集成温度传感器LM35测量水温

集成温度传感器LM35测量水温 《传感器技术》课程设计 课题:集成温度传感器测量水温 班 级 学生姓名 学号 指导教师 淮阴工学院电子与电气工程学院 2013年 6 月 21 日 集成温度传感器LM35测量水温 1. 系统设计 1.1 概述 如今，随着科学技术的发展，传感器的种类也日益增多，如AD公司生产的模拟电压输出型的温度传感器TMP35/36/37，它主要应用于环境控制系统、过热保护、工业过程控制、火灾报警系统、电源系统监控、仪器散热风扇控制等。还有NATIONAL SEMICONDUCTOR生产的与微处理器相结合的测温及温度控制、管理的温度测量控制器LM80，它主要应用于个人计算机及服务器的硬件及系统的温度监控、办公室设备、电子测试设备等。以及MAXIN公司生产的PWM风扇控制器及遥控温度传感器MAX1669，它主要应用于CPU冷却控制。因此，测量外界的温度也有很多种方法，然而，由于热敏电阻及其放大电路受到环境的影响，在不同的条件下会出现不同的测温偏差;TMP35/36/37，LM80，MAX1669这些传感器的造价又太高，在相同条件下，由于测温精度、处理精度等多方面的因素，不同的通道也会出现不同的偏差，因此必须采用一种灵活的修正方式 ，这便用到了电压型温度传感器LM35D，它的线性好(10mV/?)，宽量程(0--100?)高精度(+0.4? )，低成本，而且采集到的是电压型信号，易于处理，使得电路简单实用。 采集到的微弱电压信号经过放大器OP07放大十倍后送入ADC0804的输入端，A/D转换器(ADC0804)将模拟信号转换为数字信号后传给AT89C51，该系统以AT89C51单片机为核心，通过单片机编程可以实现高温(50?)、低温(10?)报警的控制，以及预置温度的控制，然后经过P1口将数字信号传送给74LS138译码器以及驱动器CD4511使LED八段数码管动态显示室温。经实验调试，用该方法对0--100?范围的温度测量时，测量误差+0.4?，可靠性好、抗干扰性能强。采用MCS,51系列单片机作为核心监控器对外界温度进行测量。这样，既可以降低对温度传感器和放大电路的要求，从而降低成本，又可以针对不同外部环境或不同通道对温度显示及报警设定进行灵活修改。 1.2 系统方案框图 根据课题设计要求可知该系统需要利用电压型温度传感器采集室温并产生10mv/?的电压信号，将放大后的信号送给转换器进行转换，通过单片机设定上下限报警温度并显示转换后的室温，具体流程图如图2: A/D转换电路 CPU 译码驱动电路 放大电路 显示电路 传感器 图2 系统流程图 2. 工作原理 2.1 检测原理 将采集到的微弱电压信号经过整个硬件与软件系统放大100倍后的电压信号使其显示就是水温。首先，使采集到的电压信号经过放大电路中的放大器OP07放大十倍后送入ADC0804的输入端，A/D转换器(ADC0804)将模拟信号转换为数字信号后传给AT89C51，在此，将ADC0804的基准电压设为2.5V，由于它为8位转换器，由其内部转换关系可将输入信号扩大50倍，同时，将模拟信号转换为数字信号。该系统以AT89C51单片机为核心，将扩大500倍的信号缩小5倍，至此已将输入的微弱电压信号放大了100倍，现在的电压值便是水温值。然后经过P1口将数字信号传送给74LS138译码器以及驱动器CD4511使LED八段数码管动态显示水温。 2.2 传感器选择 (1)电压型温度传感器LM35D LM35系列是精密集成电路温度传感器，它们的输出电压与摄氏温度线性成比例,因而 LM35有优于用开尔文标准的线性温度传感器，LM35无需外部校准或微调来提供?1/4?的常用的室温精度，在-55,+150?温度范围内为?3/4?，LM35的额定工作温度范围为-55,+150?，同时LM35C在-40?到+110?之间(-10?用于改进度)。 LM35系列适合用密封的TO-46晶体管封装，而LM35C也适合塑料TO-92晶体管封装。LM35特性如下: 直接用摄氏温度校准;线性+10.0mV/?比例因数;保证0.5?精度(在+25?时);-55,+150?额定范围;适用于遥控设备;因晶体片微调而低费用;工作在4,30V;小于60μA漏泄电流;较低自热，在静止空气中0.08?;只有?1/4?