目  录
第一章 绪论
1.1 选题的背景和意义
1.2 温度传感器的简述
1.2.1 温度传感器的发展
1.2.2 温度传感器的分类
1.2.3 温度传感器的发展现状
1.3 系统设计方案论证
1.4 系统任务
1.4.1 系统设计要求及功能
第二章 系统硬件电路的设计
2.1 系统设计框图
2.2 单片机模块
  2.2.1 单片机AT89S52功能特性描述
  2.2.2 单片机AT89S52主要性能
2.2.3 单片机AT89S52引脚说明
2.2.4 单片机AT89S52存储器结构
2.2.5 看门狗定时器
2.3 单片机复位电路模块
2.4 温度传感器模块
2.4.1 HTS-206温度传感器简介
2.4.2 HTS-206温度传感器外部尺寸及规格
2.4.3 HTS-206温度传感器频率温度的温度特性
2.4.4 HTS-206温度传感器测温原理
2.5 分频电路模块
2.5.1 分频电路结构
2.5.2 分频电路工作原理
2.5.3 分频电路图

2.6 LED显示模块
2.6.1 LED 数码显示器的工作原理
2.6.2 显示电路设计
2.7 报警点按键模块和声光报警模块
2.8 时钟日历信号模块
2.8.1 DS1302的结构及工作原理
2.9 系统电路图
第三章 系统软件部分
3.1 软件控制流程图
第四章 结论
参考文献 

 
摘  要

温度计在国民经济和生活中有着广泛的应用。为了适应温度计的迅速发展，本文提出了多功能石英数字温度计系统设计。由于单片机的迅速发展和普及，而采用单片机构成控制系统，则可大大降低成本，而且做成专用控制系统，程序被固化，加强了保密性、提高了可靠性。本文详细介绍了多功能石英数字温度计系统的原理和多功能石英数字温度计系统设计的制作思想，通过AT89S52单片机作为主控制器，加上HTS-206温度传感器、DS1302时钟日历芯片等器件组成了多功能石英数字温度计系统的硬件配置。本文用Protel99绘制主电路及各模块电路的绘制，通过C语言实现软件系统控制。该系统具有测量精度高、工作稳定、功能多、使用方便等特点，可以广泛应用于工农业生产、人们日常生活中，对温度进行测量与监控，具有较好的实用价值。

关键词：单片机；温度计；石英晶体温度传感器HTS-206；多功能

              ABSTRACT
Thermometer in the national economy and livelihood has a broad application. Thermometer in order to adapt to the rapid development, this paper presents a multi-function quartz digital thermometer system design. SCM because of the rapid development and popularization of, and constitute a single-chip computer control system, can greatly reduce costs, but creates a dedicated control system, procedures have been solidified and strengthened confidentiality, improve reliability. This paper introduces the multi-function quartz digital thermometer system theory and multi-function quartz digital thermometer production system design idea, through AT89S52 Single-chip as main controller, coupled with HTS-206 Temperature Sensor, DS1302 clock calendar chip devices composed of a multi-function quartz digital thermometer system hardware configuration. In this paper, Protel99 mapping module circuit and main circuit drawing, through the C language implementation of software system. The system has high measuring accuracy, job stability, many features, ease of use and other characteristics, can be widely used in industrial and agricultural production, people in daily life, on the temperature measurement and monitoring, has good practical value.

Keywords：Singlechip; thermometer; Quartz Crystal Temperature Sensor HTS-206; multifunction
第一章  绪 论

1.1 选题的背景和意义
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
    温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。现在所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计。这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。
   目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。
1.2温度传感器的简述
1.2.1 温度传感器的发展
温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间         转换。
2.模拟集成温度传感器/控制器。
3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化           向智能化及网络化的方向发展。
1.2.2 温度传感器的分类
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。
     1.接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
    2.非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
温度传感器的发展
1.2.3温度传感器的发展现状
（1）传统的分立式温度传感器——热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。
（2）模拟集成温度传感器
     集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
   a) 光纤传感器
光纤式测温原理
光纤测温技术可分为两类:一是利用辐射式测量原理,光纤作为传输光通量的导体,配合光敏元件构成结构型传感器;二是光纤本身就是感温部件同时又是传输光通量的功能型传感器。光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低,无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小,可以单根、成束、Y型或阵列方式使用,结构布置简单且体积小。因此,作为温度计,适用的检测对象几乎无所不包,可用于其他温度计难以应用的特殊场合,如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防水、防腐、特小空间或特小工件等等。目前,光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等

