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(tǒng)，采用等精度頻率測量技術，設計了一款高精度數(shù)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(shù)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(xiàn)溫度的精確測量。實驗數(shù)據(jù)表明該溫度計的測溫相對誤差小于0.3%。
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(tǒng)的溫度計有反應速度慢、讀數(shù)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(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結構實現(xiàn)了模塊化、電路簡單等優(yōu)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(huán)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(xù)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(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)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(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經(jīng)驗要求低、標準產(chǎn)品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設計，因此被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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：
其中Rn是熱敏電阻NTC，C為放電電容，RN是在額定溫度TN（K）時的NTC熱敏電阻阻值，T規(guī)定溫度（K），B是NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由以上兩個公式可將建立起由溫度到電阻值，再由電阻值到頻率的換算關系，實現(xiàn)頻率到溫度的轉換：
1）555電路的振蕩頻率：f=1/（（R1+2RT1）C1ln2），即頻率與電阻值的關系；
2）半導體熱敏電阻NTC的特性曲線（溫度與電阻的關系）。在一定溫度范圍內，半導體材料的電阻RT和絕對溫度T的關系可表示為：
其中常數(shù)a不僅與半導體材料的性質有關而且與它的尺寸均有關，而常數(shù)b僅與材料的性質有關，常數(shù)a和b可通過實驗方法測得，計算出a和b后，就可以根據(jù)公式（3）計算出溫度值。因為NTC的阻值和溫度之間是指數(shù)關系，以單片機為處理器的系統(tǒng)計算這一方程效率很低，因此本文使用查表法與插值法計算溫度，提高了測量的效率，簡化了計算的復雜性。假設測溫范圍為-10～50，可先將-10～50分為60段，每一度的氣溫對應一段頻率值。然后分別將NE555電路在-10°，-9°，-8°……48°，49°，50°時的輸出頻率實際測試出來并存儲在單片機的ROM中，建立時鐘頻率與溫度的對應表。而在每一個度的溫度段內近似認為頻率與溫度成線性關系在實際轉換過程中，首先根據(jù)測量的時鐘頻率確定其所在的溫度段，再按線性方程求出此頻率所對應的溫度值，由此實現(xiàn)由頻率到溫度的轉換。
2.2 等精度測頻電路的實現(xiàn)
等精度測頻的主要思想：利用兩個計數(shù)器在同一時間段內同時對兩個時鐘信號進行計數(shù)，由已知時鐘的頻率和兩個計數(shù)器的計數(shù)值可得出待測信號的頻率。具體如圖4所示，首先設置時鐘閘門信號的寬度，在這段時間內，計數(shù)器1和計數(shù)器2同時對兩個時鐘信號進行計數(shù)，計數(shù)器1所計的時鐘信號的頻率為已知的基準時鐘，其頻率為Fb。計數(shù)器2所計的時鐘信號為待測的時鐘信號，假設在等時間內計數(shù)器1計數(shù)器2計數(shù)數(shù)值分別為Nb和Nx。由兩計數(shù)器在同時間段內計數(shù)，有以下關系式：
等精度測頻功能的實現(xiàn)需要單片機與CPLD的協(xié)調合作實現(xiàn)。計數(shù)器1用單片機的定時器1實現(xiàn)，計數(shù)器2用CPLD來配置。單片機部分的主要作用是：負責控制外部計數(shù)器和內部定時器計數(shù)器的開啟與關閉；外部計數(shù)器和內部定時器計數(shù)器的數(shù)據(jù)的讀�。惶幚硪约皵�(shù)據(jù)輸出緩存。測量開始，單片機首先發(fā)出清零信號，對外部CPLD計數(shù)器清零，然后將內部定時器清零，配置成外部時鐘控制方式，然后發(fā)出計數(shù)啟動信號，隨后進入等精度頻率測量計數(shù)模式，單片機通過查詢計數(shù)器，判斷計數(shù)時間，該計數(shù)時間必須小于外部32 bit計數(shù)器溢出時間，時間一到，單片機發(fā)出停止計數(shù)信號，查詢引腳P3.2，確認計數(shù)停止，讀回外部計數(shù)結果和內部計數(shù)器計數(shù)結果，假設分別為N1和N2，定時器計數(shù)時間間隔為T1，那么被測信號的頻率F=（N1/N2）T1，將計算出的數(shù)據(jù)輸送到頻率溫度轉化模塊等待數(shù)據(jù)轉換。
CPLD部分主要完成對被測信號的測量計數(shù)和總線設計。由于所用CPLD芯片內資源較少，其內部只能設置一個32位計數(shù)器。這部分在Max+p lusII環(huán)境下完成電路的硬件設計與仿真，采用原理圖輸入。硬件設計共包括4個部分：輸入、輸出、計數(shù)器和總線接口部分。總體設計結構如圖5所示，其中mcu_ctrl模塊為總線接口模塊，frequency模塊為測量計數(shù)模塊。
3 軟件部分設計
源程序流程圖如圖6所示。
主要程序分析（頻率溫度轉換部分）：
計算單片機的計數(shù)并根據(jù)基準時鐘的脈沖數(shù)目，時鐘周期由被測信號脈沖數(shù)目計算出待測信號頻率。
4 實驗結果
通過與基準溫度對比的方法對設計的溫度計精度進行驗證。首先使用精度較高的溫度計測得實際溫度作為基準溫度，然后利用設計好的數(shù)字溫度計測量實際溫度與基準溫度進行對比，測量結果如表1所示。通過對比測試結果，發(fā)現(xiàn)設計的數(shù)字溫度計測量的溫度與基準溫度相差很小，絕對誤差小于0.1℃，相對誤差小于0.3%，達到了設計的精度要求。
總之，通過利用單片機與CPLD的配合完成頻率的精確測量，實現(xiàn)了等精度測頻功能。利用等精度測頻功能確保了測量溫度數(shù)據(jù)處理的精確性，使設計的溫度計的精度達到實際應用的要求。在系統(tǒng)中等精度頻率測量模塊采用8位51單片機定時器作為基準信號的計數(shù)器，由于該基準信號頻率較低，對精度有一定影響。如果采用更高頻率基準信號，測頻精度還可提高，從而提高測量溫度的精度。
