基于單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

摘要：基于實(shí)際應(yīng)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(jī)最小系統(tǒng)，采用等精度頻率測量技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款高精度數(shù)字溫度計(jì)。該方案采用ATF1504芯片作為可編程邏輯器件，以高靈敏度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻為溫度傳感器。利用ATF1504芯片與單片機(jī)配合完成待測信號頻率的精確測量，從而實(shí)現(xiàn)溫度的精確測量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該溫度計(jì)的測溫相對誤差小于0．3％。
關(guān)鍵詞：溫度計(jì)；等精度；CPLD；單片機(jī)；熱敏電阻

溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y量和控制的一個(gè)物理量。傳統(tǒng)的溫度計(jì)有反應(yīng)速度慢、讀數(shù)麻煩、測量精度不高、誤差大等缺點(diǎn)，而在某些特定的場合，器材設(shè)備對溫度的要求極高，設(shè)計(jì)一種高精度的溫度計(jì)就顯得十分有意義。設(shè)計(jì)的高精度溫度計(jì)有著線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了模塊化、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。

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

設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)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(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)緩存及顯示部分，原理圖如圖1所示。設(shè)計(jì)中用到的主要模塊有：1)單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。2)CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)。復(fù)雜可編程邏輯器件。其具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“與或陣列”，該結(jié)構(gòu)來自于典型的PAL、GAL器件的結(jié)構(gòu)。任意一個(gè)組合邏輯都可以用“與-或”表達(dá)式來描述，所以該“與或陣列”結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)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(dá)16個(gè)乘積項(xiàng)作為其輸入)及其他有用特性。因?yàn)槊總€(gè)宏單元用了16個(gè)乘積項(xiàng)，因此設(shè)計(jì)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(jī)與CPLD之間的三總線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2 硬件部分設(shè)計(jì)
2．1 溫度與頻率轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)
由熱敏電阻與555定時(shí)器構(gòu)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：