單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

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%。

溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y量和控制的一個物理量。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。一個宏單元包含一個寄存器(使用多達(dá)16個乘積項(xiàng)作為其輸入)及其他有用特性。因?yàn)槊總€宏單元用了16個乘積項(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：

其中Rn是熱敏電阻NTC，C為放電電容，RN是在額定溫度TN（K）時的NTC熱敏電阻阻值，T規(guī)定溫度（K），B是NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由以上兩個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(xiàn)頻率到溫度的轉(zhuǎn)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(dǎo)體熱敏電阻NTC的特性曲線（溫度與電阻的關(guān)系）。在一定溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)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(shù)a不僅與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)而且與它的尺寸均有關(guān)，而常數(shù)b僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，常數(shù)a和b可通過實(shí)驗(yàn)方法測得，計(jì)算出a和b后，就可以根據(jù)公式（3）計(jì)算出溫度值。因?yàn)镹TC的阻值和溫度之間是指數(shù)關(guān)系，以單片機(jī)為處理器的系統(tǒng)計(jì)算這一方程效率很低，因此本文使用查表法與插值法計(jì)算溫度，提高了測量的效率，簡化了計(jì)算的復(fù)雜性。假設(shè)測溫范圍為-10～50，可先將-10～50分為60段，每一度的氣溫對應(yīng)一段頻率值。然后分別將NE555電路在-10°，-9°，-8°……48°，49°，50°時的輸出頻率實(shí)際測試出來并存儲在單片機(jī)的ROM中，建立時鐘頻率與溫度的對應(yīng)表。而在每一個度的溫度段內(nèi)近似認(rèn)為頻率與溫度成線性關(guān)系在實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中，首先根據(jù)測量的時鐘頻率確定其所在的溫度段，再按線性方程求出此頻率所對應(yīng)的溫度值，由此實(shí)現(xiàn)由頻率到溫度的轉(zhuǎn)換。

2.2 等精度測頻電路的實(shí)現(xiàn)

等精度測頻的主要思想：利用兩個計(jì)數(shù)器在同一時間段內(nèi)同時對兩個時鐘信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，由已知時鐘的頻率和兩個計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可得出待測信號的頻率。具體如圖4所示，首先設(shè)置時鐘閘門信號的寬度，在這段時間內(nèi)，計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2同時對兩個時鐘信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器1所計(jì)的時鐘信號的頻率為已知的基準(zhǔn)時鐘，其頻率為Fb。計(jì)數(shù)器2所計(jì)的時鐘信號為待測的時鐘信號，假設(shè)在等時間內(nèi)計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)數(shù)值分別為Nb和Nx。由兩計(jì)數(shù)器在同時間段內(nèi)計(jì)數(shù)，有以下關(guān)系式：

等精度測頻功能的實(shí)現(xiàn)需要單片機(jī)與CPLD的協(xié)調(diào)合作實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)器1用單片機(jī)的定時器1實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器2用CPLD來配置。單片機(jī)部分的主要作用是：負(fù)責(zé)控制外部計(jì)數(shù)器和內(nèi)部定時器計(jì)數(shù)器的開啟與關(guān)閉；外部計(jì)數(shù)器和內(nèi)部定時器計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)的讀取；處理以及數(shù)據(jù)輸出緩存。測量開始，單片機(jī)首先發(fā)出清零信號，對外部CPLD計(jì)數(shù)器清零，然后將內(nèi)部定時器清零，配置成外部時鐘控制方式，然后發(fā)出計(jì)數(shù)啟動信號，隨后進(jìn)入等精度頻率測量計(jì)數(shù)模式，單片機(jī)通過查詢計(jì)數(shù)器，判斷計(jì)數(shù)時間，該計(jì)數(shù)時間必須小于外部32 bit計(jì)數(shù)器溢出時間，時間一到，單片機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)信號，查詢引腳P3.2，確認(rèn)計(jì)數(shù)停止，讀回外部計(jì)數(shù)結(jié)果和內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果，假設(shè)分別為N1和N2，定時器計(jì)數(shù)時間間隔為T1，那么被測信號的頻率F=（N1/N2）T1，將計(jì)算出的數(shù)據(jù)輸送到頻率溫度轉(zhuǎn)化模塊等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

CPLD部分主要完成對被測信號的測量計(jì)數(shù)和總線設(shè)計(jì)。由于所用CPLD芯片內(nèi)資源較少，其內(nèi)部只能設(shè)置一個32位計(jì)數(shù)器。這部分在Max+p lusII環(huán)境下完成電路的硬件設(shè)計(jì)與仿真，采用原理圖輸入。硬件設(shè)計(jì)共包括4個部分：輸入、輸出、計(jì)數(shù)器和總線接口部分。總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中mcu_ctrl模塊為總線接口模塊，frequency模塊為測量計(jì)數(shù)模塊。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

源程序流程圖如圖6所示。

主要程序分析（頻率溫度轉(zhuǎn)換部分）：

計(jì)算單片機(jī)的計(jì)數(shù)并根據(jù)基準(zhǔn)時鐘的脈沖數(shù)目，時鐘周期由被測信號脈沖數(shù)目計(jì)算出待測信號頻率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過與基準(zhǔn)溫度對比的方法對設(shè)計(jì)的溫度計(jì)精度進(jìn)行驗(yàn)證。首先使用精度較高的溫度計(jì)測得實(shí)際溫度作為基準(zhǔn)溫度，然后利用設(shè)計(jì)好的數(shù)字溫度計(jì)測量實(shí)際溫度與基準(zhǔn)溫度進(jìn)行對比，測量結(jié)果如表1所示。通過對比測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)測量的溫度與基準(zhǔn)溫度相差很小，絕對誤差小于0.1℃，相對誤差小于0.3%，達(dá)到了設(shè)計(jì)的精度要求。

總之，通過利用單片機(jī)與CPLD的配合完成頻率的精確測量，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)處理的精確性，使設(shè)計(jì)的溫度計(jì)的精度達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。在系統(tǒng)中等精度頻率測量模塊采用8位51單片機(jī)定時器作為基準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)器，由于該基準(zhǔn)信號頻率較低，對精度有一定影響。如果采用更高頻率基準(zhǔn)信號，測頻精度還可提高，從而提高測量溫度的精度。