温度采集器的课程设计.docx
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温度采集器的课程设计
摘要
现代社会科学技术的发展可以说是突飞猛进，很多传统的东西都被成本更低、功能更多使用更方便的电子产品所替代，尤其是单片机等集成电路的发展使很多电子产品都能比较容易的实现数字化智能化控制。
本课程设计是温度传感器采用LM35的环境温度简易测控系统，用于替代传统的低精度、不易读数的温度计。
本系统采用三位数码显示，直观方便。
显示精度为1℃，可检测温度范围0～150℃，完全能够满足生活以及普通生产中环境
温度的测控需求，并且拥有响应速度快、省电等优点。
但是本系统采用ADC0804单路转换，抗干扰能力稍弱。
但系统预留了足够的扩展空间，并提供了简单的扩展方式供参考，实际使用中可根据需要改成多路转换，既可以增加湿度等测控对象，也能减少外界因素对系统的干扰。
1.设计内容及要求
设计并制作一个温度测量与显示系统，基本原理如图1-1所示。
具体要求如下：
图1-1温度采集系统框图
（1）被测温度范围099°C；
（2）显示测量的温度值，精度不低于1°C。
参考元器件：
LM35/45，OP07/NE5532/TL082，AT28C16，CD4511。
说明：
测试时验证环境温度和90°C热水的测量值。
2.方案论证
2.1温度传感器
LM35有两种供电模式：
单电源模式和正负双电源的供电模式。
正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
由于本温度测量系统不需要测量负温度，故采用单电源模式
2.2译码显示电路
2.2.1显示
方案一：
采用7段LED数码管。
LED数码管使用LED模组作为背光源，具有耗电低、配置灵活、线路简单、安装方便、耐转动、价格低廉且寿命长等优点。
方案二：
采用LCD数码管。
LCD数码管使用“CCFL（冷阴极荧光管）”作为背光源，CCFL灯管的发热量大，耗电高，老化较快，LCD发光不稳定均匀、功耗大，含有害化学物质等但价格相对便宜。
LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。
LED与LCD的功耗比大约为1:
10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，可提供宽达160°的视角，故采用方案一。
2.2.2数码管驱动
方案一：
选用CD4511译码驱动芯片。
CD4511能够提供较大的上拉电流，可直接驱动数码管
方案二：
利用单片机本身的上拉电阻，虽然外围电路简单，但灌电流和数码管驱动电流不可兼得，即流过数码管电流满足要求，则灌电流会超出单片机的承受极限；灌电流在单片机允许范围内，则流过数码管电流过小。
故该方案驱动能力较弱。
为使数码管足够亮，选方案一。
2.3AD转换器的选择
方案一：
DC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
ADC0808/ADC0809是单片、CMOS、逐次比较,a位模/数变换器。
片内包含s位模/数变换器、通道多路转换器与微制器兼容的控制逻辑。
8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中的仟何一个。
由于ADC0808/ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处，所以该芯片非常适用于过程控制、微控制器输人通道的接口电路、智能仪器和机床控制等领域。
方案二：
ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。
ADC0804与ADC0809都是8位A/D转换器.多数功能都一样.只不过ADC0804是单路的.ADC0809是8通道多路开关8位A/D转换器.根据不本次试验，选择方案二。
2.4放大器的选择
TL082是一通用的J-FET双运算放大器。
其特点是：
a.较低的办入偏置电压和偏置电流；
b.输出设有短路保护电路；
c.输入级具有较高的输入阻抗；
d.内建频率补偿电路；
e.较高的压摆率:
16V/us（典型值）;
f.最大工作电压：
Vccmax=+/-18V.
