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电子温度计设计报告

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智能体温计
摘要:
本系统采用AT89S52单片机作为智能温度计控制核心.采用温度传感器和A/D转换进行温度数据采集,利用液晶显示器记录数据和显示以及显示某个阶段的温度变化曲线,采用按键扫描电路对温度设定,再加之温度数字语音播报、 越限报警等功能使本设计更加完善。整个系统小巧紧凑, 控制准确。
关键字: 单片机 温度传感器 LCD A/D
目录
1.    系统方案选择与论证………………………………………………………3
1.1 题目要求………………………………………………………………3
1.1.1 基本要求………………………………………………………………3
1.1.2 发挥部分………………………………………………………………3
1.2 基本模块设计…………………………………………………………3
1.2.1 测量部分模块…………………………………………………………3
1.2.1 A/D转换模块.............................................3
1.2.3 显示模块.................................................4
2 系统具体实现与设计 ………………………………………………………4
2.1 系统总体设计方案.........................................4
2.2 硬件电路的设计...........................................5
2.2.1 主机电路的设计...........................................5
2.2.2 I/O通道的硬件电路设计………………………………………………5
2.2.3 数据采集电路的设计........................................5
2.2.4 保护电路的设计………………………………………………………..7
2.2.5 按键及显示电路设计……………………………………………………7
2.2.6 语音播报电路设计………………………………………………………9
2 .3 系统软件设计……………………………………………………………10
2. 3.1 程序流程图………………………………………………………………10
3 调试...........................................................11
3.1 硬件调试.....................................................11
3.2 软件调试………………………………………………………………………11
3.3 软硬综合调试..................................................11
4、 数据指标测试…………………………………………………………………11
4.1 测试仪器………………………………………………………………………11
4.2 测试方法………………………………………………………………………11
4.3 测试数据......................................................11
5.总结………………………………………………………………………………12
6.参考文献........................................................12

1.系统方案选择与论证
1.1 题目要求
1.1.1 基本要求
⑴ 系统前端部分归一化输出, 即0 ～＋50 ℃线性对应0 ～ 5 V;
⑵ 系统前端部分应具有输出保护电路, 使其输出电压不超过5V;
⑶ 系统每秒采集一次温度, 经滤波、 计算等处理后实时显示温度值, 测量精度为±0.1℃;
⑷ 系统每分钟用语音报告一次所测温度当前值;
⑸ 系统可在0～50℃的范围内任意设预警温度值( 默认值设定为37.0℃) , 当所测温度超过预警温度值时, 系统立即报警, 预警值的设定应可随时更改。
1.1.2 发挥部分
⑴ 记录测试结果并在点阵式LCD屏上显示2分钟内的温度变化曲线;
⑵ 非接触式测量。( 测量精度为±0.2℃) ;
1.2 基本模块设计
1.2.1 测量部分模块
方案一: 采用热敏电阻, 可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围, 但热敏电阻精度、 重复性、 可靠性较差, 对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。
方案二: 采用温度传感器铂电阻ＰＴ１０００, 铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定, 它能用作工业测温元件, 且此元件线性度较好, 在０～１００摄氏度时, 最大非线性偏差小于０.５摄氏度。
方案三: 集成温度传感器ＡＤ５９０具有线性好、 精度适中、 灵敏度高、 体积小、 使用方便等优点,  AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化, 电流  变化1mA, 相当于温度变化1K。AD590能够承受44V正向电压和20V反向电压, 因而器件反接也不会被损坏。AD590的测温范围为-55℃～+150℃。 AD590共有I、 J、 K、 L、 M五档, 其中M档精度最高, 在-55℃～+150℃范围内。ＡＤ５９０重复性优于０.１℃, 其良好的非线性能够保证优于０.１℃的测量精度, 利用其重复性较好的特点, 经过非线性补偿, 能够达到０.１℃测量精度。
基于上述分析, 拟选择方案三。
1.2.3 Ａ／Ｄ转换模块
方案一: 采用单片高速12位模数转换器AD574, 内置双极性电路构成的混合集成转换显片, 具有外接元件少, 功耗低, 精度高等特点, 而且具有自动校零和自动极性转换功能, 只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器, 其主要功能特性如下: 分辨率: 12
位非线性误差: 小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率: 25us
模拟电压输入范围: 0-10V和0-20V, 0-±5V和0-±10V两档四种
电源电压: ±15V和5V
数据输出格式: 12位/8位
芯片工作模式: 全速工作模式和单一工作模式
方案二:采用8位逐次逼近型A/D转换器ADC0809, 主要特性:
　　1) 具有转换起停控制端。
　　2) 8路8位A／D转换器, 即分辨率8位。
　　3) 转换时间为100μs
　　4) 单个＋5V电源供电
　　5) 模拟输入电压范围0～＋5V, 不需零点和满刻度校准。
　　6) 工作温度范围为-40～＋85摄氏度
　　7) 低功耗, 约15mW。
基于对A/D转换器的分辨率、 转换速率、 量化误差、 偏移误差等综合考虑,拟选择方案一.
1.2.3 显示模块
方案一: 采用LED数码管显示器。LED数码管亮度高, 醒目, 可是其电路复杂, 占用资源较多且信息量小。
方案二: 采用LCD液晶显示器。LCD有明显的优点: 工作电流比LED小几个数量级, 故其功耗很低, 尺寸小, 厚度约为LED的1/3; 字迹清晰、 美观、 使人舒服; 寿命长, 使用方便。
基于上述的比较, 采用方案二。
2 .系统的具体设计与实现
2.1.系统总体设计方案
按照系统的设计功能要求, 本智能温度系统的设计必须采用单片机软件系统实现, 用单片机的自动控制能力配合按键控制, 来控制温度查询、 显示、 播报以及显示某阶段的变化曲线。本系统由下几个部分组成。
温度传感器

