基于實際應用中許多場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，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，從而實現溫度測量。 實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。然而，在某些特定場合，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性度好、性能穩(wěn)定、靈敏度高、使用方便、軟硬件結構模塊化、電路簡單等優(yōu)點。 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、無線電技術、自動化和遠程控制等領域。 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(xù)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系。 設計的數字溫度計主要由以下四個部分組成: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，簡稱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、設計開發(fā)周期短、應用范圍廣、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計人員硬件經驗要求低、無需測試標準產品、保密性強、價格普及等特點。它可以實現大規(guī)模電路設計，因此廣泛應用于產品的原型設計和產品生產。 可編程邏輯器件的內部結構是:和或數組。該結構來自典型的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。 宏單元包含一個寄存器(較多使用16個產品術語作為輸入)和其他有用的特性 因為每個宏單元使用16個乘積項，所以設計者可以部署大量的組合邏輯，而無需添加額外的路徑。 單片機和CPLD之間的三總線結構如圖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定時器組成的多諧振蕩器電路如圖3所示。該電路可以實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 從以上兩個公式可以建立溫度到電阻值和電阻值到頻率的轉換關系，實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系；2)半導體熱敏電阻的特性曲線 在一定的溫度范圍內，半導體材料的電阻rt與溫度t之間的關系可以表示為:常數a不僅與半導體材料的性質有關，還與半導體材料的尺寸有關，而常數b僅與材料的性質有關。常數a和b可以用實驗方法測量。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系，單片機系統在計算該方程時效率很低，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 °;當輸出頻率被實際測試并存儲在單片機的只讀存儲器中時，就建立了相應的時鐘頻率和溫度表 在實際轉換過程中，根據測量的時鐘頻率確定頻率所在的溫度段，然后根據線性方程獲得對應于該頻率的溫度值，從而實現從頻率到溫度的轉換。 2.2等精度頻率測量電路的實現等精度頻率測量的主要思想是使用兩個計數器在同一時間段內同時計數兩個時鐘信號。要測量的信號頻率可以從已知的時鐘頻率和兩個計數器的計數值中獲得。 如圖4所示，首先設置時鐘門信號的寬度。在此期間，計數器1和計數器2同時計數兩個時鐘信號。計數器1計數的時鐘信號的頻率是已知的參考時鐘，其頻率是Fb 假設計數器2以相等的時間分別計數Nb和Nx，由計數器2計數的時鐘信號是要測量的時鐘信號 這兩個計數器在同一時間段內計數，并具有以下關系:& nbsp。等精度測頻功能的實現需要單片機和可編程邏輯器件之間的協調與配合 計數器1由單片機定時器1實現，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器的開啟和關閉。讀取外部計數器和內部計時器的數據；處理和數據輸出緩存 測量開始時，單片機先發(fā)出清零信號清零外部CPLD計數器，然后清零內部定時器，將內部定時器配置為外部時鐘控制模式，然后發(fā)出計數開始信號，然后進入等精度測頻計數模式。單片機通過查詢計數器來判斷計數時間，計數時間必須小于外部32位計數器的溢出時間。當時間到達時，單片機發(fā)出停止計數信號查詢管腳P3.2。確認計數停止，分別假設N1和N2，定時器計數時間間隔為T1，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。 硬件設計包括四個部分:輸入、輸出、計數器和總線接口 總體設計結構如圖5所示，其中mcu_ctrl模塊為總線接口模塊，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，根據時鐘周期內參考時鐘的脈沖數，從待測信號的脈沖數中計算出待測信號的頻率 4.實驗結果通過與參考溫度的比較，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測量實際溫度并將其與參考溫度進行比較。測量結果如表1所示 通過對比試驗結果，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足實際應用的要求。 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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