故选择TL082为放大运算。
3.单元电路设计、参数计算和器件选择
3.1单元电路设计及参数计算
3.1.1LM35温度传感器电路
正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
由于本温度测量系统不需要测量负温度，故采用单电源模式，由于LM35的工作电流小于133uA，故需要在电源与LM35之间接入电阻，电阻阻值R=5/133×10uA约为43K。
故LM35电路图如下所示
图3-1LM35电路图
3.1.2TL082放大电路
图3-2TL082电路图
3.1.3NE555
图3-3N5555电路图
多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。
是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得
输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2
输出低电平时间T=R2Cln
振荡周期T=（R1+2R2）Cln
输出方波的占空比
3.1.4AD转换电路
图3-3ADC0804电路图
3.1.5ROM电路
图3-5ROM电路图
3.1.6译码显示电路
图3-5译码显示电路图
电路设计中数码管采用共阴极数码管，在数码管与CD4511之间加入电阻保护数码管，以防数码管被烧坏，并且确保数码管的亮度最佳。
因为是共阴极数码管，所以公共端接地。
3.2器件选择
3.2.1温度传感器的选择
LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。
由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。
LM35有多种不同封装型式。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其引脚如图一所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
工作电压4～30V，在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。
这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。
目前，已有两种型号的LM35可以提供使用。
LM35DZ输出为0℃～100℃，而LM35CZ输出可覆盖－40℃～110℃，且精度更高，两种芯片的精度都比LM35高，不过价格也稍高。
图3-1LM35封装
规格参数
1、工作电压：
直流4～30V；
2、工作电流：
小于133μA
3、输出电压：
+6V～-1.0V
4、输出阻抗：
1mA负载时0.1Ω；
5、精度：
0.5℃精度（在+25℃时）；
6、漏泄电流：
小于60μA；
7、比例因数：
线性+10.0mV/℃；
8、非线性值：
±1/4℃；
9、校准方式：
直接用摄氏温度校准；
10、额定使用温度范围：
-55～+150℃。
11、引脚说明：
①电源负GND；②电源正VCC；③信号输出S；
传感器参数
供电电压35V到-0.2V
输出电压6V至-1.0V
输出电流10mA
指定工作温度范围
LM35A-55℃to+150℃
LM35C,LM35CA-40℃to+110℃
LM35D0℃to+100℃
表3-1LM35电气特性表45555特别y表
Parameter参数
Conditions
条件
LM35A
LM35CA
Units（Max.）
单位
Typical典型
TestedLimit测试极限（注4）
DesignLimit设计极限（注5）
Typical典型
TestedLimit测试极限（注4）
DesignLimit设计极限（注5）
Accuracy精度（注7）
TA=+25℃
±0.2
±0.5
-
±0.2
±0.5
-
℃
TA=−10℃
±0.3
-
-
±0.3
-
±1.0
℃
TA=TMAX
±0.4
±1.0
-
±0.4
±1.0
-
℃
TA=TMIN
±0.4
±1.0
-
±0.4
-
±1.5
℃
Nonlinearity非线性（注8）
TMIN≤TA≤TMAX
±0.18
-
±0.35
±0.15
-
±0.3
℃
SensorGain传感器增益（AverageSlope）平均斜率
TMIN≤TA≤TMAX
+10.0
+9.9,
-
+10.0
-
+9.9
mV/℃
-
-
+10.1
-
-
-
+10.1
LoadRegulation负载调节（注3）0≤IL≤1mA
TA=+25℃
±0.4
±1.0
-
±0.4
±1.0
-
mV/mA
TMIN≤TA≤TMAX
±0.5
-
±3.0
±0.5
-
±3.0
mV/mA
LineRegulation线路调整（注3）
TA=+25℃
±0.01
±0.05
±0.01
±0.05
-
mV/V
4V≤VS≤30V
±0.02
-
±0.1
±0.02
±0.1
mV/V
QuiescentCurrent静态电流（注9）
VS=+5V,+25℃
56
67
-
56
67
-
μA
VS=+5V
105
-
131
91
-
114
μA
VS=+30V,+25℃
56.2
68
56.2
68
-
μA
VS=+30V
105.5
133
91.5
-
116
μA
ChangeofQuiescentCurrent变化静态电流（注3）
4V≤VS≤30V,+25℃
0.2
1.0
-
0.2
1.0
-
μA
4V≤VS≤30V
0.5
-
2.0
0.5
2.0
μA
TemperatureCoefficienofQuiescentCurrent静态电流/温度系数
-
+0.39
-
+0.5
+0.39
-
+0.5
μA/℃
MinimumTemperatureforRatedAccuracy最低温度额定精度
IncircuitofFigure1,IL=0
+1.5
-
+2.0
+1.5
-
