1、基于单片机的精密温度计的设计电子信息科学与技术专业 学生：陈喜 指导老师：黄顺摘 要: 为了满足物理实验室对温度测量的高精度和智能化的要求，研制了一种基于单片机 STC12C5608 和模数转换芯片 AD7705 的高精度数字温度计。该温度计以STC12C5608 为主控芯片，利用铂电阻温度传感器 PT100 感应温度，AD7705 进行数字量转化,通过串行接口 SPI 把数据传入到主控芯片，经处理后的温度在液晶显示屏 LCD12864上显示。软件部分采用了均值法滤波和插值法进行非线性较准，提高了测量的精度，优化了硬件电路。该温度计设计新颖、功能强大、结构简单。测量范围为-50+150，测量精
2、度为 0.01。关键词：数字温度计；单片机 STC12C5608；AD7705；高精度1 引言随着电子仪器的不断更新改进，数字温度计在测温领域得到广泛的运用，尤其是在物理实验室。物理实验室中使用的数字温度计大多采用铂电阻热传感器，它有较广的测温范围 1。但是大部分的数字温度计测温精度不高，不能满足某些物理实验的测温要求。本文设计的数字温度计使用的是 AD7705，它是一款比较典型的高性能 16 位- A/D 转换芯片，具有极高的分辨率 2。该温度在硬件和软件上使用多种方法减少非线性误差，使之获得更高的精度。2 设计原理该数字温度计使用 PT100 铂电阻热传感器感应温度，由单片机控制的 AD7
3、705 进行数模转换，并将数字量传入单片机，单片机接收数字量后进行处理，最后将温度显示。结合按键和单片机的智能控制，该数字温度计可以实现对温度测量、保持和定标功能。基本框图如图 1 所示。传 感 器 部 分 AD转 换 部 分 控 制 部 分 显 示 部 分按 键 部 分电 源 部 分图 1 基本框图3 硬件设计3.1 电源部分由于该系统需要稳定的 5V 电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器 LM7805。它仅有输入端、输出端及公共端 3 个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路，由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压
4、电源。如图 2 所示。图 2 电源结构图3.2 温度传感器部分热敏电阻的阻值和温度呈正比关系，设计人员只需将已知电流流过该电阻就可以得到与温度成正比的输出电压。根据已知的电阻-温度关系，就可以计算出被测温度值。电阻值随温度的变化称为“ 电阻的温度系数”，绝大多数金属材料的温度系数都是正数，而且许多纯金属材料的温度系数在一定温度范围内保持恒定 3。所以，热敏电阻是一种稳定的高精度、并具有线性响应的温度检测器。具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等) 取决于被测温度范围。铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。因此，铂电阻热敏电阻是温度测量中最
5、稳定的标准器件。铂电阻传感通常对铂电阻采用两线或三线测量的方法，无法完全去除引线电阻的影响，因此本设计中采用四线测量法，去除引线电阻的影响 4。3.3 AD 转换部分AD 转换部分的连线如图 3 所示。AD7705 芯片需要一个独立的晶振，可为 1M 或 2.4567M，此设计使用的是 2.4576M。使用外部的晶振可提供模数转换更精准的同步信号 5。AD7705 为双基准，负基准接地，正基准为 REF192 提供 2.5V 电压。 图 3 AD 转换部分图3.4 单片机控制及显示电路单片机与各模块的连线如图 4 所示。单片机的复位电路为 RC 复位。使用 22.1184MHz的晶振 6。单片
6、机与 AD7705 是使用 SPI 串行通信，使用端口少，速率较快。AD7705 的串Vin1GND2out378051V+243 +5V-+5VCLKOSIRETIN1+-GNDFV -UAD705+5VSPREF192+5VPT10行时钟频率可接受到 10M。AD7705 为 SPI 从器件，DRDY 引脚接入到到片机的外中断 0的引脚，每转换完一次数就会触发外中断 0，进而读取数据转换好的数据 7。本设计使用的液晶屏 12232。12232 有串行接口和并行接口，为了节省 I/O 口，本设计使用的是串行接口，占用 3 个 I/O 口。通过模拟串行时序来控制显示内容，同时 12232 带有
7、中文字库，可显示汉字。图 4 单片控制部分4 软件设计主程序的主要功能是完成单片机在上电复位以后的初始化，对单片机中断的初始化、温度模块和显示模块的初始化及工作。温度模块的初始化主要是对 AD7705 初始化操作，即设置输出更新率、放大增益和输入通道等。然后进入大循环扫描按键和显示，每采集完25 个数据进行一次数据处理，并得到温度值显示。如果处理后的数据不在指定范围内，就重新初始化 AD7705,改变增益 8。主程序流程图如图 5 所示。开 始初 始 化 显 示 和 中 断25个 数 据 是否 接 收 完处 理 数 据 软 件 滤 波 ， 算 出 电 压值 ， 用 均 值 法 查 表 得 出
