题 目 基于LM35的温度计的设计 院 系 专 业 学生姓名 学 号 指导教师 二 年 月 日目 录引言11 温度测量技术简介11.1 温度测量技术的分类及特点11.2 现代温度测量方法21.3 温度测量技术的国内外发展状况21.4 存在问题32 温度计系统总体设计32.1 系统构成及工作原理32.2 设计思路32.3 主要元件选择43 系统硬件设计53.1 传感器模块53.1.1 LM35特性53.1.2 LM35电源供应模式63.1.3 传感器模组输出图632 A/D转换模块73.2.1 ICL7135特点73.2.2 ICL7135的功能介绍933单片机模块93.3.1 AT89C51特性93.3.2 管脚说明103.3.3 结构特点113.3.4 振荡器特性1134 显示模块123.4.1 显示模块概述123.4.2 控制指令123.5 系统硬件连接134 系统软件设计134.1 A/D转换模块144.2 数码显示模块154.2.1 电压与温度转换算法154.2.2 LCD显示模块流程图165 系统仿真与调试165.1 操作工具简介165.2 基于Proteus的仿真175.2.1 仿真过程175.2.2 调试与仿真结果175.3 系统PCB板设计195.4 开发环境keilVision3简介206 温度计误差分析217 总结与展望21参考文献：22I基于LM35的温度计的设计摘要：温度测量技术在现代工农业生产、科研、国防等领域有着非常广泛的应用，伴随传感技术的发展，各类新型温度传感器层出不穷。本文在阐述相关传感器原理及温度测量技术发展历程的基础上，设计了一种数字温度计，其由传感器LM35、ICL7135 A/D转换模块、AT89C51单片机和数字显示模块等部分组成。介绍了系统的硬件选择和软件设计、并用Proteus对系统进行了仿真调试和试验，达到了预期效果。该系统具有工作稳定可靠，响应时间短，抗干扰能力强等特点，可适用于工业测量及日常生活中。关键词：温度传感器；温度测量技术；AT89C51；LM35引言温度是与人类紧密相关的物理量，它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数，无论是工农业生产，还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量。然而，温度的准确测量并非轻而易举，即使有了准确度很高的温度计，但是，如果测量方法选择不当或者测量的环境不能满足要求，则都难以得到预期的结果。随着科技的发展，现代温度测量方法也在不断的发展，温度测量技术也越来越普遍地应用于各类电器中，火警报讯器、恒温烘箱、电冰箱、电饭煲等家电产品直至PC机、手机等，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器需要知道功率驱动IC的温度等。随着各类电子产品的便携化，可用于片上测温的集成温度传感器的发展便越趋灼热化。伴随传感技术的发展，每个领域都呈现出种类繁多、型号各异的传感器。温度传感器就是一种最常用的家喻户晓的传感器。在步入数字时代的今天，温度传感器也在从模拟温度传感器转向数字传感器。温度传感器是现代测试和工业过程控制中应用频率最高的传感器之一。但在很多工作场合，元器件工作温度指标达不到工业级或普军级温度要求。小型、低功耗、可靠性高、低成本的温度传感器越来越受到设计者的关注1，2。1 温度测量技术简介传感器（transducer或sensor）是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成3。 温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。不同种类测温传感器的测温范围也不同。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。1.1 温度测量技术的分类及特点根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分为接触式和非接触式两大类。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。一般测量的是被测对象和传感器的平衡温度,在测量时会对被测温度有一定干扰。接触式温度测量测温精度相对较高，直观可靠且测温仪表价格相对较低，由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差，被测介质具有腐蚀性，温度太高也将严重影响感温元件性能和寿命4。这类测温方法包括膨胀式测温、电量式测温和接触式光电、热色测温等几大类。非接触式测温方法不需要与被测对象接触,而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。非接触式测温不改变被测物体的温度分布，热惯性小，动态响应特性一般也很好,测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度5，但是会受到被测对象表面状态或测量介质物性参数的影响。非接触测温方法主要包括辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温方法等。1.2 现代温度测量方法当前，虽然主要的温度传感器，如热电偶、热电阻及辐射温度计等的技术已经成熟，但是只能在传统的场合应用，不能满足许多领域的要求，尤其是高科技领域。