+2.0
℃
LongTermStability长期稳定性
TJ=TMAX,for1000hours
±0.08
-
-
±0.08
-
-
℃
该系统说采用的温度传感器是用NationalSemiconductor所生产的LM35，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式
（1）。
0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封装型式。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1／4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源2种，其接脚如图2，图3所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测，单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4～20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
可以提供±1／4℃的室温常用精度。
Vout_LM35（T）=10×T
（1）
接下来实际对LM35进行测试，测试使用单电源模式，并且将输出已非反相放大器放大10倍，以10Hz的频率记录放大后的电压值，得到如图4的温度时间图。
3.2.2AD转换的选择
1、A/D转换概念：
即模数转换（AnalogtoDigitalConversion），输入模拟量（比如电压信号），输出一个与模拟量相对应的数字量（常为二进制形式）。
例如参考电压VREF为5V，采用8位的模数转换器时，当输入电压为0V时，输出的数字量为00000000，当输入的电压为5V时，输出的数字量为11111111。
当输入的电压从从0V到5V变化时，输出的数字量从00000000到11111111变化。
这样每个输入电压值对应一个输出数字量，即实现了模数转换。
2、分辨率概念：
分辨率是指使输出数字量变化1时的输入模拟量，也就是使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟量的变化值。
分辨率与A/D转换器的位数有确定的关系，可以表示成FS/2n。
FS表示满量程输入值，n为A/D转换器的位数。
例如，对于5V的满量程，采用4位的ADC时，分辨率为5V/16=0.3125V（也就是说当输入的电压值每增加0.3125V，输出的数字量增加1）；采用8位的ADC时，分辨率为5V/256＝19.5mV（也就是说当输入的电压值每增加19.5mV，则输出的数字量增加1）；当采用12位的ADC时，分辨率则为5V/4096＝1.22mV（也就是说当输入的电压值每增加1.22mV，则输出的数字量增加1）。
显然，位数越多,分辨率就越高。
ADC0804主要技术指标如下：
（1）高阻抗状态输出
（2）分辨率：
8位（0~255）
（3）存取时间：
135ms
（4）转换时间：
100ms
（5）总误差：
-1~+1LSB
（6）工作温度：
ADC0804C为0度~70度；ADC0804L为-40度~85度
（7）模拟输入电压范围：
0V~5V
（8）参考电压：
2.5V
（9）工作电压：
5V
（10）输出为三态结构
图3-7
3、
ADC0804引脚功能:
图3-8ADC0804引脚图
CS：
芯片片选信号，低电平有效。
即=0时,该芯片才能正常工作，高电平时芯片不工作。
在外接多个ADC0804芯片时，该信号可以作为选择地址使用，通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片，从而可以实现多个ADC通道的分时复用。
WR：
启动ADC0804进行ADC采样，该信号低电平有效，即信号由低电平变成高电平时，触发一次ADC转换。
RD：
低电平有效，即=0时，DAC0804把转换完成的数据加载到DB口，可以通过数据端口DB0～DB7读出本次的采样结果。
VIN（+）和VIN（-）：
模拟电压输入端，单边输入时模拟电压输入接VIN（+）端，VIN（-）
端接地。
双边输入时VIN（+）、VIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。
当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在VIN（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从VIN（+）中减去这一电压。
VREF/2：
参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外接电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则VREF与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。
CLKIN和CLKR：
外接RC振荡电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK=1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz～1460KHz。
AGND和DGND：
分别接模拟地和数字地。
INTR：
转换结束输出信号，低电平有效，当一次A/D转换完成后，将引起=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连（如51单片机的，脚），当产生信号有效时，还需等待=0才能正确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将引脚悬空。
DB0～DB7：
输出A/D转换后的8位二进制结果。
补充说明：
