数字式温度测量电路设计

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1、数字式温度测量电路设计数字式温度测量电路设计 专业班级：电 子 1035 班 姓 名： 陈艳 时 间：1 月 1 日 -1 月 12 日 指导教师：皇甫立群 2007 年 1 月 9 日 数字远程温度测量数字远程温度测量 一一. . 设计目的设计目的 专业方向课程设计是一项重要的实践性教育环节,是学生在完成本专业所有 课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的,系统的,综合的工程训练.在教师 指导下,运用工程的方法,通过一个较复杂课题的设计练习,可使学生通过综合的 系统设计,熟悉设计过程,设计要求,完成的工作内容和具体的设计思想。 二二. . 设计要求及课程简介设计要求及课程简介 本课题的具体要

2、求即:基本测量范围-50-150,精度误差小于 0.2,非线 性度小于 0.2%，LED 数码直读显示,可远距离测量温度. 温度传感器类型较多, 近年来集成温度传感器被广泛应用,例如 AD590 就是一个线性度优良的电流型温 度传感器。使用传感器将温度信号转换为电流信号后经放大预处理环节后将输 出一个温度成比例的电压信号。 三三. . 设计分析设计分析 数字式温度测量是采用数码管直接显示出被测温度值,这种数字显示不仅 直观,测量精度高而且便于控制.本设计根据课题要求，主控器单元是单片机 AT89C51 和 V/F 转换器 AD654，选用完全符合测量温度范围要求且价格低廉的 AD590 作为温

3、度传感器，信号的调理主要由失调电压很低、线性误差极小的高 精度仪用放大器 AD622(也可以用三个 LM324 组成的减法器)来完成。具有温度 数码显示（精确到 0.1 度） ，超出量程报警（红色 LED 管或用蜂鸣器）及自动断 电等功能；也符合目前对工业现场参数远程监控的要求（用方波传数据，抗干 扰强）！ 经过各项实验测试，该系统的性能指标达到了任务书的基本要求！该 系统根据需要，稍加改造可方便地移植于对压力、液位、流量等方面的检测,其 实就是换一个传感器就可以了！该设计控制器使用单片机 AT89C51，测温传感 器使用 AD654，用 4 位共阳极 LED 数码管实现温度显示,能准确达到以

4、上要求。 四四. . 总体设计方案总体设计方案 1.1.设计方案论证设计方案论证 方案一：由于本设计是测温电路，使用热敏电阻类器件作为感温器件(找 了很多这样的器件, 精度达不到要求)，然后把变化的电压或电流采集下来，进 行 A/D 转换器转换后，送到单片机进行数据处理，然后就可以将被测温度显示 出来。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、 化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如 PT100、PT1000 等。这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有- 55+125，而且温度的测量精度都不高，好的才0.5,一般有2左右， 因此在高精度的场合不太满

5、足用户的需要。这种设计感温电路麻烦，数据准确 度也不高，精度达不到要求,而且我对此了解不多，就放弃了。 方案二：重新考虑用温度传感器，一开始找到了 LM92，是美国半导体公 司近期生产的一种高精度数字温度传感器,内含 12 b 温度 A/D 转换器,工作电压： 2.7+5.5 V;测温范围：-55150 ;精度：0.333 （30 时）。但 精度达不到本设计的要求，放弃！查找到 AD 公司生产的数字温度传感器 AD741X 系列,其内部包括一个温度传感器和一个 10 位 A/D 转换器，精度可达 0.25，但还是精度不够！找了很多温度传感器，综合考虑，最后还是采用温 度传感器 AD590，价格

6、廉价，精度高，线性优良,使用方便且适于远距离传送！ 使用温度传感器，然后把变化的电压采集下来，进行 V/F 转换器 AD654 转换后， 送到单片机进行数据处理，最后就可以将被测温度显示出来！ 比较上述两种方案，采用方案二，电路比较简单，可以达到要求(主要是精 度)，故采用了方案二。 2.2.方案二的总体设计框图方案二的总体设计框图 温度测量电路总体设计框图如图 1 所示，主控器件采用单片机 AT89C51 或 AT89C2051，温度传感器采用 AD590，采用一个红色发光二极管(或蜂鸣器)显示 超出量程, 4 位 LED 数码管实现温度显示。 主 控 器 件 AT89C51 温 度 采 集

7、 调节输出电压值 V / F 转 换 显 示 电 路 超出量程显示 复位电路及晶振 图 1 总体设计方框图 五五. . 硬件电路及设计分析系统整体硬件电路硬件电路及设计分析系统整体硬件电路 总原理图总原理图 单片机 AT89C51 部分，它控制着数据显示、温度数据处理功能。 根据以上各功能模块得到应用电路总原理图。 . . 电路分析电路分析 温度采集温度采集 AD590 是电流型集成温度传感器, 流过器件的电流（mA）等于器件所处环境 的热力学温度（开尔文） AD590 可测量-55+150范围的温度, AD590 的电源电压工作范围为 4V30V。电源电压可在 4V6V 范围变化，电流变化

