项目16 数字式温度计的设计与制作（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

项目16 数字式温度计的设计与制作 项目描述 本项目要求设计与制作一个数字式温度计。 典型的温度测控系统是由模拟温度传感器、A/D转换电路和单片机组成。是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过A/D转换才能获得数字信号，使得硬件电路结构复杂,成本较高。近年来，由于以DS18B20代表的新型单总线数字式温度传感器的突出优点使得它得到充分利。DS18B20集温度测量和A/D转换于一体,直接输出数字量，接口几乎不需要外围元件，硬件电路结构简单，传输距离远，可以很方便的实现多点测量，与单片机接口几乎不需要外围元件，使得硬件电路结构简单，广泛使用于距离远、节点分布多的场合。 知识和能力目标； 了解传感器与微机的接口电路。 熟悉 A/D转换器（ADC）的主要技术指标，能正确选择、连接微机的ADC。 熟悉传感器与微机的接口电路的设计方法。 知识准备 一、 传感器与微机接口技术 如图16-1所示，传感器与微机的接口电路主要由信号预处理电路、数据采集系统和计算机接口电路组成。 （一）信号预处理 1.开关式输出信号的预处理 (a)理想特性 ( b) 实际特性 (c)处理方案 ( d) 处理后特性 图16-2开关量传感器特性示意图 2.模拟连续式输出信号的预处理 模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为五种形式：电压、电流、电阻、电容和电感。这些参量必须先转换成电压量信号，然后进行放大及带宽处理才能进行A/D转换。 （1）电流/电压变换电路（I/V变换） 图16-3采用运放的I/V转换电路 （2）电压/电流变换（V/I变换） V/I变换器的作用是将电压信号变换为标准电流信号，它不仅要求具有恒流性能，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值。 图16-4 4～20mA的V/I变换电路 （3）模拟频率式输出信号的预处理 模拟频率式输出信号，一种方法是直接通过数字式频率计变为数字信号；另一种方法是用频率/电压变换器变为模拟电压信号，再进行A/D转换。频率/电压变换器的原理如图16-5所示。 （4）数字式输出信号的预处理 数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。数字脉冲式输出信号可直接将输出脉冲经整形电路后接至数字计数器，得到数字信号。数字编码式输出信号通常采用格雷码而不用8421二进制码，以避免在两种码数交界处产生计数错误。因此，需要将格雷码转换成二进制或二—十进制码。 （二）数据采集 传感器输出的信号经预处理变为模拟电压信号后，需转换成数字量方能进行数字显示或送入计算机。这种把模拟信号数字化的过程称为数据采集。 1.数据采集系统 图16-6 数据采集系统的配置 2.采样周期的选择 根据香农采样定理：对一个具有有限频谱(ωmin＜ω＜ωmax)的连续信号进行采样， 当采样频率ωS=2π/TS）≥2ωmax时，采样结果可不失真。 图16-7 连续时间信号的取样 3.量化噪声(量化误差) 模拟信号是连续的，而数字信号是离散的，每个数又是用有限个数码来表示， 二者之间不可避免地存在误差，称为量化噪声。一般A/D转换的量化噪声有1 LSB和LSB/2两种。  （三）ADC接口技术 1. A/D转换器（ADC）的主要技术指标 (1)分辨力 (2)精度 (3)量程(满刻度范围) (4)线性度误差 (5)转换时间 2.ADC的选择与使用 按A/D转换的原理，ADC主要分为比较型和积分型两大类。 其中，常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F变换型（电荷平衡式）。逐次逼近ADC的特点是转换速度较高(1μs~1 ms)，8~14位中等精度，输出为瞬时值，抗干扰能力差；双积分ADC测量的是信号平均值，对常态噪声有很强的抑制能力，精度很高，分辨率达10~20位，价格便宜， 但转换速度较慢(4 ms~1 s)；V/F转换器是由积分器、比较器和整形电路构成的VFC电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计测量。VFC能快速响应，抗干扰性能好，能连续转换，适用于输入信号动态范围宽和需要远距离传送的场合，但转换速度慢。 3.单片机的采集接口电路及A/D转换器 传感器采集接口电路的系统框图如图16-8所示。 4.ADC0809/0808与单片机的连接 图16-9 ADC0809引脚图 图16-10 ADC0808/0809与8031的接口 项目实施 二、数字式温度计的设计与制作 （一）数字温度传感器DS18B20 1.DS18B20主要特性 (1)单总线接口方式:与微处理器连接时仅需要一条信号线即可实现双向通讯； (2)使用中无