ADC0804片内有时钟电路，只要在外部“CLKIN（引脚4）”和“CLKR（引脚19）”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为：
R=10KΩ，C=150PF，fCLK≈640KHz，转换速度为100μｓ。
若采用外部时钟，则外部fCLK可从CLKIN端送入，此时不接R、C。
允许的时钟频率范围为100KHz～1460KHz。
4、ADC0804工作过程
图3-9ADC0804的工作时序图（TimingDiagrams）
由图可见，实现一次ADC转换主要包含下面三个过程：
1.启动转换：
由图6中的上部“FIGURE10A”可知，在信号为低电平的情况下，将引脚先由高电平变成低电平，经过至少tW（WR）I延时后，再将引脚拉成高电平，即启动了一次AD转换。
注：
ADC0804使用手册中给出了要正常启动AD转换的低电平保持时间tW（WR）I的最小值为100ns,即拉低后延时大于100ns即可以，具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay（）延时函数实现，不用太精确，只要估计插入的延时大于100ns即可。
2．延时等待转换结束：
依然由图6中的上部“FIGURE10A”可知，由拉低信号启动AD采样后，经过1到8个Tclk+INTERNALTc延时后，AD转换结束，因此，启动转换后必须加入一个延时以等待AD采样结束。
注：
手册中给出了内部转换时间“INTERNALTc”的时间范围为62～73个始终周期，因此延时等待时间应该至少为8+73=81个时钟周期。
比如，若R为150K,C为150pF，则时钟频率为Fclk=1/1.1RC=606KHz,此时钟周期约为Tclk=1/Fclk=1.65us。
所以该步骤
至少应延时81*Tclk=133.65us.具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay（）延时函数
实现，不用太精确，只要估计插入的延时大于133.65us即可。
3.读取转换结果：
由图3-8的下部“FIGURE10B”可知，采样转换完毕后，在信号为低的前提下，将脚由高电平拉成低电平后，经过tACC的延时即可从DB脚读出有效的采样结果。
注：
手册中给出了tACC的典型值和最大值分别为135ns和200ns，因此将引脚拉低后，等待大于200ns后即可从DB读出有效的转换结果。
具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay（）延时函数实现，不用太精确，只要估计插入的延时大于200ns即可。
对采样值进行运算变换，换算出实际的滑动变阻器输入电压值。
对采样值进行运算变换，换算出实际的滑动变阻器输入电压值。
对于任何一个A/D采样器而言，其转换公式如上：
:
输入ADC的模拟电压值。
：
ADC转换后的二进制值。
本试验的ADC0804为八位。
：
ADC能够表示的刻度总数。
ADC0804为八位ADC,因此
：
ADC参考电压值，本试验ADC0804的
被设置为5V
因此，对于本试验，转换公式为：
3.2.3程序存储器ROM的选择
2KB的EEPROM，存储器，主要用于存储程序和表格数据。
图3-10AT28C16引脚图
IntelAT28C16的容量为2KB，是24引脚双列直插式芯片，最大读出时间为250ns，单一＋5V电源供电，其引脚信号如图3-11所示。
A11～A0（addressinputs）：
地址线，可寻址4KB的存储空间，输入，与系统地址总线相连。
D7～D0（databus）：
数据线，8位，双向，编程时做数据输入线，读出时做数据输出线，与系统数据总线相连。
/VPP（outputenable/programmingvoltage）：
当该引脚是低电平时，为读出允许信输入，与统读信号
相连；当该引脚是高电平时，为编程电压输入端，＋12.5V。
（chipenable）：
片选信号，输入，低电平有效，与地址译码器输出相连。
VCC：
＋5V电源。
GND：
信号地。
AT28C16的操作方式：
有读出、待用、编程、编程禁止、输出禁止和Intel标识符六种操作方式
①读出：
将芯片内指定单元的内容输出。
此时
和
为低电平，VCC接＋5V，数据线处于输出状态。
②待用：
此时
为高电平，数据线呈现高阻状态，2732A处于待用状态，且不受
的影响。
在待用方式下，工作电流从125mA降到35mA。
③编程：
将信息写入芯片内。
此时，/VPP接＋21V的编程电压，
输入宽度为50ms的低电平编程脉冲信号，将数据线上的数据写入指定的存储单元。
编程之后应检查编程的正确性，当
/VPP和
都为低电平时，可对编程进行检查。
④编程禁止：
当
/VPP引脚接+21V电压，
为高电平时，处于不能进行编程方式，数据输出为高阻状态。
⑤Intel标识符：
当A9引脚为高电平，
和
引脚为低电平时，处于Intel标识符方式，可从数据线上读出制造厂和器件类型的编码
3.2.4数码管的选择
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图2所示。
其中abcd为BCD码输入，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。
a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。
所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。
限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
用CD4511实现LED与单片机的并行接口方法如下图：
图3-11
图3-12CD4511引脚图
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
L
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