基于實(shí)際應用中許多場(chǎng)合對高精度溫度測量的需求，采用ATF1504芯片和單片機zui小系統，采用等精度頻率測量技術(shù)，設計了高精度數字溫度計。 該方案采用ATF1504芯片作為可編程邏輯器件，高靈敏度負溫度系數作為溫度傳感器。 ATF1504芯片與單片機配合完成待測信號的頻率測量，從而實(shí)現溫度測量。 實(shí)驗數據表明溫度計溫度測量的相對誤差小于0.3% 溫度是人們日常生活中經(jīng)常需要測量和控制的物理量。 傳統的溫度計具有反應速度慢、讀數麻煩、測量精度低、誤差大等缺點(diǎn)。然而，在某些特定場(chǎng)合，設備和器材對溫度要求極高，因此設計高精度溫度計非常有意義 設計的高精度溫度計具有線(xiàn)性度好、性能穩定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結構模塊化、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 1.設計方案熱敏電阻是一種對溫度變化非常敏感的電阻元件。它廣泛應用于溫度測量技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、自動(dòng)化和遠程控制等領(lǐng)域。 熱敏電阻可以將環(huán)境溫度的變化轉化為電阻本身電阻值的變化。它將溫度的變化轉化為連續電信號的變化，然后外部電路將電信號轉化為可由單片機處理的脈沖(頻率)信號，可由單片機直接處理 555熱敏電阻組成的振蕩電路可以實(shí)現電阻到頻率的轉換功能，建立溫度到電阻值到頻率的對應關(guān)系。 處理器對頻率信號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(mǎn)足精度要求。設計中采用查表法和插值法建立頻率與溫度的轉換關(guān)系。 設計的數字溫度計主要由以下四個(gè)部分組成:溫度傳感部分、等精度測頻部分、頻率溫度轉換部分、數據緩存和顯示部分。示意圖如圖1所示 設計中使用的主要模塊有:1)單片機系統 單片機zui small system，簡(jiǎn)稱(chēng)zui small application system，是指由zui small組件組成的單片機能夠工作的系統。 單片機zui小型系統一般應包括:單片機、晶體振蕩器電路、復位電路 2)復雜可編程邏輯器件 復雜可編程邏輯器件 它具有編程靈活、集成度高、設計開(kāi)發(fā)周期短、應用范圍廣、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設計制造成本低、對設計人員硬件經(jīng)驗要求低、無(wú)需測試標準產(chǎn)品、保密性強、價(jià)格普及等特點(diǎn)。它可以實(shí)現大規模電路設計，因此廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)。 可編程邏輯器件的內部結構是:和或數組。該結構來(lái)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，所以& ldquo和或數組。該結構可以實(shí)現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(yǔ)作為輸入)和其他有用的特性 因為每個(gè)宏單元使用16個(gè)乘積項，所以設計者可以部署大量的組合邏輯，而無(wú)需添加額外的路徑。 單片機和CPLD之間的三總線(xiàn)結構如圖2所示。 2.硬件設計2.1溫度和頻率轉換部分的設計由熱敏電阻和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)現從溫度變化到電阻變化再到頻率變化的轉換。 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 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換關(guān)系，實(shí)現頻率到溫度的轉換:1)555電路的振蕩頻率:f = 1/((R1+2rt1) c1ln2)，即頻率和電阻值的關(guān)系；2)半導體熱敏電阻的特性曲線(xiàn) 在一定的溫度范圍內，半導體材料的電阻rt與溫度t之間的關(guān)系可以表示為:常數a不僅與半導體材料的性質(zhì)有關(guān)，還與半導體材料的尺寸有關(guān)，而常數b僅與材料的性質(zhì)有關(guān)。常數a和b可以用實(shí)驗方法測量。