非线性值;低阻抗输出，1mA负载时0.1Ω。 LM35D中的LM35D的工作电压为4V,20V，故可直接用温控电路的电源，但要加一个隔离二极管及平滑电容C。LM35D测温范围0?,100?，输出电压直接与摄氏温度成比例，灵 敏度为10mV/?。输出电压接2V直流电压挡数字万用表，可读出分辨率为0.1?的温度读数。如表上读数为287mV，即温度为28.7?。 集成温度传感器LM35D是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器，它的外形与封装如下图. LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/?;工作温度范围为0?-100?;工作电压为4-30V;精度为?1?。最大线性误差为?0.5?;静态电流为80uA。该器件如塑封三极管(TO-92)。该温度传感器最大的特点是是使用时无需外围元件，也无需调试和较正(标定)。 图4 LM35D的典型测温电路及与转换电路接口 , 如图4，LM35D的输出端经过75的电阻和1uF的电容可使采集到的与温度成比例(10mV/?)的电压信号更加稳定，它的输出经过放大器送给ADC0804。 2.3 测量电路 2.3.1放大电路 图5 系统的放大电路部分 如图5，为系统的放大电路部分，电压型温度传感器LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/?，如果室温为26?，那么经LM35D采集水温后得到的电压信号为0.26 mV，我们需要将此信号在整个硬件系统和软件系统中放大100倍，之后将其送入驱动电路，即可在LED数码管上显示水温，达到目的。这里这个电压信号太微 ,弱，不利于处理，容易产生误差且不稳定。LM35D的输出端经过75的电阻和1uF的电容可使采集到的与温度成比例(10mV/?)的电压信号更加稳定;在放大电路中，取R6为1K是因为好计算放大倍数，R5用20K的滑动变阻器使这个0.26 mV的微弱电压信号在0--20的放大倍数范围内可调，在此,将其放大10倍，因此需要将R5调至10K，这样经放大器OP07放大后的6脚输出就为放大十倍的电压信号2.6V。 2.3.2 A/D转换电路 图6中，ADC0804 是逐次逼近型8位8通道A/D模数转换器，它的主要技术指标为: 8 位分辨率，?1/2LSB的转换精度，转换时间典型值为100US(时钟频率为640KHZ时)，电源电压为单电源5V。其引脚中DB0—DB7为8 个数字信号输出端，Vcc 电源端,GND 接地端,VREF为参考电压输入端，CLK为时钟信号输入端。 ADC0804的6脚为信号输入端，R3与C3接地通过ADC0804的19脚(CLKR)与4脚(CLK)向内部电路提供时钟信号。而ADC0804 是逐次逼近型8位A/D模数转换器，8位A/D转换器的分辨率为1/256=0.4%。当然， A/D转换器的位数越多，分辨率越高，但成本也愈高。因此在实际 电路的设计中选择A/D转换器也不能一味强调位数。 图6 A/D转换电路 LM35D的量程为0--100?，如果采集到最高温度100?，那么由于LM35D灵敏度为10mV/?以及经过放大器OP07后放大十倍，则传到ADC0804输入脚VI的电压信号为10V，再经过下列+ 过程放大50倍: ADC0804内部输入电压与基准电压存在着这样一个公式: 输入电压，256 基准电压，2 VI，也即: ，256 VREF，2 在硬件设计中，我们巧妙的将基准电压调至2.5V，将VI=10V代入上公式则可得ADC0804+ 256的输出为10V电压的?50倍即500倍的二进制数，将其送入单片机，我们再利用软件5 的方法将结果除以5便可达到目的，送入驱动电路使其显示出最大温度为100?，温度范围为0--100?，由于8位A/D转换器的分辨率为1/256=0.4%，我们将最高温度设为100?的话，可得它的测量精度为100/256=0.4?。如果室温为26?，那么经放大电路放大后传到ADC0804输入角VI的电压信号为2.6V，将其代入上公式则可得ADC0804的输出为2.6V电压+ 256的?50倍的二进制数，将其送入单片机，我们再利用软件的方法将结果除以5便可得5 送入驱动电路使其显示出的温度为26?。