基于LM35的單片機(jī)溫度采集顯示系統(tǒng)①

王思淼， 陳戰(zhàn)勝，2， 胡正坤

(1.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用科技學(xué)院，北京102200;2.北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京100044)

0 引言

隨著電子和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，溫度的測(cè)量和控制在民用、工業(yè)以及航空航天技術(shù)等領(lǐng)域，等到了廣泛應(yīng)用.小型的、低功耗的、廉價(jià)的、可靠性高的溫度傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注［1］.在實(shí)際生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域中，溫度是環(huán)境因素不可或缺的一部分，對(duì)溫度進(jìn)行及時(shí)精確的控制和檢測(cè)顯得尤為重要.本文基于AT89S51單片機(jī)，采用LM35溫度傳感器，設(shè)計(jì)了一種靈敏度較高，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠的溫度采集顯示系統(tǒng)［2－3］.

圖1 溫控系統(tǒng)原理框圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

溫度采集顯示系統(tǒng)電路由溫度采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊和下載模塊組成.電路工作原理是:首先由LM35溫度傳感器采集外界環(huán)境的溫度，經(jīng)LM358放大10倍后以電壓形式輸入到A/D采樣電路，由A/D轉(zhuǎn)換器TLC549將溫度的數(shù)字量值傳送給單片機(jī)系統(tǒng)，再有單片機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度.本文設(shè)計(jì)的基于LM35的單片機(jī)溫度采集顯示系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍為25℃ ～80℃.

圖2 溫度采集模塊電路原理圖

圖3 A/D轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖

溫度采集顯示系統(tǒng)電路是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.

2 系統(tǒng)核心硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心硬件電路設(shè)計(jì)主要包含溫度采集模塊的設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)、數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計(jì)和下載模塊的設(shè)計(jì).

圖4 單片機(jī)控制模塊的電路原理圖

2.1 溫度采集模塊的設(shè)計(jì)

傳感器是信號(hào)輸入的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，因此對(duì)傳感器的正確選用顯得尤為重要.在本系統(tǒng)中，溫度采集模塊的核心硬件采用LM35溫度傳感器，該器件有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，其輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，溫度每上升1℃，電壓上升10ms.LM35無需外部校準(zhǔn)，可以提供±1/4℃的常用室溫精度.從經(jīng)濟(jì)適用等多方面考慮，系統(tǒng)采用LM35溫度傳感器和LM358放大電路進(jìn)行溫度采集模塊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示.

圖2中，經(jīng)過LM35傳感器采集后的微弱電壓通過LM358放大電路放大10倍后送入單片機(jī).

圖5 數(shù)碼管顯示模塊的電路原理圖

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換模塊的核心硬件采用TLC549，它是CMOS串行的8位A/D轉(zhuǎn)換器，該集成電路內(nèi)置一個(gè)8位開關(guān)電容逐次逼近型ADC.該A/D芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間為17us，支持電壓為3V～6V.TLC549的使用只有輸入/輸出時(shí)鐘，輸入隨著芯片選擇(CS)的控制輸入數(shù)據(jù).TLC549的輸入/輸出時(shí)鐘的輸入頻率高達(dá)1.1MHz.A/D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)原理圖，如圖3所示.

圖6 下載模塊的電路原理圖

2.3 單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)

8031芯片由于內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，不僅占用空間大，而且電路復(fù)雜度增大.51系列微處理器基于簡化的嵌入式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在個(gè)人PC機(jī)、自動(dòng)控制、甚至軍事領(lǐng)域都應(yīng)有廣泛，作為控制核心優(yōu)點(diǎn)凸現(xiàn).

單片機(jī)控制模塊的核心硬件采用AT89S51，該單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，可讀可寫.具有在線編程的功能，能夠在線調(diào)試軟件使其與硬件匹配.系統(tǒng)通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，使其顯示所測(cè)溫度.單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)原理圖，如圖4所示.

2.4 數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計(jì)

顯示系統(tǒng)是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于顯示各種參數(shù)的值，便于工作人員及時(shí)掌握生產(chǎn)過程.數(shù)碼管顯示模塊采用普通8為數(shù)碼管，利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示所測(cè)量的溫度.

數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計(jì)原理圖，如圖5所示.

圖7 主要函數(shù)的代碼

2.5 下載模塊的設(shè)計(jì)

下載模塊可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間的單機(jī)通信、多機(jī)通信，以及與計(jì)算機(jī)之間的通信，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)上下載程序到單片機(jī)上，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路板的工作.

下載模塊的核心硬件采用串口MAX232和RS232，MAX232是TTL和RS232電平相互轉(zhuǎn)換的芯片.單片機(jī)通過內(nèi)部的通用異步接收/發(fā)送器(UART)與MAX232進(jìn)行通信.下載模塊的設(shè)計(jì)原理圖，如圖6所示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程，模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)［4］.該程序主要包括主函數(shù)、延時(shí)子函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換子函數(shù)和溫度顯示子函數(shù).其中，延時(shí)子函數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換子函數(shù)如圖7－a所示，溫度顯示子函數(shù)和系統(tǒng)主函數(shù)如圖7－b所示.

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

性能測(cè)試表明，在室內(nèi)恒速移動(dòng)、室溫變化不明顯.同樣，在室外進(jìn)行溫度采集，變化也不是很明顯.當(dāng)用手指捂住芯片或采用或暖風(fēng)機(jī)加熱使得室溫快速發(fā)生變化，溫度急劇上升.測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高.

5 結(jié)論

溫度采集和控制系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中應(yīng)用的十分廣泛.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度的采集和顯示功能，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，同時(shí)具有體積小和成本低廉的優(yōu)勢(shì)，具有很高的工程價(jià)值，在日常生活和學(xué)術(shù)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.

本系統(tǒng)采集的溫度范圍為25℃ ～80℃之間，溫度數(shù)值的精度為整數(shù)，下一步將研究如何采用頻率檢測(cè)控制技術(shù)來進(jìn)一步提高溫度測(cè)量精度和范圍.同時(shí)，通過擴(kuò)展后還可以用于溫度測(cè)量、溫度預(yù)警、控制為一體的多功能產(chǎn)品.

［1］Akyildiz IF，Su W，Sankarasubramaniam Y，Cayirci E.A Survey on Sensor Networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(8):102－114.

［2］龍威林，楊冠聲，胡山.單片機(jī)應(yīng)用入門—AT89S51和AVR［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］臺(tái)灣歐姆龍股份有限公司FA PLAZA編著小組.OMRON傳感器與溫度控制器［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［4］劉建清.輕松玩轉(zhuǎn)51單片機(jī)C語言［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.