51單片機LM35溫度檢測與控制系統程序與電路整體方案設計

ID:541429 · 發表于 2019-5-18 15:48

本系統由單片機開發板AT89C51、集成溫度傳感器、連續漸進式A/D轉換器ADC0804、運放LM324等元器件組成，采用 Protues 軟件進行模擬電路仿真，完成模擬信號調理，通過51 單片機（內置 ADC）采集溫度信號，最后通過數碼管顯示溫度數值。
在基本要求實驗中，采用的技術指標是①溫度測試范圍：0℃~110℃② 溫度測試精度：±2℃③ 溫度測試分辨率：0.2℃④ 溫度顯示方式：4 位數碼管顯示，第 1 位數碼管顯示符號（零下溫度顯示“—”號，零上及低于100℃不顯示）第 2 位數碼管顯示溫度的十位數值，第 3 位數碼管顯示溫度的個位數值及小數點，第 4 位數碼管顯示溫度測量值的小數點后第一位數值。
在提高實驗中，采用了以下技術指標① 溫度控制數值可在 40℃~70℃之間設置② 溫度控制精度：±1℃③ 研究合適的溫度控制算法。
② 溫度測試精度：±2℃
③ 溫度測試分辨率：0.2℃
④ 溫度顯示方式：4 位數碼管顯示，第1位數碼管顯示符號（零下溫度顯示“—”號，零上及低于100℃不顯示），第2位數碼管顯示溫度的十位數值，第3位數碼管顯示溫度的個位數值及小數點，第4位數碼管顯示溫度測量值的小數點后第一位數值。
2 、提高要求
（1）功能要求
① 實現溫度自動控制功能，具有溫度檢測和溫度控制兩種工作狀態，并可手動切換工作狀態；
②對象溫度控制：可通過單片機控制加熱器進行溫度自動調節，并可設置和顯示溫度恒定數值，控制對象為大功率電阻；
（2）技術指標
① 溫度控制數值可在 40℃~70℃之間設置
② 溫度控制精度：±1℃
③ 研究合適的溫度控制算法。
1.2 設計要求
1．根據設計任務設計幾種實現方案，經比較從中優選確定一種實現方案。
2．說明所選電路的組成及工作原理，并繪出原理框圖。
3．設計各單元電路，計算元器件參數并選擇元器件類別型號。
4．畫出實際電路圖，并用 Protues 軟件進行電路仿真。
5．列出元器件清單。
6．組裝并調試方案電路，記錄調試步驟及結果。
7．設計單片機程序，完成數據采集、處理和顯示。
8．對電路功能及技術指標進行測試，記錄測試數據。

1.3 限定條件

1．模擬電路電源：+5V
2．單片機開發軟件：Keil UV3 v8.02
3．電路仿真軟件：Proteus
4．主要器件：
（1）溫度傳感器：LM35
（2）運放：LM324
（3）單片機模塊：AT89C51單片機模塊
5．除單片機模塊外，其它電路在一塊萬用板上焊接好并調試正常，通過杜邦頭跳線與單片機模塊連接。傳感器通過杜邦頭跳線與電路板連接，集成電路使用插座實現引腳連接。

2.2 溫度測量與溫度傳感器

溫度測量方法可分為接觸式和非接觸式兩類，接觸式的測溫方法是基于物體的熱交換現象。選定某一測溫器，與被測物體相接觸，進行充分的熱交換，待兩者溫度一致時，測溫器輸出的大小即反映被測溫度的高低。接觸式測溫的優點是簡單、可靠、測量精度高；缺點是測溫時有較大的滯后，對運動物體測溫較困難，測溫器易影響被測對象的溫度場分布，測溫上限受到測溫器件材料性質的限制，故所測溫度不能太高。
溫度傳感器是把溫度轉換為電量的測溫器。常用的溫度傳感器有：金屬熱電阻和半導體熱敏電阻、熱電偶、PN 結型傳感器和集成溫度傳感器、石英晶體溫度傳感器、渦流式溫度傳感器、電容式溫度傳感器等。
采用集成溫度傳感器測量溫度，具有省電、體積小、線性好、成本低等優點，而且能滿足一般測溫工作（－50℃~＋150℃）的需要，本設計使用集成溫度傳感器，型號為 LM35。
傳感器使用說明見附件 1：《LM35 數據手冊》。
2.3 模擬信號調理