在这个转换电路中，ADC0804起着两个作用，一是 将模拟量转换为二进制的数字量，二是将此输入信号在放大电路放大10倍后再放大50倍。 ADC0804由单片机控制端启动，它与AT89C51的接口电路工作的流程图如图7: cs 图7 ADC0804工作流程图 经ADC08004转换后的二进制数字信号通过DB0---DB7端传给单片机的P0口，供后面编程控制，使其缩小5倍，显示室温。为ADC0804的片选信号，低电平有效。、分RDcsWR别为写、读端，将其与单片机的写、读端相连。INTR端为中断，当其为高电平时表示转换完成，之后，送中断信号给单片机，等待单片机发出信号接收转换好的数据。 可见，在整个系统中，这部分电路起着至关重要的作用。 2.3.3 系统核心单片机部分---闪电存储器型器件AT89C51 单片机AT89C51有内部RAM，可以作为各种数据区使用，内部闪电存储器存放智能温度计的控制程序。它的主要功能是控制MC14433，实现温度的数字值采集，完成温度的数字采集值到对应数字温度的转换计算，并把计算的数字温度转换相应的显示段码，控制LED显示器以动态扫描方式进行温度显示。 AT89系列单片机是ATMEL公司生产的。这是当前最新的一种电擦写8位单片机，与MCS-51系列完全兼容，有超强的加密功能，可完全替代87C51/52和8751/52。它物美价廉，深受用户欢迎。 与87C51相比，AT89系列的优越性在于，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现;数据不易挥发，可保存10年;编程/擦除速度快，全4K字节编程只需时3s，擦除时间约用10ms;AT89系列了实现在线编程;也可借助电话线进行远距离编程。 AT89C51是一种低功耗、高性能内含4K字节闪电存储器(Flash Memory)的8位CMOS微控制器。这种器件系以ATMEL高密度不挥发存储技术制造，与工业标准MCS-51指令系统和引脚完全兼容。片内闪电存储器的程序代码或数据可在线写入，亦可通过常规的编程器编程。例如，MP-100这样一种经济型的编程器，它支持通用EPROM等各种存储器、PAL、GAL以及INTEL、ATMEL和PHILIPS等各公司的全系列51单片机的编程。ME5103和ME5105仿真器支持AT89系列所有器件的调试、仿真和编程。 AT89C51具有下列主要性能: . 4KB可改编程序Flash存储器(可经受1，000次的写入/擦除周期) .全静态工作:0Hz,24MHz .三级程序存储器保密 .128 X 8字节内部RAM .32条可编程I/O线 .2个16位定时器/计数器 .6个中断源 .可编程串行通道 .片内时钟振荡器 2.3.4 译码、驱动电路 图10 译码、驱动电路 图10中的译码器74LS138与共阴极LED数码管驱动器CD4511是由单片机的P1口控制 的，其中，P1.0、P1.1、P1.2 与译码器的输入相接，C为高位，A为地位。对四个共阴极数码管实现位选。在一个单片机系统中，对共阴极LED显示器的控制采用“接地方式”，即通过控制LED的“GND”引脚的电平高低来达到选通的目的，该引脚即通常所说的位选线。例如:我们想要让第三位数码管工作，那么需要使L3的位选线接低电平来达到目的，也就是使译码器的输出中的Y3为0，其他为1。本系统中，我们采用动态显示方式，因此，需要不断的片选，而共阴极LED显示器的发光二极管负极接地，当发光二极管的正极为高电平时，发光二极管被点亮。这就由CD4511来驱动，例如:要显示0字形时，需要LED显示器的8个发光二极管“a，b，c，d，e，f，g”七个字段中的a，b，c，d，e，f亮，那么，就需要CD4511输出中的A、B、C、D、E、F为高电平。这是CD4511芯片内部已设定好的，表2为CD4511芯片内部的二进制与输入与输出的对应关系列表。 表2 CD4511输入输出逻辑对应关系 D C B A dp G F E D C B A 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 2.3.5 显示电路(LED) (1)数码管的选择 一个单片机应用系统中，显示是人机通道的重要组成部分。