基于單片機控制的數字溫度計的設計

摘要：基于實際應用中許多場合對溫度高精度測量的需求，利用ATF1504芯片與單片機最小系統，采用等精度頻率測量技術，設計了一款高精度數字溫度計。該方案采用ATF1504芯片作為可編程邏輯器件，以高靈敏度負溫度系數熱敏電阻為溫度傳感器。利用ATF1504芯片與單片機配合完成待測信號頻率的精確測量，從而實現溫度的精確測量。實驗數據表明該溫度計的測溫相對誤差小于0．3％。
關鍵詞：溫度計；等精度；CPLD；單片機；熱敏電阻

溫度是人們日常生活中常常需要測量和控制的一個物理量。傳統的溫度計有反應速度慢、讀數麻煩、測量精度不高、誤差大等缺點，而在某些特定的場合，器材設備對溫度的要求極高，設計一種高精度的溫度計就顯得十分有意義。設計的高精度溫度計有著線性優良、性能穩定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結構實現了模塊化、電路簡單等優點。

1 設計方案
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、無線電技術、自動化和遙控等方面都得到廣泛的應用。熱敏電阻能夠將環境溫度的變化轉化為電阻自身阻值的變化，它將溫度的變化轉換為連續的電信號的變化，再由外電路把該電信號轉化成單片機可處理的脈沖(頻率)信號，由單片機來直接處理。熱敏電阻構成的555振蕩電路能夠實現由電阻到頻率的轉換功能，建立起由溫度到電阻值再到頻率的對應關系。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，設計中采用查表法和插值法來建立頻率與溫度的轉換關系。

設計的數字溫度計主要由下面4部分組成：溫度傳感部分、等精度測頻部分、頻率溫度轉換部分、數據緩存及顯示部分，原理圖如圖1所示。設計中用到的主要模塊有：1)單片機最小系統。單片機最小系統或者稱為最小應用系統，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。單片機最小系統一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。2)CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)。復雜可編程邏輯器件。其具有編程靈活、集成度高、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經驗要求低、標準產品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點，可實現較大規模的電路設計，因此被廣泛應用于產品的原型設計和產品生產之中。CPLD內部結構為“與或陣列”，該結構來自于典型的PAL、GAL器件的結構。任意一個組合邏輯都可以用“與-或”表達式來描述，所以該“與或陣列”結構能實現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16個乘積項作為其輸入)及其他有用特性。因為每個宏單元用了16個乘積項，因此設計人員可部署大量的組合邏輯而不用增加額外的路徑。單片機與CPLD之間的三總線結構，如圖2所示。

2 硬件部分設計
2．1 溫度與頻率轉換部分的設計
由熱敏電阻與555定時器構成多諧振蕩電路如圖3所示，該電路能夠實現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：