① 全辐射测温法
全辐射测温法是测量全波段的辐射能量。测量中由于周围背景的辐射、测试距离、介质的吸收、发射及透过率等的变化都会严重影响准确度。同时辐射率也很难预知。但因该高温计的结构简单,使用操作方便,而且自动测量,测温范围宽,故在工业中一般作为固定目标的监控温度装置。该类光纤温度计测量范围一般在600～3000℃,最大误差为16℃。
② 单辐射测温法
由黑体辐射定律可知,物体在某温度下的单色辐射度是温度的单值函数,而且单色辐射度的增长速度较温度升高快得多,可以通过对于单辐射亮度的测量获得温度信息。在常用温度与波长范围内,单色辐射亮度用维恩公式表示。
③ 双波长测温法
双波长测温法是利用不同工作波长的两路信号比值与温度的单值关系确定物体温度。这种方法响应快，不受电磁感应影响,抗干扰能力强。特别在有灰尘,烟雾等恶劣环境下,对目标不充满视场的运动或振动物体测温,优越性显著。但是,由于它假设两波段的发射率相等,这只有灰体才满足,因此在实际应用中受到了限制。该类仪器测温范围一般在600～3000℃,准确度可达2℃。
④ 多波长辐射测温法
多波长辐射测温法是利用目标的多光谱辐射测量信息,经过数据处理得到真温和材料光谱发射率。该方法有很高的精度,目前欧共体及美国联合课题组的Hiernaut等人已研究出亚毫米级的6波长高温计，用于2000～5000K真温的测量。哈尔滨工业大学研制成了棱镜分光的35波长高温计，并用于烧蚀材料的真温测量。多波长高温计在辐射真温测量中已显出很大潜力，在高温，甚高温，特别是瞬变高温对象的真温测量方面，多波长高温计量是很有前途的仪器。该类仪器测温范围广，可用于600～5000℃温度区真温的测量,准确度可达±1%。

光纤技术的发展,为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。而在高温领域，光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温度，周围背景的辐射、介质吸收率的变化和辐射率的预测都会给测量带来困难，因此难于实现较高的精度。单辐射测温法所选波段越窄越好，可是带宽过窄会使探测器接收的能量变得太小，从而影响其测量准确度。多波长辐射测温法是一种很精确的方法，但工艺比较复杂，且造价高，推广应用有一定困难。双波长测温法采用波长窄带比较技术，克服了上述方法的诸多不足，在非常恶劣的条件下，,如有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒的环境中，目标表面发射率变化的条件下，,仍可获得较高的精度 。
b) 半导体吸收式光纤温度传感器
半导体吸收式光纤温度传感器是一种传光型光纤温度传感器。所谓传光型光纤温度传感器是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。这种类型主要使用数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。由于它利用光纤来传输信号，因此它也具有光纤传感器的电绝缘、抗电磁干扰和安全防爆等优点，适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。在这类传感器中，半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。
半导体吸收式光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光探测器的信号处理系统等组成。它体积小，灵敏度高，工作可靠，容易制作，而且没有杂散光损耗。因此应用于象高压电力装置中的温度测量等一些特别场合中，是十分有价值的。
（3）智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。

a) 数字温度传感器
随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
b) 石英温度传感器
根据石英晶体的压电效应、压电逆效应及对某些物理量和化学量的变化会引起其频率和Q值（或等效电阻）发生变化的原理而制成的石英传感器，具有精度高、灵敏度好、测量范围宽、反应迅速、数字输出等独特的优势。由于晶体是频率控制元件，本身就能达到数字化（以频率的方式输出），当绝对频偏与被测含量呈线性关系时，其数字处理既简单又方便，且输出数字量稳定可靠，易与计算机接口，有利于二次仪表的数字化。数字量与模拟量相比，具有抗干扰性强，适宜于远距离传输，消除了模拟数字转换这一复杂环节及其造成的误差。由于石英晶体还具有短稳频率与长稳频率的优良特点，传感器的分辨率可提高几个数量级，减少了传感器的校准次数。因此，基于石英晶体温度传感器的数字温度计具有测温精度高，测温范围广，结构简单,使用方便,还可在各个行业得到应用等特点。
用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能：用于热化疗仪中对药液的温度进行测量，能获得较好的测温效果；用于温度检测系统，测温系统可用于各行各业中。比如：可用于温室大棚的温度检测，当温度过高就产生报警信号；在轮胎生产中,进行的温度检测。
1.3  系统设计方案论证
方案一：（普通传感器+A/D转换器）
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
方案二：（石英温度传感器HTS-206）
进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用石英温度传感器HTS-206。基于石英晶体温度传感器的数字温度计具有测温精度高，测温范围广，结构简单，使用方便，还可在各个行业得到应用。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。
1.4系统任务
本文以单片机AT89S52及石英温度传感器HTS-206为核心组成高精度温度测量系统，通过在中频段使用多周期同步法实现频率测量，从而实现对温度的测量，通过LED显示器显示测量结果。用户可以用键盘来任意设定温度的上下报警门限，当测量温度超出报警门限时，系统输出报警信号。在上述的基础上设计出多功能石英数字温度计的硬件部分并运用protel99软件完成电路图的绘制。
1.4.1 系统设计要求及功能
1 设计要求
■基本范围-50℃-110℃
■精度误差小于0.05℃
■LED数码直读显示
2 扩展功能
■实现语音报数
■可以任意设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。 
■显示实时日期、时间