目前广泛使用的显示器件主要有LED(二极管显示器)LCD(液晶显示器)和VFD(真空荧光管)等。LED显示器造价低廉，与单片机接口方便灵活，技术上易于实现，但只能显示阿拉伯数字和少数字符，通常用于对显示要求不高的场合。LCD和VFD显示器成本较高，但可以显示包括汉字在内的多种字符，甚至是复杂的图形和曲线，并且耗电极省，可广泛用于各种终端设备，如PDA、手机、触摸屏等等。本文主要介绍LED显示方式。 LED显示器的基本结构和原理:LED显示器采用发光二极管显示字段。单片机中经常采用的是八段显示器，即LED显示器中有8个发光二极管，代表“a，b，c，d，e，f，g”七个字 段和一小数点“dp ”。它有共阴和共阳两种结构。共阴极LED显示器的发光二极管负极接地，当发光二极管的正极为高电平时，发光二极管被点亮。共阳极LED显示器的发光二极管正极相连，当二极管的负极为低电平时，发光二极管被点亮。 在一个单片机系统中，对共阴极LED显示器的控制采用“接地方式”，即通过控制LED ”引脚的电平高低来达到选通的目的，该引脚即通常所说的位选线。共阳极LED显示的“GND 器控制方式则相反。两种控制方式中，共阴极LED控制方式受系统器件功耗限制，只能用在小尺寸的LED显示器中。对于大尺寸LED显示器的控制(如大屏幕计时器)一般使用共阳极方式。 LED的显示和接口方式:LED数码管的显示有静态和动态两种方式。从接口上分又有并行和串行两种，这要视接口和驱动芯片而定。常用的并行LED接口芯片有8155、8255 以及键盘和显示专用芯片8279等。与并行方式相比，串行方式仅占用CPU 少数几根I/O 口线便可实现LED显示功能，以前的51 单片机系统经常通过串口通信线TXO 、RXD( P3.0.、P3.1 )加移位寄存器74LS164实现LED显示功能。近年来国内外各大厂商纷纷推出了基于串行总线方式的LED显示器接口芯片，如MAXIN公司的MAX7219 、力源的PS7219 以及周立功的ZLG7289 等等。这些芯片与单片机的接口一般采用SPI 总线方式，具有占用I/O 口线少，与单片机接口程序易于实现的特点，使用起来十分方便。 LED显示器按照接口不同有静态和动态两种方式。静态显示方式中，多个LED显示器中的每一个段代码都与一个独立的8位并行口连接，公共端则根据LED的种类(共阴或共阳)连接到“地”或“VCC ”上。四位静态LED显示电路中，每个LED的段代码都由独立的并行8位I/O口线控制，可以在同一时间内显示不同的字符。静态LED显示方式的优点是编程容易，但功耗大，占用CPU I/O 口线较多，成本较高。因此在单片机应用系统中较多使用的还是动态显示方式。所谓动态显示，实质上就是各个不同的LED显示器按照一定的顺序轮流显示。它利用了人眼的“视觉暂留现象”，只要多个LED显示器的选通扫描速率足够快，人眼就觉察不到数码管的闪烁现象。动态扫描方式的所有LED段选线并联在一起，只由一个8位的I/O 口控制，而各个LED的位选线则由另外一组I/O 口控制。动态LED显示方式的优点是功耗较低，占用CPU I/O 线少，外围接口简单，本系统便是采用了动态LED显示方式。 (2)显示电路设计 由于测量室温的精度为0.2?，因此，显示中会出现小数点，在这里我们选用四个数码管，第一个备用，因为本系统选用的测温元件为LM35D，测温范围为0,+100?，当不需要很大精度时，可以通过软件将显示范围调到0,+100?，也就是可以将上限报警温度设置为100?，这样，显示最高温度再加上小数点后一位，就是四位显示。为简单起见，显示电路 中的第三个数码管中的dp位我们可以将其接个200, 的电阻之后接+5V电压，这样，当片选 L3时，L3中的小数点便总是亮的。 3. 