基于實(shí)際應(yīng)用中許多場合對(duì)高精度溫度測量的需求，采用ATF1504芯片和單片機(jī)zui小系統(tǒng)，采用等精度頻率測量技術(shù)，設(shè)計(jì)了高精度數(shù)字溫度計(jì)。 該方案采用ATF1504芯片作為可編程邏輯器件，高靈敏度負(fù)溫度系數(shù)作為溫度傳感器。 ATF1504芯片與單片機(jī)配合完成待測信號(hào)的頻率測量，從而實(shí)現(xiàn)溫度測量。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明溫度計(jì)溫度測量的相對(duì)誤差小于0.3% 溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常需要測量和控制的物理量。 傳統(tǒng)的溫度計(jì)具有反應(yīng)速度慢、讀數(shù)麻煩、測量精度低、誤差大等缺點(diǎn)。然而，在某些特定場合，設(shè)備和器材對(duì)溫度要求極高，因此設(shè)計(jì)高精度溫度計(jì)非常有意義 設(shè)計(jì)的高精度溫度計(jì)具有線性度好、性能穩(wěn)定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。 1.設(shè)計(jì)方案熱敏電阻是一種對(duì)溫度變化非常敏感的電阻元件。它廣泛應(yīng)用于溫度測量技術(shù)、無線電技術(shù)、自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。 熱敏電阻可以將環(huán)境溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻本身電阻值的變化。它將溫度的變化轉(zhuǎn)化為連續(xù)電信號(hào)的變化，然后外部電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可由單片機(jī)處理的脈沖(頻率)信號(hào)，可由單片機(jī)直接處理 555熱敏電阻組成的振蕩電路可以實(shí)現(xiàn)電阻到頻率的轉(zhuǎn)換功能，建立溫度到電阻值到頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 處理器對(duì)頻率信號(hào)的處理精度直接影響溫度測量的精度。等精度頻率測量方案能夠滿足精度要求。設(shè)計(jì)中采用查表法和插值法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)主要由以下四個(gè)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)緩存和顯示部分。示意圖如圖1所示 設(shè)計(jì)中使用的主要模塊有:1)單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)zui small system，簡稱zui small application system，是指由zui small組件組成的單片機(jī)能夠工作的系統(tǒng)。 單片機(jī)zui小型系統(tǒng)一般應(yīng)包括:單片機(jī)、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路 2)復(fù)雜可編程邏輯器件 復(fù)雜可編程邏輯器件 它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、應(yīng)用范圍廣、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)人員硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、無需測試標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、保密性強(qiáng)、價(jià)格普及等特點(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電路設(shè)計(jì)，因此廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)。 可編程邏輯器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是:和或數(shù)組。該結(jié)構(gòu)來自典型的PAL和GAL器件 任何組合邏輯都可以使用& ldquo和或。表達(dá)，所以& ldquo和或數(shù)組。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大量的組合邏輯功能。 CPLDzui的基本單位是宏單位。 宏單元包含一個(gè)寄存器(較多使用16個(gè)產(chǎn)品術(shù)語作為輸入)和其他有用的特性 因?yàn)槊總€(gè)宏單元使用16個(gè)乘積項(xiàng)，所以設(shè)計(jì)者可以部署大量的組合邏輯，而無需添加額外的路徑。 單片機(jī)和CPLD之間的三總線結(jié)構(gòu)如圖2所示。 2.硬件設(shè)計(jì)2.1溫度和頻率轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)由熱敏電阻和555定時(shí)器組成的多諧振蕩器電路如圖3所示。該電路可以實(shí)現(xiàn)從溫度變化到電阻變化再到頻率變化的轉(zhuǎn)換。 555振蕩電路頻率:其中RN是熱敏電阻NTC，c是放電電容，Rn是額定溫度TN(K)下的NTC熱敏電阻電阻，t指定溫度(K)，b是NTC熱敏電阻材料常數(shù) 從以上兩個(gè)公式可以建立溫度到電阻值和電阻值到頻率的轉(zhuǎn)換關(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)，即頻率和電阻值的關(guān)系；2)半導(dǎo)體熱敏電阻的特性曲線 在一定的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體材料的電阻rt與溫度t之間的關(guān)系可以表示為:常數(shù)a不僅與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)，還與半導(dǎo)體材料的尺寸有關(guān)，而常數(shù)b僅與材料的性質(zhì)有關(guān)。常數(shù)a和b可以用實(shí)驗(yàn)方法測量。在計(jì)算a和b之后，可以根據(jù)公式(3)計(jì)算溫度值 由于NTC的電阻值與溫度呈指數(shù)關(guān)系，單片機(jī)系統(tǒng)在計(jì)算該方程時(shí)效率很低，因此本文采用查表法和插值法計(jì)算溫度，提高了測量效率，簡化了計(jì)算復(fù)雜度。 假設(shè)溫度測量范圍為-10 ~ 50，我們可以先將-10 ~ 50分成60段，每一溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率值。 