因此，各国专家都在针对性的竞争开发各种新型温度传感器及特殊的实用测量技术6。光纤温度传感器是一种将被测量的状态转变为可测的光信号的装置。它是由光耦合器、传输光纤及光电转换器等三部分组成。目前已有用来测量压力、位移、应变、液面、角速度、线速度、温度、磁场、电流、电压等物理量的光纤传感器问世，解决了传统方式难以解决的测量技术问题。据统计，目前约有百余种不同形式的光纤传感器，用于不同领域进行检测。可以预料，在新技术革命的浪潮中，光纤传感器必将得到广泛的应用，并发挥出更多的作用。特种测温热敏电缆：这种新的测温技术，能在火灾事故预警中有独特的应用。目前已被广泛应用到各个领域来预防和减少因“过热”引起的事故和损失。石英温度计既可用于高精度、高分辨率的温度测量，又可作为标准温度计进行量值传递，也可以在现场稳态温度场合下进行精密测温或用于恒温槽的精密控温，还可用作远距离多点温度测量等。声学测温技术具有测温原理简单、非接触、测温范围宽（01900）、可在线测量等优点，现已应用于发电厂、垃圾焚烧炉、水泥回转窑等工业过程的温度测量和控制。声学测温分为利用超声波测量气体温度和固体超声波温度计。核磁共振温度计：利用共振吸收频率随温度升高而减少的特性制成的温度计，称为核四级共振温度计。该温度计可以作为标准温度计或高精度实用温度计。半导体集成电路温度传感器：利用P-N结的这一固有特性，可制成温度传感器。AD590集成电路温度传感器就是典型的一种，DS1820则是最新的发展。1.3 温度测量技术的国内外发展状况从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。智能传感器是在20世纪90年代中期问世的，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，并且可通过软件来实现测试功能，其智能化取决于软件的开发水平。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；（2）模拟集成温度传感器/控制器；（3）智能温度传感器。1.4 存在问题虽然温度测量方法多种多样，但在很多情况下，对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测量,比如对极限温度、高温腐蚀性介质温度、气流温度、表面温度、固体内部温度分布、微尺寸目标温度、大空间温度分布、生物体内温度、电磁干扰条件下温度测量来讲,要想得到准确可靠的结果并非易事，需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点，结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。同时，还要不断探索新的温度测量方法，改进原有测量技，以满足各种条件下的温度测量需求。2 温度计系统总体设计2.1 系统构成及工作原理温度测量系统由传感器、 A/ D转换、 单片机、 温度显示等部分构成。基本工作原理: 温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号，该电压信号由A/D转换电路转换成数字量后，传送给单片机进行处理，再送温度显示系统进行显示。系统原理框图如图2-1所示。图2-1 系统原理框图2.2 设计思路根据系统基本要求，进行整体方案的设计。在整体方案设计过程中按各功能需求分别确定所需硬件，然后再根据自身条件选取硬件的组合连接设备，硬件落实后，进行软件设计，然后进行仿真和调试。软件设计应该包括A/D转换、单片机和温度显示程序的编写。最后完善软硬件，实现系统功能。系统思路方框图如图2-2所示。 开 始 整体方案设计硬件选择硬件组合软件设计与调试功能实现误差分析结 束、图2-2 设计思路方框图2.3 主要元件选择（1）传感器模块选用NS公司生产的集成温度传感器LM35。该传感器成本低廉，它还具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，其输出电压与摄氏温度线性成比例，无需外部校准或微调，可以提供1/4的常用室温精度。（2）A/D转换模块的选择随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D 转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务，大量结构不同、性能各异的 A/D 转换芯片应运而生。根据 A/D转换器的原理可将A/D转换器分成两大类：一类是直接型A/D转换器，另一类是间接型 A/D转换器。在直接型 A/D转换器中，输入的模电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量，如逐次比较式转换器、斜坡电压式转换器。其特点是转换速度快，但抗干扰能力差。在间接型 A/D 转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等等），然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。如双积分式转换器和V/F转换器。其特点是抗干扰能力强、测量精度高，但转换速度低，在转换速度要求不太高的情况下，获得广泛应用。本系统中A/D转换模块选用双积分式的ICL7135。在常用的A/D转换芯片（如ADC0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分A/D转换器，具有精度高（精度相当于14