第二章   系统硬件电路的设计

2.1 系统设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，该系统结构由单片机及其复位电路、温度传感器、分频电路、按键组合、时钟日历信号、显示、声光报警电路等7个功能模块组成。

 图1 系统框图
2.2 单片机模块
2.2.1单片机AT89S52功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.2.2  单片机AT89S52主要性能
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符

2.2.3 单片机AT89S52引脚说明

VCC : 电源                  
GND: 地
P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表 1 所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
表1 
引脚号 第二功能
P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5 MOSI（在系统编程用）
P1.6 MISO（在系统编程用）
P1.7 SCK（在系统编程用）
P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2所
示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
表2
引脚号 第二功能
P3.0 RXD（串行输入）
P3.1 TXD（串行输出）
P3.2 INT0(外部中断0)
P3.3 INT0(外部中断0)
P3.4 T0（定时器0外部输入）
P3.5 T1（定时器1外部输入）
P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 RD(外部数据存储器写选通)

RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。

2.2.4 单片机AT89S52存储器结构
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
①程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。
②数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。
2.2.5 看门狗定时器
WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活WDT，户用必须往WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入01EH 和0E1H。当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。WDT计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。当WDT溢出，它将驱动RSR引脚一个高个电平输出。
①WDT的使用
为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）依次写入0E1H和0E1H。当WDT激活后，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避免WDT溢出。当计数达到8191(1FFFH)时，13 位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、WDT激活后，每一个机器周期WDT 都会增加。为了复位WDT，用户必须向WDTRST 写入01EH 和0E1H（WDTRST 是只读寄存器）。WDT 计数器不能读或写。当WDT 计数器溢出时，将给RST 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续96个晶振周期（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。为了很好地使用WDT，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免WDT复位。
②掉电和空闲方式下的WDT
在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这WDT也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给WDT 喂狗，就如同通常AT89S52 复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止WDT在中断保持低电平的时候复位器件，WDT 直到中断拉低后才开始工作。这就意味着WDT 应该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态WDT不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位WDT。在进入待机模式前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE＝0，WDT继续计数。为了防止WDT在待机模式下复位AT89S52，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。
2.3单片机复位电路模块
本系统按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。如图 2 所示。

 
图 2  单片机复位电路

2.4 温度传感器模块
2.4.1 HTS-206温度传感器简介
石英晶体温度传感器HTS-206是日本Epson公司生产的产品，其振荡频率在40 KHZ附近，工作温度范围为-55~+125℃。
●利用晶体感应温度变化
    ●直径2mm，长度6mm
    ●频率对应温度呈良好的线性变化
    ●低频（40 KHZ）实现低电流消耗
    ●较大的温度范围（–40℃～+85℃）
●适用于测温设备和DTCXO

2.4.2  HTS-206温度传感器外部尺寸及规格  
                                          （单位：mm）

图 3  HTS-206温度传感器外部尺寸规格

表3  HTS-206温度传感器规格（特征）
项目 符号 规格说明 条件
额定频率范围 f_nom  40 KHZ 
温度范围 存储温度 T_stg –55℃～+125℃ 开封裸存
 工作温度 T_use –40℃～+85℃ 
最大激励功率 GL 1.0μW Max 没有破坏
激励功率 DL 0.1μW Typ 
频率公差 f_tol ±2% +25℃，DL=0.1μW
第一频率温度系数 α -29.6×10-6/℃（±2%） 
第二频率温度系数 β -6.4 ×10-8/℃（±8%） 
第三频率温度系数 γ -1.5×10-10/℃ Max 
串联电阻（ESR） R1 30 KΩMax +25℃，DL=0.1μW
串联电容 C1 2.0 fF Typ 
分路电容 C0 0.9 pF Typ 
频率老化 f_age ±3×10-6/year Max +25℃