放大器

A/D转换器

保护电路

单片机

按键控制

越限报警

显示电路

语音播报
图C-1-1
  A/D转换电路
2.2硬件电路的设计
硬件电路主要由两大部分组成:模拟部分和数字部分;从功能模块上由主机电路、 数据采集电路、 按键显示电路、 保护电路、 语音播报电路组成。硬件具体方框图:
保护电路由4066组成
语音芯片ISD1420
温度传感器AD590

AD转换器AD574

单片机AT89S52

液晶显示器LCD显示
2.2.1主机电路的设计
主机选用INTEL公司的MCS-51系列单片机89S52来实现,利用单片机软件编程灵活、 自由度大的特点,力求用软件完善各种控制运算法和逻辑控制. AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash, 256字节RAM, 32 位I/O 口线, 看门狗定时器, 2 个数据指针, 三个16 位定时器/计数器, 一个6向量2级中断结构, 全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。另外, AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作, 支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下, CPU停止工作, 允许RAM、 定时器/计数器、 串口、 中断继续工作。掉电保护方式下, RAM内容被保存, 振荡器被冻结, 单片机一切工作停止, 直到下一个中断或硬件复位为止。,可使本系统整体电路结构更为简单、 实用.
2.2.2 I/0通道的硬件电路的设计
就本系统来说,需要采集水温数据,然后经过A/D,转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示和播报;另一部分与设定值进行比较.
2.2.3数据采集电路的设计
数据采集电路主要由AD590,AD574,358组成.为了达到测量高精度的要求, 选用AD转换器AD574和温度传感器AD590,ＡＤ５９０具有较高精度和重复性(重复性优于０.１℃, 其良好的非线性能够保证优于０.１℃的测量精度, 利用其重复性较好的特点, 经过非线性补偿, 能够达到０.１℃测量精度。)高精度运算放大器358将温度-电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性.模拟电路方框图为:
AD590

运算放大器358

A/D转换器AD574

由4066组成保护电路

输出温度与电压的数字信号

由AD590和358组成的温度转化为电压的电路图为2-2-3

图2-2-3
电路分析如下:
AD590的输出电流值说明如下: 其输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基準,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流Io=(273+25)=298μA。Vo的值为Io乘上10K,以室温25℃而言,输出值为2.98V(10K×298μA)。 量测输出电压Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不準。 
AD590的输出电流I=(273+T)μA(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)μA ×10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压即”7”脚V2等于输入电压V。 
由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。 
接下来我们使用差动放大器其输出电压Vo为 (100K/10K)×(V2-V1)=T/10V。如果现在为摄氏28度,输出电压为2.8V。这样能够使得系统每秒采集一次温度,经滤波、 计算等处理后实时显示温度值,测量精度可达到正负0.1摄氏度.
AD转换器AD574的连接图为图2-2-3-1:

图2-2-3-1
2.2.4保护电路的设计
此部分电路由4066组成,主要保证归一化输出测试点测量准确,从而实现从0℃~50℃线性对应0~5V,当大于50℃时,液晶显示器LCD就显示50℃,使测量精度达到最大.
2.2.5按键及显示电路设计
按键采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效,图中2-2-5按键AN1,AN2,AN3,其中按键AN2,AN3分别与P0.1和P0.2相连接,采用软件查询方式;按键AN1与P0相连,采用外部中断方式,而且优先级定为最高.还有按键AN4为复位键,其功能是使系统复位.
按键
键名
功能
AN1
功能转换键
按键按下时,显示温度设定值, 此时能够按AN2, AN3调加减温度直, 再按下后, 显示当前温度。
AN2
加1键
设定温度渐次加1
AN3
减1键
设定温度渐次减1