8、对 应 温 度显 示 温 度初 始 化 AD705电 压 值 是 否在 范 围 内是否否 是扫 描 按 键1RxD2345678910 1213415S6MOI178SCLK19V20+5 +5S12 SCLKID1233STXTAL21IN0P3.43.5GNDC1256P.0. SCLKDOUTINA705RYDRY图 5 主程程序流程图本设计采用线性插值法进行软件校正。铂丝热电阻的电阻值 X 与温度值 Y 呈非线性关系，对曲线按一定精度要求，把 X 轴分成若干段，按折线法做线性变换，并将分段基点Xi、Y i 值标出，制成表格。分段越多，精度越精确。由于各段用直线代替曲线，因此很容易求出
9、X 值所对应的 Y 值 9。设 X 在 Xi 和 Xi-1 之间，则线性插值公式为：(1) Yii1由公式（1）就能得到相应的输入温度值 Y。测量温度范围定为-50 。 C+150。 C，在对测量数据的处理上，采用插值法解决 PT100 的非线性问题，同时配合数值滤波等软件处理,使整个系统满足分辨率 0.01。 C、误差为0.02 。 C 的设计要求。为了减少铂电阻传感器的测量误差，我们对一些传感器进行了实际参数测试分析，发现同型号、同规格铂电阻的参数一致性较差，但单个铂电阻的参数非常稳定 10。因此只有定标后的温度计才可以确认它所输出的信号是准确的。本温度计可通过两个按键设置任意定标值。5
10、数据测试5.1 测试方法将各个部分电路连接起来，先不插 AD7705 芯片和单片机芯片，待测试完各供电电压端和基准电压工作正常后，再插入芯片整机测试。5.2 测量仪器数字存储示波器 TDS1012-100M，数字万用表 DT9205A，精度为 0.01的 050和50100两种温度计。5.3 测试数据该温度计的量程为-50 150，读数精度为 0.01，实际使用精度为 0.01的精密水银温度计作检验标准。校准时以水银温度 3080，每隔一度较准一次，如图 6 所示。由数据可得知，此温度计能达到设计的精度要求。455055606570758085温度 C水银温度定标前温度定标后温度图 6 测量结
11、果图6 结束语该系统实现了高效率和高精度的信号采集，具有很强的抗干扰能力。本系统使用的均值滤波和插值法处理非线性问题的方法，在实验室条件下均达到很好的效果。此温度计已经用于物理学专业的热学实验中，性能稳定，测温较果好。【参考文献】1 凤超然,陈百年.实行水银温度计定点和限量生产的建议J.劳动保护,1989,(9):2-3.2 徐天龙,李长城.传感器和检测仪表的现状及发展趋势分析J.民营科技,2011,(12):13-14.3 吴慎将,李党娟,刘瑞.高精度简易数字温度计的设计J.信息技术,2010,(12):115-118.4 胡文旭.铂电阻精密测温研究J.陕西师范大学学报( 自然科学报),20
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13、工矿自动化,2005,(6):44-45.Design of High Precision Digital ThermometerBased on SCM STC12C5608Department of Physics and Electronic Information Science：ChenXi Tutor：HuangshunAbstract: To meet the requirement of high precision and intelligentized of temperature measurement in the physical laboratory. a high
14、 precision digital thermometer was designed,which is based on sigle chip STC12C5608 and analog-digital converter chip AD7705.STC12C5608 is used as a main control chip, platinum resistance PT100 - a temperature sensor is used to measure the temperature and AD7705 is used as a AD converter. The data i
15、s transferred to the main-control chip through the serial communication interface. The temperature after processed by SCM was displayed on the liquid crystal display LCD12864.In the software part,the average filtering method and interpolation method were adopted to improve the measurement precision and optimize the hardware circuit. The thermometer was of novelty powerful and with simple structure.The temperature between -50C and 150C can be measured and its measurement precision is up to 0.01C.Keywords: digital thermometer；SCM STC12C5608；AD7705 ；high precision