2.4.3 HTS-206温度传感器频率温度的温度特性
石英温度计基本上都是采用沿厚度方向剪切振动的旋转Y、LC切型石英谐振器制成，这类切割的石英晶体温度系数大，频率对温度很敏感，可以将这种变化加强，再把这种变化控制成线性或者接近线性的关系，就可以制成一种高灵敏度测温传感器。这类传感器的温度灵敏度系数可以在20~ 2850Hz/℃范围内变动。石英晶体温度传感器HTS-206就是其中的一种，其振荡频率在40kH附近，工作温度范围为-55~+125℃。实验表明，在-40~+85℃的温度范围内，石英晶体谐振器HTS-206的频率一温度特性曲线如图4所示。

图4  HTS-206温 HTS-206温度传感器频率温度的温度特性
  石英晶体的固有频率ft是随温度变化而变化的，并且可以足够精确的表示为展开式：   
ft=fT[1+α(t一to) +β(t一to)2一γ(t一to)3]
式中: fT为在任惫参考温度t。时的频率，这里t。为25℃, fT为40kHz; α, β, γ分别为一、二、三阶频率——温度系数，其中α=-29.6×10-6/℃, β=-6.4 ×10-8/℃ , γ=-1.5×10-10/℃。
    由于握度传感信号的频率对温度的二次项系数β和三次项系数γ很小，均可忽略，因此温度传感信号的频率随温度的变化可以用一条直线来描述，即△fT/ fT=aT+b。

2.4.4 HTS-206温度传感器测温原理
利用石英谐振器的频率温度特性做成的传感器，可将温度变化转换为频率调制型信号，然后通过测量频率的变化就可以知道对应的温度变化，从而达到测温的目的。因此，频率调制型信号的准确性是影响温度精度的主要因素。通常利用单片机测量中频的方法是多周期同步法。多周期同步法特点是将标准频率信号和待侧信号分别输入两个计数器同时计数，波形图如图4所示，设计数器1记录的在精确闸门时间Tp内通过的标准脉冲信号(频率为fs)的脉冲数为Ns，计数器2记录在Tp内通过的待测信号m分频后的脉冲数为Nx，通过公式：fx=Nx ● fs/Ns可以求得m分频后的待测信号的频率。
    
测量原理框图如图5所示。石英温度传感器HTS-206输出随温度变化的方波信号，频率为40kHz左右。该信号经过m分频后，一路接到单片机AT89S52
的T1端，利用单片机内两个定时/计数器T0、T1分别对标准频率源和m分频后的待测信号计数，它们的计数闸门时间由实际闸门信号确定。如果单片机使用12MHz晶振，则这里得到的标准频率源为1 MHz。另一路接到D触发器的时钟端，用它来产生精确的实际闸门信号。P1. 2发出测量允许及预置闸门关闭时刻信号,P1. 3对D触发器清零。AT89C2051单片机定时/计数器T0工作在门控方式2，作为可自动装载计数初值的8位计数器，定时/计数器T1工作在方式1，作16位计数器使用。在定时、计数溢出中断响应中，用内部寄存器R5作扩展计数器，内部R6、R7扩展定时器。在单片机系统开始工作时，首先进行初始化，将 有关单元清零，将D触发器清零。设置定时/计数器的工作方式及初值，开中断。开始测量时，将P1. 2 置 1，发出允许测量信号，当实际闸门信号由0变1，计数器T0、T1开始计数。当参考闸门关闭时刻到的时候，将P1. 2 置 0,发出结束测量信号，此时T0、TI仍然计数，直到实际闸门信号由1变0为止，计数过程结束。同时，单片机响应INT0中断，进人中断服务子程序。由公式：fx=Nx ● fs/Ns可以求出m分频后的待侧信号的频率，然后由软件进行线性化和刻度变换，通过LED显示器显示测量结果。

