基于LM35的體溫計的設(shè)計-數(shù)字電子基礎(chǔ)課程設(shè)計

時間：2023-04-30 22:33:57 資料我要投稿

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1.總體方案的設(shè)計與選擇.......................................... - 1 -

1.1 數(shù)字溫度計的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與要求 .............................. - 1 -

1.2 系統(tǒng)基本方案 ............................................ - 1 -

1.3 各模塊基本功能與設(shè)計方案選擇與論證 ...................... - 1 -

1.3.1 溫度采集模塊的設(shè)計與論證........................... - 1 -

1.3.2 信號轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計與方案選擇....................... - 3 -

1.3.3 顯示模塊的設(shè)計與方案選擇........................... - 4 -

2. 硬件電路設(shè)計................................................. - 6 -

2.1 溫度采集模塊的硬件設(shè)計 .................................. - 6 -

2.2 信號轉(zhuǎn)換模塊硬件電路設(shè)計 ................................ - 7 -

2.3 顯示模塊設(shè)計電路圖 ...................................... - 8 -

2.4 電路中相關(guān)參數(shù)設(shè)定 ...................................... - 8 -

3. 電路仿真........................................ 錯誤！未定義書簽。

3.1 仿真軟件簡介 ............................... 錯誤！未定義書簽。

3.2 仿真分析 .................................. 錯誤！未定義書簽。 4 電路的安裝與調(diào)試.............................................. - 9 - 5 誤差分析...................................................... - 9 - 6 實物照片......................................... 錯誤！未定義書簽。

7.心得體會..................................................... - 11 -

1.總體方案的設(shè)計與選擇

1.1 數(shù)字溫度計的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與要求

1、設(shè)計溫度測量電路；

2、測量范圍為0℃～100℃；

3、制作并調(diào)試所設(shè)計電路；

4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計及調(diào)試方法；

1.2 系統(tǒng)基本方案

根據(jù)系統(tǒng)要求，本次設(shè)計可分為三個模塊，分別為以18B20為傳感器的溫度檢測模塊，以AT89S52的轉(zhuǎn)換模塊和以共陰數(shù)碼管的顯示模塊。具體框圖如圖 1—1所示：

圖1-1 總體結(jié)構(gòu)圖

1.3

各模塊基本功能與設(shè)計方案選擇與論證

1.3.1 溫度采集模塊的設(shè)計與論證

溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。

方案一：采用二極管做溫度傳感器

晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1℃時，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基

極短接）接成二極管來做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時間常數(shù)為0.2—2秒，靈敏度高。測溫范圍為-50—+150℃。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。

方案二：用可編程器件DS18B20做溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。

DS18B20產(chǎn)品的特點

（1）、只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。

（2）、在DS18B20中的每個器件上都有獨(dú)一無二的序列號。

（3）、實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。

（4）、測量溫度范圍在－55。C到＋125。C之間。

（5）、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。

（6）、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。

但是18B20需要單片機(jī)軟件控制，與本次設(shè)計要求不符。

方案三：用LM35做溫度傳感器

LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0℃開始。在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50μA），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場合中，輸出可以由第三個引腳取出，根本無需校準(zhǔn)。

在使用單一電源時，LM35的一個缺點是無法指示低至零度的溫度。據(jù)稱利用LM35可測出20mV的電壓，這一值相當(dāng)于2℃（一些情況下甚至可測出0～2mV的電壓�。�，但要指示零度或更低的溫度時，最好還是再提供一個負(fù)電源和一只下拉電阻。

通過比較和對本次設(shè)計要求的的考慮，決定采用方案三以LM35作溫度傳感器。

1.3.2 信號轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計與方案選擇

數(shù)字電子計算機(jī)所處理和傳送的都是不連續(xù)的數(shù)字信號，而實際中遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號的模擬量后，需經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號才可輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，因而作為把模擬電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的接口電路-A/D轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)實世界中模擬信號向數(shù)字信號的橋梁，是電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和瓶所在。

