 （ 1） Q2 表示电压极性， Q2=“ 1”为正极性，反之为负极性。 （ 2） Q0=“ 1”表示超量程； Q3=“ 1”时，说明 Vx超出量程范围。当和 Q3 一起使用时，就可以指示出过量程或欠量程。过量程时，转换结果大于 1999，则 Q3=0Q0=1；欠量 程时，转换结果小于 180，则 Q3=1,Q0=1，这些标志信息可用于自动量程切换电路。 （ 3） 逻辑控制产生 A/D 转换六个阶段的节拍，并控制转换结果的输出。若