       图5  测量原理框图
2.5 分频电路模块
2.5.1分频电路结构
分频电路包含信号放大、波形变换、波形整形和分频，其测量范围为1 KHZ 到99 KHZ。

图 6  分频电路框图

分频电路中的放大器实现对待测信号的放大, 降低对待测信号幅度的要求； 波形变换和波形整形电路将放大的信号转变成可与单片机接口的TTL 信号； 分频的使用不仅使单片机测频更易于实现, 而且也降低了系统的测频误差； 单片机通过设置使INT0 引脚控制内部定时器T0 工作, 这样能精确地测出加到INT0 引脚的正脉冲的宽度(也就是能精确地测出脉冲信号的周期)。

2.5.2 分频电路工作原理
考虑到信号的衰减、干扰等影响,在信号进行分频前对其进行放大整形。放大整形后的信号再经分频后输入到单片机进行测频。单片机利用定时器T0 通过其控制功能测出输入信号的周期。然后利用单片机的算术运算功能将周期转换成频率。
设计电路时, 综合考虑了测频精度和系统反应时间的要求。硬件电路设计中, 采用了CD4020 分频电路对待测信号进行212分频, 它的使用不但使单片机测频更易于实现, 而且也使测量周期的误差非常小, 保证了测频精度的要求。

2.5.3 分频电路图
    频率计的信号预处理电路如图6 所示。它由三级电路构成, 第一级为由开关三极管组成的零偏置放大器, 三极管采用开关三极管, 以保证放大器具有良好的高频响应。当输入信号为零或负电压时, 三极管截止, 输出高电平。当输入信号为正电压时, 三极管导通, 输出电压随着输入电压的上升而下降, 这使得频率计既可以测量任意方波信号的频率, 也可以测量正弦波信号的频率。放大器的放大功能降低了对待测信号幅度的要求, 实现了系统能对任意大于等于15V 的正弦波和脉冲信号进行测量。第二级采用带施密特触发器的反相器CT74LS14 , 它用于把放大器生成的单相脉冲转换成与COMS 电平相兼容的方波信号。第三级
采用14 位二进制异步计数器CD4020 , 第二级输出的方波加到CD4020 的CLK端口, Q12端输出的信号输入到单片机AT89S52, 从而为测量信号的周期提供基础。另外, 为使CD4020 正常工作, 它的RST 端必须通过电阻接地。

图 7

2.6 LED显示模块
   显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD和TXD串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。

2.6.1 LED 数码显示器的工作原理
LED数码显示器由发光二极管（LED）构成“日”字型或“田”字型，发光二极管由磷砷化镓或碳化硅等材料制成，当给发光二极管的PN结两端施加正向电压时，电流加大，由于电子和空穴复合时释放出的热量而发光。
  LED数码显示器内部结构有共阳极和共阴极两种。
如图a所示，共阴极结构的数码显示器阴极共地，当某个发光二极管阳极为高电平时，将其燃亮，这种结构适用于CD4511类译码器的电路。共阳极结构有一个公用的阳极，如图b所示，使用时接正电源，当阴极接低电平时，使其发光，这种结构适用于7107一类的模／数（A／D）转换器电路。

     
图 a                           图 b
一个LED数码显示器两端所加正向电压增加到2V时，则会出现正向电流并发光，极限电流为20mA左右。因此，无论是共阳极，还是共阴极结构，LED数码显示器都要加限流电阻。
2.6.2 显示电路设计

图 8 显示电路
2.7 报警点按键模块和声光报警模块
     声光报警电路选用普通一个发光二极管和一个蜂鸣器组成声光报警模块,当温度超过设定温度上限和下限值时,发光二极管和蜂鸣器分别发出光声报警。如图9所示
     报警点按键调模块有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。

图 9
2.8 时钟日历信号模块
2.8.1 DS1302的结构及工作原理
DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
    图10示出DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。

图 10  DS1302的引脚排列

2.9 系统电路图

第三章 系统软件部分

第四章 结论
    本文提出的多功能石英数字温度计系统设计,采用了AT89S52单片机、HTS-206温度传感器、DS1302时钟日历芯片等器件。该数字温度计的测量基本范围为-50℃~+110℃，精度误差小于0.5℃。交替显示实时日期、时间、温度；通过按键设置日期、时间、报警温度的上限和下限值。当温度超过设定的上限或下限时,能发出声、光报警提示。

参考文献
[1]赵升，张辉. 用石英温度传感器HTS_206实现高精度温度测量[J].仪器仪表学报,25,4:372-374
[2]刘高潮. 一种实用的多功能数字温度计设计[J]. 电子测量技术,30,10:193-195
[3]莫禾胜，李精华.一种新型数字温度计的设计[J]. 桂林航天工业高等专科学校学报,2008,2:44-46