一种可编程数字温度计的设计

摘 要：分析由数字温度传感器SWC和模拟集成电路NE555，MC14553，MC14511等实现的数字温度计存在的不足，用AT89C2051单片机完成控制和显示，设计一种可编程、测温速度快的数字温度计。该电路设计方法简单，经调试可实现自动测温等3种模式的切换，可以适用于不同的测量要求，并且测量稳定性和可靠性也得到了一定的提高。

关键词：AT89C2051；SWC；数字温度计；NE555；MC14553

中图分类号：TP274文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)24-172-03

Design of Programable Digital Thermometer

LI Na,DONG Juntang,ZHANG Weihu,LIU Wenxia,YANG Huicai

(Collage of Physics and Electronics Information,Yan′an University,Yan′an,716000,China)

Abstract：This paper points out the disadvantage of the digital thermometer which based on the integrated circuit such as the SWC,NE555,MC14553,MC14511 and so on,a programmable and fast measurement digital thermometer is designed which the signal chip microcomputer AT89C2051 has completed to control and display .The circuit is simple,the test shows the circuit has the mode to measure automatically,adapt to different demands.The stability and veracity are impreved.

Keywords：AT89C2051;SWC;digital thermomter;NE555;MC14553

温度是工业控制中最重要的控制参数之一，且与人们的日常生活息息相关。因此温度的测量显得尤为重要。SWC是一种设计新颖、计量准确、基本不受传输距离限制、直接将被测温度转换为数字信号的温度传感器。针对文献中采用SWC，NE555，MC14553，MC14511等集成电路实现数字温度计存在的不足，对原有电路提出改进设计，用AT89C2051实现译码和显示功能，设计思路清晰、电路简单。用汇编程序实现测值3次取平均，该数字温度计的精度可以达到0.1 ℃。

1 问题分析

原温度计由数字式温度传感器SWC、单稳态触发电路、计数电路、译码与LED数码显示电路等组成。其设计原理图如图1所示：

其中，SWC数字式温度传感器又称为集成数字脉冲式探头，对外接口分别为控制线K，信号线S和公共线G，是一种三端器件。具有加电启动和宽脉冲触发2种启动方式，在此设计电路中使用宽脉冲触发形式。定时（单稳态触发）电路以NE555为核心产生定时宽度为50 ms的闸门脉冲电压，一路加至SWC的K端作为启动信号；另一路经过微分电路后加置MC14533的13脚进行计数器清零。用MC14533的11脚作为输入，第1，2，15脚作为输出，完成计数功能。最后用具有锁存/译码/驱动功能的MC14511实现BCD译码，使数码管SM4205显示出温度数值，完成测温。详细工作原理见参考文献。

用该电路实现测温每次加电后必须启动按钮开关AN，而且每按1次只能实现单次测温，如要连续测温则操作比较繁琐。由MC14533，MC14511集成块构成计数、显示功能的电路比较复杂，且连线多，可靠性不好，将电路级联、焊接好后进行调试和修改都比较复杂。相对于用较多的集成电路，用单片机可以实现测温电路的控制，实现可编程功能，电路简单且易于调试。另外，原电路是一次性读数并显示，没有对所测得的数据进行任何处理，所以数据的可信度不高。

2 硬件电路的改进

电路控制部分的核心为单片机AT89C2051，外接SWC、显示电路和按键。

2.1 单片机AT89C2051

单片机AT89C2051是整个电路的中心控制单元，是一个低电压高性能的8位单片机，与MCS-51单片机的内部结构基本一致，区别是增加了1个模拟比较器，减少了2个对外的端口（P0，P2口），双向端口P1，P3有独特的功能，因而使芯片的外部输入引脚大大减小。指令系统与MCS-51兼容，内含2 kB FLASH Memory和128 B的随机存取存储器（RAM），15个可编程I/O线，2个16位定时器/计数器，5个两级中断源，1个可编程全双工串行通信口。故其功能十分强大，可提供给许多高性价比的应用场合。所以本设计的控制部分采用AT89C2051，完全能够满足系统中要求的控制、数据处理和译码显示的需要。