图2-2-5
为了减少外部锁存器和译码模块,液晶显示器全部使用软件进行静态显示.显示采用液晶显示器LCD显示方式,显示内容有温度值的十位、 个位及小数点后一位,还能够显示温度曲线图形,更形象地观察温度变化值。
 2．2．6语音播报电路设计
语音播报电路是智能温度计最有特色的部分, 使得智能体温计更有人性化。制作语音芯片先用一块没录音的芯片,然后再经过电路自己录好自己要用的数据和文字.本设计采用ISD系列的语音芯片即位ISD1420, 和其它同类语音电路相比具有以下特点:
    ●所需外围元件少, 电路简单, 操作方便。
    ●采用直接模拟量存贮技术DAST( Direct Analog Strorage Technology) , 再现优质原声。
    ●零功率信息存贮, 省掉备用电源。
    ●信息可保存 以上, 可重复录放达10万次之多。
    ●语音固化无需专用编程或开发装置。
    ●较强的选址能力, 可把存储器分成160段来进行管理。
    ●具有自动省电模式, 此时仅需0.5µA的保持电流。
    ●单一电源供电。
ISD1420单片机语音录放电路, 片内由钟振荡器、 128K字节E2PROM( 电可编程可擦除只读存贮器) 、 微音放大器、 自动增益控制电路、 抗干扰滤波器、 差动功率放大器等高品质语音录放系统所需的全部基本功能电路。一个最小的录放系统仅由一个驻极体话筒、 一个喇叭、 两个按钮、 一个电源和少量的电阻电容组成。其图为2-2-6,
图 2-2-6
ISD1420可分段存贮20秒语音信息, 按每秒钟可读3个汉字计算, 20秒可分段贮存609多个汉字语音。将ISD1420的A2～A7与单片机CPU的I/O口连接, 这样可单独提取64段语凌晨信息, 并在软件的支持下可自动组合成若干段完整的长短语句。本系统此部分先在ISD1420语音芯片中录入”现在”, ”温度”, ”十”, ”点””度”, ”0”, ”1”, ”2”, ”3”, ”4”, ”5”, ”6”, ”7”, ”8”, ”9”, 然后经过程序调用这些数据和文字的地址,这样就能够根据温度值播报, 这个是创新的做法, 值得推广。

2.3系统软件设计
2.3.1 程序流程图
开始

初始化

启动AD574采集数据

数据处理

显示当前温度

有温度设定否

当前温度与设定值比较

否

是

越限报警

1分钟语音播报

显示报警温度值

显示设定值

是

显示报警温度值

1秒钟更新数据

否

显示当前温度值日

3.调试
3.1 硬件调试
硬件的调试主要体现在温度传感器采集得到的温度经过放大器转化为温度—电压信号,只要选择好输出电压与温度的变化关系才能保证温度与电压成线形关系.经过重复调试,确定输出电压随温度变化为10MV/K效果最佳,而且能够使得测量精度为正负0.1摄氏度.为了排除干扰,采取了引线尽量短,减少交叉,对温度传感器进行保护等其它的措施,调试表明,这些措施对消除某些引脚上的”毛刺”及外界的干扰起到很好的效果.
3.2 软件调试
本系统的软件部分,全部采用C语言编写,除去语法错误和逻辑错误后,经过直接下载到单片机来具体调试.采用了自下到上的调试方法,即先单独调试好每一项功能,然后再连接成一个完整的系统调试.这样保证了软件编写的正确性和可行性.
3.3软硬综合调试
调试整个系统时,我们把软件编出的每一项功能结合相应的硬件进行调试.这样保证在综合调试的时候,顺利查找错误,具体分析解决.
4、 数据指标测试
4.1 测试仪器
表,水银温度计,数字万用表等
4.2测试方法
用数字万用表系统前端部分归一化输出测试点,得到温度和电压成线性关系.使系统运转, 采用同温度计捆绑同时测量水温变化情况, 得出系统测量精度。
4.3测试数据
测量的摄氏温度
AD590经运算放大器358输出电压值U0
0℃
0V
10℃
1.0V
20℃
2.0V
30℃
3.0V
40℃
4.0V
50℃
5.0V

五、 总结
采用温度传感器对温度采集进行温度转化为电压信号、 实时转换( ADC部分) 、 按键控制等技术, 能够对温度进行高精度的测量并用语音播报该值。在系统的设计过程中,充分发挥软件编程方便灵活的特点,力求硬件电路简单,系统测量精度高,稳定可靠.
六、 参考文献
[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会．第三界全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编　　北京: 北京理工大学出版社
[2] 上海市教育委员会组丁元杰． 单片微机原理及应用 北京: 机械工业出版社 P176――185 P200――－204
[3]
[5]实用电子电路手册[J],高等教育出版社
小组成员: 赵志鹏( 组长) , 负责系统总体设计方案, 硬件中的温度传感器AD590和报告排版
韩香子 : 负责AD转换器AD574和单片机AT89S52
黄飞 : 负责保护电路的设计和按键及显示电路设计
刘里珍: 负责语音播报电路设计
张学坤 : 负责系统软件设计