8、1mA，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 AD590 可用于测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多 点平均温度的具体电路,广泛应用于不同的温度控制场合。由于 AD590 精度高、 不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。 图 4 所示是 AD590 的内部电路， 。R5、R6 是薄膜工艺制成的低温度系数电 阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10 为对称的 Wilson 电路，用来提高阻抗。 T5、T12 和 T10 为启动电路，其中 T5 为恒定偏置二极管。 T6 可用来防止电源反接时损坏

9、电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2 为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4 是为热效应而设计的连接 方式。而 C1 和 R4 则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得 T9，T10，T11 三 者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流 I 的 13。T9 和 T11 的发射结 面积比为 8：1，T10 和 T11 的发射结面积相等。 T9 和 T11 的发射结电压互相反极性串联后加在电阻 R5 和 R6 上，因此可以 写出： UBE（R62 R5）I3 R6 上只有 T9 的发射极电流，而 R5 上除了来自 T10 的发射极电流外，还有 来自 T11 的发射极电流，所以 R5

10、上的压降是 R5 的 23。 根据上式不难看出，要想改变 UBE，可以在调整 R5 后再调整 R6，而增大 R5 的效果和减小 R6 是一样的，其结果都会使 UBE减小，不过，改变 R5 对 UBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正 R5 以进行粗调，修正 R6 以实现细调，最终使其在 250之下使总电流 I 达到 1AK。 首先应将电流转换成电压。由于 AD590 为电流输出元件，温度每升高 1K， 电 流就呈线性增加 1A。当 AD590 的电流通过一个 10k 的电阻时，这个电 阻上的压降为 10mV，即转换成 10mVK，为了使此电阻精确（01），可用 一个

11、96k 的电阻与一个 1k 电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确 的 10k。 主控制器主控制器 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器。与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将 多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器集成在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一 种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 显示电路显示电路 显示电路采用 4 个共阳 LED 数码管，其中一个是显示负号或1的 ，由 P1 口控制；其他三个共阳 LED 数码管由 P0 口控制,进行动态扫描显示！

12、七段显示译码器 7448 的逻辑功能表 输入输入/输 出 输出功能 （输入） LT RBIA3 A2 A1 A0BI/RBOa b c d e f g 显示 字形 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 灭灯 灭零 试灯 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0

13、 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

14、 1 1 1 1 放大器的选择 本设计中电压放大器应具有高输入电阻、低噪声、低输入偏置电流、高共 模抑制比等要求,采用自制的三运放结构，如图所示，三运放中由 A1 和 A2 构成 前级对称的同相、反相输入放大器，其输入电阻很高,可获得很高的共模抑制比 和低漂移特性.后级 A3 为差动输入放大电路，在这个结构图中，要保证放大器 高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件 R1 与 R2、R3 与 R4、R5 与 R6，还包括 A1 与 A2 放大器的一致性，因此，要自制高 性能的放大器对器件的要求就相当高。随着微电子技术的发展，市场上出现了 专用的高性能仪用放大器，它的内

15、部核心结构是三运放，但如果采用微电子来 解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题。 AD654AD654 介绍介绍 AD654 是美国模拟器件公司生产的一种低成本，8 脚封装的电压频率(V/F) 转换器。它由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成，使用时 只需一个 RC 网络，即可构成应用电路。AD654 既可以使用单电源供电，也可使 用双电源供电，且工作电压范围很宽。输出为频率受控于输入电压的方波。可 用于信号源、信号调制、解调和 A/D 变换等。 主要技术性能：主要技术性能：单电源供电电压：4.536V；双电源供电电压： 5 18V；输出频率范围：0500kHz；线性误差：0.

16、06%（250kHz 时）；输入阻抗： 250M ；输入电压范围：单电源 0Vs-4V；双电源 -VsVs-4V ；静态电流： 2.0mA(Vs=30V 时)；封装形式：8DIP 和 8SOIC 两种； 内部电路结构及引脚排列 如图 1。 引脚说明：引脚说明：+VIN 为输入放大器的同相输入引脚，当模拟输入为正电压时， 从该引脚接入；RT 为输入放大器的反相输入引脚，接定时电阻；CT 为定时电容 引脚，两个 CT 间接定时电容，与定时电阻一起确定输出频率； FOUT 为振荡信 号输出引脚；LOGIC COMMON 为逻辑地引脚，AD654 的逻辑电平可以取在-Vs 与 +Vs-4V 之间； +Vs，-Vs 分别为正负电源引脚。 V/F 变换器实际上是一个振荡频率随控制电压变化