用单片机进行数字信号处理的温度计

摘要：采用单片机来开发显示仪表，具有测量精度高，功耗低，稳定可靠，成本低等特点。文中介绍了一个数显温度计的设计思路。 关键字：AT89S51单片机 温度传感器AD590 模数转换电路 译码/驱动电路 LED数码管 0．引言 随着计算机的发展，在气象系统中逐渐使用智能化仪表来进行温度的测量，测量仪表精确度的高低，直接影响着居民的生活和企业的经济效益。那么在我国现有经济水平下，使用单片机开发的温度显示仪表是非常适用的，该仪表测量精度高，不仅适用于气象中，还广泛适用于工业以及家庭。 1．系统概述 要设计一个能够数字显示测量温度的温度计，首先要有温度信号采集电路，在本设计中，我们采用的电流型温度传感器AD590来构架温度采集系统，采集到的温度信号经过传感器的处理转换成电信号，但是我们得到的还是比较微弱的模拟号，要对信号进行放大，然后将此模拟信号转换成单片机所能够接受、处理的数字信号，经过程序处理后，单片机输出相应的数字信号，通过译码环节最终用七段LED显示器显示出来。 2．系统组成 温度计电路组成框图如下图所示： 3．系统硬件电路 3.1检测电路 本课题主要是对温度实现控制，而我们要控制温度首先就是对温度进行检测。本设计电路采用了温度传感AD590。AD590（0℃时为273.2μA）产生的电流与绝对温度成正比，温度每增加1℃，其电流增加1μA，它可接收的工作电压为4V～30V，检测的温度范围为-55℃～+150℃。它有非常好的线性输出性能，与其他温度传感器比较，具有灵敏度高、线性好、简便的特点。 3.2放大电路 AD590是通过电流反映温度的，而AD590产生的电流非常小，自然加在电阻两端的电压也非常的小,电压变化的幅度也很小,所以必须通过放大电路对其进行放大,其LM741具有功耗小，性能好等优点，因此我们采用LM741组成比例放大器。本设计中一共使用了3个比例放大器,但是其作用是不一样的。这样既保证了信号的阻抗匹配，又使其相位保持不变。 3.3转换电路 由于单片机只能处理电信号，而温度信号不能直接送给单片机，所以需要通过A/D转换来实现对温度的控制。A/D转换器是用于把模拟量转换成数字量的元器件，把输入的模拟电压直接转换成数字代码，A/D转换器目前应用广泛。本电路中的ADC0804是8位逐次逼近型的A/D转换器，转换速度快、精度较高，能够达到设计的要求，所以决定本设计电路用ADC0804作为模数转换的器件。ADC0804引脚图如下： 3.4处理电路 本设计电路硬件的核心是ATMEL生产的AT89S51单片机，它是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。 3.5译码电路 译码是编码的反过程，是将给定的二进制代码翻译成编码时赋予的原意，完成这种功能的电路称为译码器。A/D转换成的数值经芯片AT89S51处理后，由于转换后的的信号直接控制数码管显示比较复杂，因此我们采用译码器来进行译码显示。 3.6显示电路 由译码器进行处理，就是把机器运行的二-十进制BCD码译成十进制数的代码，并通过显示器显示出来。在本设计电路中显示器采用LED数码管，优点是工作电压较低、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高，显示清晰。它有共阳极和共阴极之分，由于身边只有共阳极的数码管，所以本设计就使用了共阳极的数码管。 3.7数字温度计整体原理图 通过上面对各个部分电路的分析，其整体原理图见附录。 本设计具有以下特点： 1、采用了微处理技术，可靠性高。 2、采用了微功耗器件，耗电低。 3、可数字显示被测量的温度。 4、数显温度计测量精度高。 技术性能： 1、测温范围为-50℃～150℃。 2、分辨率为0.01℃。 3、产生的信号为0～5V控制信号。 4、误差等级：±1、±0.5、±0.3℃ 5、电源：5V、+12V、-12V直流电。 4．软件设计部分 4.1程序流程框图 本课题设计的温度计是通过信号的多次转换后，最后显示出温度。信号是如何转变成温度显示出来的？是怎么显示的？这都要事先计算好，然后编到程序里。 例如：当ADC0804输入电压为4V，其对应的温度就是80℃。具体如下： 1）、4V经A/D转换后为C8H。 2）、C8H经十进制转换为0200，R4=02，R5=00。 3）、再将此0200×4=0800，R4=08，R5=00。 4）、小数点设在D2上，其分别显示为 0 8 0. 0 D4 D3 D2 D1 由上面硬件电路及控制要求分析可以得出程序流程图，如下图： 3.2、程序及说明 ORG 0000H ANL P1,#0F0H ；清除显示器 START:MOVX @R0,A ；令ADC0804 开始转换/WR=0 WAIT:JB P2.0,ADC ；检测ADC0804转换完成否？ ACALL DISP ；调用显示子程序 JMP WAIT ADC: MOVX A,@R0 ；将转换好的数据读入 ACALL L1 ；调用十进制转换子程序 MOV R1,#05H ;显示延时 DISP1: ACALL DISP ；调用显示子程序 DJNZ R1,DISP1 JMP START L1: CLR C MOV R5,#00H ；十进制转换的低位寄存器 MOV R4,#00H ；十进制转换的高位寄存器 MOV R3，#08H ；调整次数 NEXT: RLC A ；将欲转换的最高位移到C中 MOV R2,A ；暂存于R2 MOV A,R5 ADDC A,R5 ；R5乘2加C DA A ；做十进制调整 MOV R5,A ；结果存回R5 MOV A,R4 ADDC A,R4 ；R4乘2加C DA A ；做十进制调整 MOV R4,A ；结果存回R4 MOV A,R2 DJNZ R2,NEXT ；做十进制调整结束？ L2:MOV R7，#01H MOV A,R5 ADD A,R5 ；R5乘2 DA A ；做十进制调整 MOV R5,A ；存入R5 MOV A,R4 ADDC A,R4 ；R4乘2加C DA A ；做十进调整 MOV R4,A ；存回R4 DJNZ R7,L2 RET DISP: MOV A,R5 ANL A,#0FH ；取低4位，即D1的值 ORL A,#10H ；令D1使能+D1值 MOV P1,A ；显示D1 ACALL DELAY MOV A,R5 ANL A,#0F0H ；取高4位，即D2的值 SWAP A ；高低4位交换 ORL A,#20H ；令D2使能+D2值 MOV P1,A ；显示D2 ACALL DELAY MOV A,R4 ANL A,#0FH ；取低4位，即D3的值 ORL A,#40H ；令D1使能+D3值 MOV P1,A ；显示D3 ACALL DELAY MOV A,R4 ANL A,#0F0H ；取高4位，即D4的值 SWAP A ；高低4位交换 ORL A,#80H ；令D4使能+D4值 MOV P1,A ；显示D4 ACALL DELAY CLR A RET DELAY: MOV R6,#10 ；5毫秒 D1: MOV R7,#248 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET END 参考文献： 1、沈庆阳主编《8051单片机实践与应用》清华大学出版社 2、张志梁主编《单片机原理与控制技术》机械工业出版社 3、肖景和编著《CMOS数字电路应用》中国电力出版社 4、何立民编著《单片机应用系统设计》北京航天大学出版社 5、扬志忠主编《数字电子技术》高等教育出版社 附录: 系统电路原理图