2.2 改进电路原理图

电路原理图如图2所示。

AT89C2051单片机采用最小化应用设计。数字温度传感器SWC的K端接P1.2，用作连接50 ms高电平触发电平，G端接地，S端作为SWC的信号端连接AT89C2051片内模拟比较器的正向输入即P1.0，P1.1连接R2，R3后外接5 V电压作为反向输入端；通过调整R2和R3的阻值，可以使模拟比较器的反向输入端电压是同向输入端即SWC的S输入端电压的1/2，这样可以有效地提高测量的可靠性。显示采用动态扫描方式实现，P1口输出段码数据，P3.2，P3.3，P3.4作输出扫描位码。为提供LED 数码管的驱动电路，用三极管9012作电源驱动输出。P3.0连接外部按键，用于接收用户的命令，切换不同的测温模式，实现温度计的可编程功能。单片机时钟采用内部振荡器外配12 MHz晶振，复位采用上电自动复位电路。

3 软件设计

3.1 设计思想

总体设计思想是用单片机AT89C2051实现以前复杂的集成电路实现的功能，并设计自动测温等编程模式。

温度传感器SWC采用单线输出方式，当K端使用50 ms宽脉冲触发后，S端输出一串脉冲，每个脉冲为0.1 ℃增量，脉冲个数代表了被测温度的数字量。用程序将计数/定时器T0的计数输入端和单片机AT89C2051的内置模拟比较器输出端P3.6短接（用P3.6读入直接写到P3.4来实现）；单片机采用T0为计数工作方式，T1为定时工作方式，即设计每50ms定时时间到达后，统计出T0计数的脉冲值，即是数字温度传感器SWC所测得的温度值。将此数值存入预先开辟的内存单元，在测量3次后，对所测数值取平均后送到P1口显示，即为所测出的温度值。图3是系统总流程框图。当检测到P3.0外接的按键按下，P3.0为低电平时，实现点动式测温模式，如P3.0按下时间大于1 s后，进入自动测温模式。

3.2 50 ms定时初值设置

当系统加电后，首先对单片机进行初始化。设50 ms计数初值为X，根据公式X=M-定时时间/T，有X=216－50 ms/1 μs，计算的初始值X=15 536，二进制表示为11110010110000 B，16进制表示为3CBOH，即TL0初始化置B0H,TH0置3CH。并置P1.0，P1.1为0，用作内置模拟比较器的输入。

MOV SP,#70H;

MOV TMOD,15H;

设置T0计数模式、T1为定时、工作方式1

MOV TH1,#03CH;

MOV TL0,#0B0H;

CLR P1.0;模拟比较器同向输入端设置

CLR P1.1;模拟比较器反向输入端设置

SETB EA;开总中断

3.3 键盘处理子程序设计

在每次测量完成后，都要检测键盘的状况，当检测到P3.0的键盘按下时，启动延时程序。在延时的过程中，一直监测键盘的状况，如在延时结束前键盘被释放，则进入测温程序，测量1次温度，这样就可以实现点动测温。而在延时的过程中键一直被按下，则延时结束后转去执行自动测温子程序。在自动测温子程序中，每执行完1次测温，就检测1次键盘，如键被按下，就推出自动测温模式，否则继续执行测温程序。

部分程序如下：

DELAY: MOV R5,#50H;

DEL0: MOV R6,#100H;

DEL1: MOV R7,#100H;

DEL2:P3.0,FINISH

DJNZ R7,DEL2;

DJNZ R6,DEL1;

DJNZ R5,DEL0;

JMP AUTO

3.4 数据处理

由于SWC已经过了非线性处理，所以数据处理部分主要完成3次测量结果平均值的计算和译码显示。单次测量结果最大为500，所以用8位MCU时需要注意，应该用2个存储单元进行存储。对于译码显示较为简单，只需要对计数结果，用查表的方式送显就可以实现。

4 结 语

传统的温度检测大都以热敏电阻作为温度传感器，但是热敏电阻的可靠性较差、测量温度准确率低，并且还必须经过专门的电路转化成数字信号后才能用单片机进行处理。本文相当于文献，基于单片机AT89C2051和数字温度传感器SWC实现的数字温度计比原设计电路简单、需要元器件少，主要依靠单片机实现原来复杂的集成电路实现的功能；在软硬件设计中，都采用了提高可靠性的措施，所以，测量数据可靠性大大加强。另外，用软件实现原硬件实现的功能，可以降低成本，方便调试。用文中设计的温度计具有硬件连接简单、体积小、测量精度高、可以实现自动和点动测温2种方式；抗干扰能力强，测得温度准确，可以根据具体要求添加不同的测温模式等特点，可广泛应用于温度测量和性价比要求较高的领域。

参考文献

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作者简介 李 娜 女，1983年出生，陕西渭南人，延安大学在读研究生。主要从事信号理论与技术，DSP等方面的研究。