1．調零與調滿度
半導體溫度傳感器有一個共同的特點，即其輸出電壓或電流與絕對溫度成正比或線性關系。因為常用的溫標為攝氏溫度，而且為便于測量，希望在 0℃（傳感器插入冰水中）時，測溫電路輸出顯示為 0，在100℃（傳感器插入沸水中）時，測溫電路輸出顯示為 100。因此，半導體測溫電路中需要設計調零電路和調滿度（也稱調靈敏度）電路。
2．放大與電平平移
模擬傳感器輸出的信號通常為非標準雙極性或單極性小信號，為實現數據采集，需適應 A/D 轉換器輸入電平要求，因此要對模擬信號進行放大和電平平移。

2.4 模擬信號 A/D 轉換

模擬信號需經 A/D 轉換后，才能被采集到單片機中，完成后續的處理。

2.5 數碼管顯示

4 位數碼管顯示，電路設計參考硬件資料。

2. 電路調試過程

① 通過實驗所給的信息和所學可以畫出模擬實驗電路圖

②通過實驗給的例程，實驗要求以及所學的程序語言來完成實驗程序，使其使程序無錯誤，并讓電路圖能夠正常的運行。

③將程序編譯運行后產生的hex文件導入proteus的程序中，打開電路開關，調節溫度感應器的旋鈕，并觀察數碼管的示數，讓這兩個示數的誤差在±1℃之間。

5.2 實驗調試過程

若實驗中溫度感應器和數碼管的示數之差過大，就可以通過調節電路圖中的電阻阻值和電容值來調整實驗電路圖，使其滿足實驗要求。同時也可以調節實驗程序來調節實驗電路圖，最后讓其滿足實驗要求。

5.3 測量誤差分析

溫度感應器和數碼管之差誤差過大，有以下原因：

1. 在模擬信號A/D轉換過程中，對電阻阻值設計不合理，也就會導致示數誤差過大。

2. 在ADC0804芯片的設計里，連接的電阻的電容的示數發生改變也就會導致示數存在誤差過大。

3. 設計的程序代碼中存在這失誤，也就會導致誤差過大。

結束語

在本次綜合電子實驗中，我獨立的完成了整個基本功能實驗，這提高了我的實驗動手能力，讓我對這門有了深刻的了解，這次實驗使我了解和掌握電子設計的方法和步驟，能夠綜合所學的理論知識提出設計方案并加以論證，并掌握系統方案的設計方法。能培養我獨立分析問題、解決問題的能力。同時掌握了傳感器檢測、模擬信號調理、數據采集等技術的設計和實驗方法。能夠掌握單片機系統的軟硬件工作原理及設計、調試方法，我也學習了如何使用電子設計、仿真軟件進行電路輔助設計，并正確繪制電路圖，學習電路的實驗調試和測試方法，提高實踐能力。
在這次實驗中，我也發現了自己的不足，自己缺少動手能力，對電路基礎知識理解不深刻，總是犯一些低級失誤，我也非常感謝老師和同學們對我的指導，讓我對整個實驗有了深刻的了解，讓我完成了實驗。
這次基本實驗的不足是電路元器件的精確度和靈敏度較弱，使其在實驗測試過程中出現了較大誤差，動手能力較弱。也希望自己在接下來的學習生活中有和更大的進步。

基本實驗電路圖

表2. 軟件模塊清單

#include<reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit wr=P3^6;
sbit rd=P3^7;
sbit cs=P3^5;
uchar code tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//共陰數碼管碼表
uchar s,g,f,l,x;//數碼管顯示變量
float A;
uint K;
void delay(uint);
void adc();
void adc()
{
//啟動ADC0804采樣//
cs=0;wr=0;rd=1;
delay(50);
cs=1;wr=1;rd=1; //WR由低到高時，AD開始轉換
delay(100);
//讀AD數值//
cs=0;wr=1;rd=0;//讀取轉換數據結果
delay(50);
A=P1;//P1的新數據賦值給adval，用于數碼管顯示的s g f的分離
A=A*144/256;
K=P1*144/256;
cs=1;wr=1;rd=1;//停止AD讀取
}
void main()
{
uint s,g,f,l,x;
while(1)
{
adc();
s=K/10;
l=s/10;
x=s%10;
g=K%10;
f=(A-K)*10;
P2=0XFE; //11111110 選中十位數碼管
P0=tab[l]; //顯示
delay(50);
P2=0XFD; //11111110 選中十位數碼管
P0=tab[x]; //顯示
delay(50);
P2=0XFB; //11111101 選中個位數碼管
P0=tab[g]+0x80; //顯示
delay(50);
P2=0XF7;//11111011 選中小數點后數碼管
P0=tab[f]; //顯示
delay(50);
}
}
void delay(uint m)//延時子程序，約500個機器周期
{
while(m--);｝