在計算a和b之后，可以根據公式(3)計算溫度值 由于NTC的電阻值與溫度呈指數關(guān)系，單片機系統在計算該方程時(shí)效率很低，因此本文采用查表法和插值法計算溫度，提高了測量效率，簡(jiǎn)化了計算復雜度。 假設溫度測量范圍為-10 ~ 50，我們可以先將-10 ~ 50分成60段，每一溫度對應一個(gè)頻率值。 然后將NE555電路設置在-10°；，-9°；，-8°；& hellip& hellip48 °;，49 °;，50 °;當輸出頻率被實(shí)際測試并存儲在單片機的只讀存儲器中時(shí)，就建立了相應的時(shí)鐘頻率和溫度表 在實(shí)際轉換過(guò)程中，根據測量的時(shí)鐘頻率確定頻率所在的溫度段，然后根據線(xiàn)性方程獲得對應于該頻率的溫度值，從而實(shí)現從頻率到溫度的轉換。 2.2等精度頻率測量電路的實(shí)現等精度頻率測量的主要思想是使用兩個(gè)計數器在同一時(shí)間段內同時(shí)計數兩個(gè)時(shí)鐘信號。要測量的信號頻率可以從已知的時(shí)鐘頻率和兩個(gè)計數器的計數值中獲得。 如圖4所示，首先設置時(shí)鐘門(mén)信號的寬度。在此期間，計數器1和計數器2同時(shí)計數兩個(gè)時(shí)鐘信號。計數器1計數的時(shí)鐘信號的頻率是已知的參考時(shí)鐘，其頻率是Fb 假設計數器2以相等的時(shí)間分別計數Nb和Nx，由計數器2計數的時(shí)鐘信號是要測量的時(shí)鐘信號 這兩個(gè)計數器在同一時(shí)間段內計數，并具有以下關(guān)系:& nbsp。等精度測頻功能的實(shí)現需要單片機和可編程邏輯器件之間的協(xié)調與配合 計數器1由單片機定時(shí)器1實(shí)現，計數器2由CPLD配置 單片機的主要功能是控制外部計數器和內部計時(shí)器的開(kāi)啟和關(guān)閉。讀取外部計數器和內部計時(shí)器的數據；處理和數據輸出緩存 測量開(kāi)始時(shí)，單片機先發(fā)出清零信號清零外部CPLD計數器，然后清零內部定時(shí)器，將內部定時(shí)器配置為外部時(shí)鐘控制模式，然后發(fā)出計數開(kāi)始信號，然后進(jìn)入等精度測頻計數模式。單片機通過(guò)查詢(xún)計數器來(lái)判斷計數時(shí)間，計數時(shí)間必須小于外部32位計數器的溢出時(shí)間。當時(shí)間到達時(shí)，單片機發(fā)出停止計數信號查詢(xún)管腳P3.2。確認計數停止，分別假設N1和N2，定時(shí)器計數時(shí)間間隔為T(mén)1，則測量信號的頻率f = (n1/N2) t1，并將計算數據發(fā)送至頻率溫度轉換模塊等待數據轉換 可編程邏輯器件部分主要完成被測信號的測量計數和總線(xiàn)設計。 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置一個(gè)32位計數器。 該部分利用原理圖輸入，完成了馬克斯+plusII環(huán)境下電路的硬件設計和仿真。 硬件設計包括四個(gè)部分:輸入、輸出、計數器和總線(xiàn)接口 總體設計結構如圖5所示，其中mcu_ctrl模塊為總線(xiàn)接口模塊，頻率模塊為測量計數模塊 3.軟件設計源程序的流程圖如圖6所示。 主程序分析(頻率和溫度轉換部分):計算單片機的計數，根據時(shí)鐘周期內參考時(shí)鐘的脈沖數，從待測信號的脈沖數中計算出待測信號的頻率 4.實(shí)驗結果通過(guò)與參考溫度的比較，驗證了設計的溫度計精度 首先，使用高精度測量的實(shí)際溫度溫度計作為參考溫度，然后使用設計的數字溫度計來(lái)測量實(shí)際溫度并將其與參考溫度進(jìn)行比較。測量結果如表1所示 通過(guò)對比試驗結果，發(fā)現設計數字溫度計測量溫度與參考溫度相差不大，誤差小于0.1℃，相對誤差小于0.3%，滿(mǎn)足設計精度要求 總之，利用單片機和可編程邏輯器件的配合完成了頻率測量，實(shí)現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據處理，設計的溫度計精度滿(mǎn)足實(shí)際應用的要求。 在系統的中精度頻率測量模塊中，采用8位51單片機定時(shí)器作為參考信號的計數器，由于其頻率較低，對精度有一定的影響。 如果采用較高頻率的參考信號，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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