王思淼， 陳戰(zhàn)勝，2， 胡正坤

(1.北京聯(lián)合大學應用科技學院，北京102200;2.北京交通大學計算機與信息技術學院，北京100044)

0 引言

隨著電子和傳感技術的快速發(fā)展，溫度的測量和控制在民用、工業(yè)以及航空航天技術等領域，等到了廣泛應用.小型的、低功耗的、廉價的、可靠性高的溫度傳感器引起了人們的廣泛關注［1］.在實際生產、生活等領域中，溫度是環(huán)境因素不可或缺的一部分，對溫度進行及時精確的控制和檢測顯得尤為重要.本文基于AT89S51單片機，采用LM35溫度傳感器，設計了一種靈敏度較高，抗干擾能力強，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)結構及工作原理

溫度采集顯示系統(tǒng)電路由溫度采集模塊、A/D轉換模塊、單片機控制模塊、數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LM358放大10倍后以電壓形式輸入到A/D采樣電路，由A/D轉換器TLC549將溫度的數字量值傳送給單片機系統(tǒng)，再有單片機系統(tǒng)驅動數碼管顯示溫度.本文設計的基于LM35的單片機溫度采集顯示系統(tǒng)的溫度測量范圍為25℃ ～80℃.

圖2 溫度采集模塊電路原理圖

圖3 A/D轉換模塊電路原理圖

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

2 系統(tǒng)核心硬件電路設計

系統(tǒng)核心硬件電路設計主要包含溫度采集模塊的設計、A/D轉換模塊的設計、單片機控制模塊的設計、數碼管顯示模塊的設計和下載模塊的設計.

圖4 單片機控制模塊的電路原理圖

2.1 溫度采集模塊的設計

傳感器是信號輸入的第一個環(huán)節(jié)，也是整個測試系統(tǒng)性能的關鍵環(huán)節(jié)之一，因此對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，可以提供±1/4℃的常用室溫精度.從經濟適用等多方面考慮，系統(tǒng)采用LM35溫度傳感器和LM358放大電路進行溫度采集模塊的設計，設計原理圖如圖2所示.

圖2中，經過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.

圖5 數碼管顯示模塊的電路原理圖

2.2 A/D轉換模塊的設計

A/D轉換模塊的核心硬件采用TLC549，它是CMOS串行的8位A/D轉換器，該集成電路內置一個8位開關電容逐次逼近型ADC.該A/D芯片轉換時間為17us，支持電壓為3V～6V.TLC549的使用只有輸入/輸出時鐘，輸入隨著芯片選擇(CS)的控制輸入數據.TLC549的輸入/輸出時鐘的輸入頻率高達1.1MHz.A/D轉換模塊的設計原理圖，如圖3所示.

圖6 下載模塊的電路原理圖

2.3 單片機控制模塊的設計

8031芯片由于內部沒有程序存儲器，需要進行外部擴展，不僅占用空間大，而且電路復雜度增大.51系列微處理器基于簡化的嵌入式控制系統(tǒng)結構，在個人PC機、自動控制、甚至軍事領域都應有廣泛，作為控制核心優(yōu)點凸現(xiàn).

單片機控制模塊的核心硬件采用AT89S51，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器，可讀可寫.具有在線編程的功能，能夠在線調試軟件使其與硬件匹配.系統(tǒng)通過單片機驅動數碼管，使其顯示所測溫度.單片機控制模塊的設計原理圖，如圖4所示.

2.4 數碼管顯示模塊的設計

顯示系統(tǒng)是單片機控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于顯示各種參數的值，便于工作人員及時掌握生產過程.數碼管顯示模塊采用普通8為數碼管，利用單片機驅動數碼管顯示所測量的溫度.

數碼管顯示模塊的設計原理圖，如圖5所示.

圖7 主要函數的代碼

2.5 下載模塊的設計

下載模塊可以實現(xiàn)單片機之間的單機通信、多機通信，以及與計算機之間的通信，本系統(tǒng)主要實現(xiàn)從計算機上下載程序到單片機上，從而驅動整個電路板的工作.

下載模塊的核心硬件采用串口MAX232和RS232，MAX232是TTL和RS232電平相互轉換的芯片.單片機通過內部的通用異步接收/發(fā)送器(UART)與MAX232進行通信.下載模塊的設計原理圖，如圖6所示.

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計采用C語言編程，模塊化結構進行開發(fā)［4］.該程序主要包括主函數、延時子函數、A/D轉換子函數和溫度顯示子函數.其中，延時子函數和A/D轉換子函數如圖7－a所示，溫度顯示子函數和系統(tǒng)主函數如圖7－b所示.

4 系統(tǒng)性能測試

性能測試表明，在室內恒速移動、室溫變化不明顯.同樣，在室外進行溫度采集，變化也不是很明顯.當用手指捂住芯片或采用或暖風機加熱使得室溫快速發(fā)生變化，溫度急劇上升.測試結果表明本系統(tǒng)響應時間短，靈敏度高.

5 結論

溫度采集和控制系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中應用的十分廣泛.系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度的采集和顯示功能，經過反復試驗表明該系統(tǒng)具有響應時間短、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠等特點，同時具有體積小和成本低廉的優(yōu)勢，具有很高的工程價值，在日常生活和學術研究等領域有著廣泛的應用前景.

本系統(tǒng)采集的溫度范圍為25℃ ～80℃之間，溫度數值的精度為整數，下一步將研究如何采用頻率檢測控制技術來進一步提高溫度測量精度和范圍.同時，通過擴展后還可以用于溫度測量、溫度預警、控制為一體的多功能產品.

［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.單片機應用入門—AT89S51和AVR［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008.

［3］臺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:科學出版社，2011.

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