系统软件设计 3.1 介绍 本设计软件部分主要用来实现: 1 设定测量温度的上下限 2 将数字信号进行十进制调整 3 控制译码管及驱动器实现数码管动态显示 3.2 总程序流程图 启动0804开始转换 转换完成, 读取0804输出值 数值十进制转换 显示输出 3.3 程序 ;---------------------------电子温度计源程序----------------------------------- ORG 0000H JMP MAIN MAIN: CLR P2.7 MOV A,#08H MOV P1,A MOV R7,#001 LOOP: LCALL DELAY DJNZ R7,LOOP ;********************************* MOV P1,#0F8H MOVX @R0,A ; 启动ADC0804开始转换 CCC: JNB P3.1,$ NEXT: MOVX A,@R0 ; 将转换好的数据送入累加器 LCALL DIV_5 LCALL ALARM ;报警判断 LCALL DISP MOVX @R0,A ; 启动ADC0804开始下一次转换 JMP CCC ************************** DIV_5: MOV B,#5H DIV AB MOV R1,B XCH A,R1 RL A XCH A,R1 MOV B,#0AH DIV AB MOV R2,B MOV R3,A RET *************************** DISP: MOV A,R3 SWAP A MOV R3,A MOV A,#00000010B ORL A,R3 MOV P1,A LCALL DELAY MOV A,R2 SWAP A MOV R2,A MOV A,#00000011B ORL A,R2 MOV P1,A LCALL DELAY MOV A,R1 SWAP A MOV R1,A MOV A,#00000100B ORL A,R1 MOV P1,A LCALL DELAY RET ************************* ALARM: MOV A,R3 ANL A,#04H JZ NOALARM SETB P2.7 NOALARM:RET ************************ DELAY: PUSH A ; 7ms延时子程序 MOV A,R7 PUSH A MOV A,R6 PUSH A MOV R6,#90H AA: MOV R7,#15H DJNZ R7,$ DJNZ R6,AA POP A MOV R6,A POP A MOV R7,A POP A RET END 4. 课程设计体会与 在该次课程设计中，我收获颇丰。且不说设计本身，仅仅是对protel99这一软件的掌握我相信在我以后的学习和工作中必将使我受益无穷。 虽然这次课程设计仅仅有四天，但这次的课程设计不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 这次课程中我所遇到的问题可以说是问题重重，首先是protel软件的使用，以前从来没有接触到这个软件，仅仅学习该软件就用掉了很多时间，但我觉得这这份付出值得的，在这几天使用这软件的过程中，我感觉这软件是很有用的，作为测控专业的学生，以后肯定少不了要绘制电路图，有了这软件，会给我带来很多方便 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程(”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义(我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础( 通过这次电子秤的设计，我在多方面都有所提高。通过这次电子秤设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压电子秤设计工作 了传感器课程所学的内容，的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固 掌握了传感器元件的使用方法，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。 遗憾的是，本次课程设计并没有能够做出实物，希望以后能有机会将这次课程设计的内容全部完成。 参 考 文 献 [1]. 沙占友 .集成传感器应用 .北京:中国电力出版社，2005 [2]. 丁元杰 .单片机微机原理及应用[M](北京:机械工业出版社, 1993 [3]. 牛旭花,侯华敏,支凌云,杨虹. A/D采样控制器的设计[A]. 第九届全国青年通信学术会议集[C], 2004 .