然后將NE555電路設(shè)置在-10°；，-9°；，-8°；& hellip& hellip48 °;，49 °;，50 °;當(dāng)輸出頻率被實(shí)際測試并存儲(chǔ)在單片機(jī)的只讀存儲(chǔ)器中時(shí)，就建立了相應(yīng)的時(shí)鐘頻率和溫度表 在實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中，根據(jù)測量的時(shí)鐘頻率確定頻率所在的溫度段，然后根據(jù)線性方程獲得對(duì)應(yīng)于該頻率的溫度值，從而實(shí)現(xiàn)從頻率到溫度的轉(zhuǎn)換。 2.2等精度頻率測量電路的實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量的主要思想是使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器在同一時(shí)間段內(nèi)同時(shí)計(jì)數(shù)兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。要測量的信號(hào)頻率可以從已知的時(shí)鐘頻率和兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值中獲得。 如圖4所示，首先設(shè)置時(shí)鐘門信號(hào)的寬度。在此期間，計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2同時(shí)計(jì)數(shù)兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)的頻率是已知的參考時(shí)鐘，其頻率是Fb 假設(shè)計(jì)數(shù)器2以相等的時(shí)間分別計(jì)數(shù)Nb和Nx，由計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)是要測量的時(shí)鐘信號(hào) 這兩個(gè)計(jì)數(shù)器在同一時(shí)間段內(nèi)計(jì)數(shù)，并具有以下關(guān)系:& nbsp。等精度測頻功能的實(shí)現(xiàn)需要單片機(jī)和可編程邏輯器件之間的協(xié)調(diào)與配合 計(jì)數(shù)器1由單片機(jī)定時(shí)器1實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器2由CPLD配置 單片機(jī)的主要功能是控制外部計(jì)數(shù)器和內(nèi)部計(jì)時(shí)器的開啟和關(guān)閉。讀取外部計(jì)數(shù)器和內(nèi)部計(jì)時(shí)器的數(shù)據(jù)；處理和數(shù)據(jù)輸出緩存 測量開始時(shí)，單片機(jī)先發(fā)出清零信號(hào)清零外部CPLD計(jì)數(shù)器，然后清零內(nèi)部定時(shí)器，將內(nèi)部定時(shí)器配置為外部時(shí)鐘控制模式，然后發(fā)出計(jì)數(shù)開始信號(hào)，然后進(jìn)入等精度測頻計(jì)數(shù)模式。單片機(jī)通過查詢計(jì)數(shù)器來判斷計(jì)數(shù)時(shí)間，計(jì)數(shù)時(shí)間必須小于外部32位計(jì)數(shù)器的溢出時(shí)間。當(dāng)時(shí)間到達(dá)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)信號(hào)查詢管腳P3.2。確認(rèn)計(jì)數(shù)停止，分別假設(shè)N1和N2，定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為T1，則測量信號(hào)的頻率f = (n1/N2) t1，并將計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送至頻率溫度轉(zhuǎn)換模塊等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 可編程邏輯器件部分主要完成被測信號(hào)的測量計(jì)數(shù)和總線設(shè)計(jì)。 由于可編程邏輯器件芯片中的資源較少，在可編程邏輯器件芯片中只能設(shè)置一個(gè)32位計(jì)數(shù)器。 該部分利用原理圖輸入，完成了馬克斯+plusII環(huán)境下電路的硬件設(shè)計(jì)和仿真。 硬件設(shè)計(jì)包括四個(gè)部分:輸入、輸出、計(jì)數(shù)器和總線接口 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，頻率模塊為測量計(jì)數(shù)模塊 3.軟件設(shè)計(jì)源程序的流程圖如圖6所示。 主程序分析(頻率和溫度轉(zhuǎn)換部分):計(jì)算單片機(jī)的計(jì)數(shù)，根據(jù)時(shí)鐘周期內(nèi)參考時(shí)鐘的脈沖數(shù)，從待測信號(hào)的脈沖數(shù)中計(jì)算出待測信號(hào)的頻率 4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過與參考溫度的比較，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的溫度計(jì)精度 首先，使用高精度測量的實(shí)際溫度溫度計(jì)作為參考溫度，然后使用設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)來測量實(shí)際溫度并將其與參考溫度進(jìn)行比較。測量結(jié)果如表1所示 通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)測量溫度與參考溫度相差不大，誤差小于0.1℃，相對(duì)誤差小于0.3%，滿足設(shè)計(jì)精度要求 總之，利用單片機(jī)和可編程邏輯器件的配合完成了頻率測量，實(shí)現(xiàn)了等精度的頻率測量功能。 等精度測頻功能保證了溫度測量的數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)的溫度計(jì)精度滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。 在系統(tǒng)的中精度頻率測量模塊中，采用8位51單片機(jī)定時(shí)器作為參考信號(hào)的計(jì)數(shù)器，由于其頻率較低，對(duì)精度有一定的影響。 如果采用較高頻率的參考信號(hào)，也可以提高頻率測量精度，從而提高溫度測量精度。

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