温度测量仪的设计

温度测量仪的设计
电信1302
刘志威
0121309340310
[摘要]本系统采用单片机AT89S51作为温度测量系统的检测核心，按键输入由单片机控制采用不同的方式，实现对不同方式的温度测量。

本系统采用四种方法进行测量：1.采用高精度温度芯片DS18B20进行测量；2.采用温敏电阻进行A/D测量，得出电压与电阻的关系，然后根据对应的阻值查找相应的温度值；3.采用NE555与温敏电阻组成多谐振荡器，当温敏电阻的阻值随温度变化时，振荡器的输出频率也随之变化；4.采用标称电阻与温敏电阻对电容进行充放电时间的对比，得出温敏电阻的阻值进行查找温度。

[关键字]温度测量不同方法18B20 NE555 多谐振荡 A/D采集充放电
一、系统整体设计方案
1.1系统整体功能
本系统采用单片机AT89S51作为温度测量系统的检测核心，按键输入由单片机控制采用不同的方式，实现对不同方式的温度测量。

本系统采用四种方法进行测量：1.采用高精度温度芯片DS18B20进行测量， DS18B20具有很多优点，它支持“一线总线”接口，体积小，无需外围软件，使系统设计更灵活、方便，只需一个引脚与单片机通讯即可；
2.采用温敏电阻进行A/D测量，得出电压与电阻的关系，然后根据对应的阻值查找相应的温度值；
3.采用NE555与温敏电阻组成多谐振荡器，当温敏电阻的阻值随温度变化时，振荡器的输出频率也随之变化；
4.采用标称电阻与温敏电阻对电容进行充放电时间的对比，得出温敏电阻的阻值进行查找温度。

1.2 系统实现框图
图1 系统总体框架图
二、各功能模块电路设计与分析
2.1单片机小系统设计：
AT89S51是一个低功耗，高性能8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。

单片机小系统硬件原理图（见图2）。

图2 单片机小系统硬件原理图
2.2 DS18B20设计：
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便，测量温度范围在－55。

C到＋125。

C之间，测量精度高。

（见图3）
图3 DS18B20模块电路
2.3 A/D采集模块的设计：
A/D采集模块采用OP07运算放大器和ADC0832串行模数转换器组成。

ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

（见图4）
图4 A/D模数转换模块电路
2.4 NE555多谐振荡器模块设计：
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

图5 NE555芯片内部图
NE555（见图5）定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。

若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。

如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

由上可设计出多谐振荡器。

（见图6）
图6 多谐振荡器模块
2.5电容充放电电路模块设计：
采用标称电阻和温敏电阻对电容充放电。

通过单片机测量他们的充放电时间，通过对比得到温敏电阻当前温度的阻值，进而确定当前温度值。

电路如图7。

图7 电容充放电电路
2.6显示电路模块设计：
采用LED数码管显示所测温度(见图8)。

在本设计中需要用到4只LED数码管进行动态显示可以达到要求。

采用LED的优点是亮度高，醒目，价格便宜，寿命长；显示0～9的数字和字符。

图8 显示电路
2.7报警电路模块设计：
报警电路使用三极管8050和蜂鸣器组成。

当温度超过或者低于设定温度值，单片机就驱动8050使蜂鸣器发出响声，进行报警提示。

电路如图9。

图9 报警电路
2.8 系统PCB设计
图10 PCB TopLayer
图11 PCB BottomLayer
三、系统的软件设计
整个系统的主要任务是应用不同的方法对温度进行测量。

通过按键可以在DS18B20、A/D电压采集、NE555多谐振荡器、电容充放电四种温度测量方式进行任意切换测量并显示。

系统上电默认进行DS18B20测温，并显示。

3.1 读ADC0832程序
/************读ADC0832函数************/
unsigned int Adc0832(unsigned char channel) //采集并返回
{
uchar i=0;
uchar j;
uint dat=0;
uchar ndat=0;
if(channel==0)channel=2;
if(channel==1)channel=3;
ADDI=1;
_nop_();_nop_();
ADCS=0;//拉低CS端
_nop_();_nop_();
ADCLK=1;//拉高CLK端
_nop_();_nop_();
ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿1 _nop_();_nop_();
ADCLK=1;//拉高CLK端
ADDI=channel&0x1;
_nop_();_nop_();
ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿2 _nop_();_nop_();
ADCLK=1;//拉高CLK端
ADDI=(channel>>1)&0x1;
_nop_();_nop_();
ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿3 ADDI=1;//控制命令结束
_nop_();_nop_();
dat=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
dat|=ADDO;//收数据
ADCLK=1;
_nop_(); _nop_();
ADCLK=0;//形成一次时钟脉冲
_nop_();_nop_();
dat<<=1;
if(i==7)dat|=ADDO;
}
for(i=0;i<8;i++)
{
j=0;
j=j|ADDO;//收数据
ADCLK=1;
_nop_();_nop_();
ADCLK=0;//形成一次时钟脉冲
_nop_();_nop_();
j=j<<7;
ndat=ndat|j;
if(i<7)ndat>>=1;
}
ADCS=1;//拉低CS端
ADCLK=0;//拉低CLK端
ADDO=1;//拉高数据端,回到初始状态dat<<=8;
dat|=ndat;
return(ndat); //return ad data }
3.2 程序流程图
程序流程图如下所示：
四、元器件清单：
【1】李广弟单片机基础北京航空航天大学出版社2006 【2】肖来胜单片机技术实用教程华中科技大学出版社2004。