方案一：用可編程器件A/D做轉(zhuǎn)換器

如果利用ADC0801進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，其工作過程為：先由外電路給片選端輸入一個低電平，選中此芯片使之進(jìn)入工作狀態(tài)，此時輸出為高電平，表示轉(zhuǎn)換沒有完成，芯片輸出為高阻態(tài)。和為高電平時芯片不工作。當(dāng)外電路給端輸入一個低電平時啟動芯片，正式開始A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，輸出為低電平，允許外電路取走～數(shù)據(jù)，此時外電路使和為高電平，A/D轉(zhuǎn)換停止。外電路取走～數(shù)據(jù)后，使為低電平，表示數(shù)據(jù)已取走。若要再進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，則重復(fù)上述控制轉(zhuǎn)換過程。圖1-2為ADC0801的應(yīng)用電路圖：

圖1-2 ADC0801的應(yīng)用接線圖

方案二：采用ICL7107做轉(zhuǎn)換器

ICL7107是高性能，低功耗的三維半A/D轉(zhuǎn)換電路。它包含有段譯碼器，顯示驅(qū)動器，參考源和時鐘系統(tǒng)�？芍苯域�(qū)動發(fā)光二極管（LED）。ICL7107將高精度、通用性很好的結(jié)合在一起，有低于10μV的自動效零功能，零漂小于1μV/°C。

主要特點：

(1)保證零電平輸入時，各兩量程的讀值均為零

(2)很低的噪聲

(3)差動輸入和差動參考源，直接LED顯示驅(qū)動

(4)不需外接有源電路

(5)低功耗

管腳排列如圖：

圖1-3 ICL7107引腳圖

通過比較和對本次設(shè)計要求的考量，最終決定采用方案二進(jìn)行設(shè)計。

1.3.3 顯示模塊的設(shè)計與方案選擇

通過轉(zhuǎn)換模塊對模擬量的轉(zhuǎn)換，使顯示模塊接收到的是數(shù)字量，現(xiàn)實更精確簡單。

方案一：第一文庫網(wǎng)采用液晶顯示

液晶顯示器(lcd)是現(xiàn)在非常普遍的顯示器。它具有體積小、重量輕、省電、輻射低、易于攜帶等優(yōu)點。液晶顯示器（lcd）的原理與陰極射線管顯示器（crt）大不相同。lcd是基于液晶電光效應(yīng)的顯示器件。包括段顯示方式的字符段顯示器件；矩陣顯示方式的字符、圖形、圖像顯示器件；矩陣顯示方式的大屏幕液晶投影電視液晶屏等。液晶顯示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通電時導(dǎo)通，使液晶排列變得有秩序，使光線容易通過；不通電時，排列則變得混亂，阻止光線通過。

也僅顯示雖然方便，但是顯示亮度不夠，比較模糊，而且需要軟件對其進(jìn)行驅(qū)動，與本次課設(shè)的用以相違背。

方案二：采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示

LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，

以共陰式為例，如把陰極接地，在相應(yīng)段的陽極接上正電源，該段即會發(fā)光。當(dāng)然，LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將"b"和"c"段接上正電源，其它端接地或懸空，那么"b"和"c"段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1”。而將"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正電源，其它引腳懸空，此時數(shù)碼管將顯示“2”。

數(shù)碼管不僅價格便宜而且容易驅(qū)動，亮度好且比較穩(wěn)定。其管腳圖如圖1-4所示：

圖1-4 數(shù)碼管引腳圖

通過比較，本次設(shè)計采用方案二進(jìn)行顯示模塊的設(shè)計。

2. 硬件電路設(shè)計

2.1 溫度采集模塊的硬件設(shè)計

本次設(shè)計采用LM35作為溫度傳感器，LM35是NS公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器系列產(chǎn)品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。LM35是一種內(nèi)部電路已去噪校準(zhǔn)放大的集成溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成正比，輸出端電壓信號基本滿足本設(shè)計的需求。轉(zhuǎn)換公式如式：

0°C 時輸出為0V，每升高1°，輸出電壓增加10mV。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種.正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的量測；在靜止溫度中自熱效應(yīng)低(0.08℃)，單電源模式在25°C下靜止電流約50μA，工作電壓較寬，可在4—20V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電。

本次設(shè)計的溫度檢測模塊硬件圖如圖2-1所示：

圖2-1 溫度檢測模塊圖

2.2 信號轉(zhuǎn)換模塊硬件電路設(shè)計

本次設(shè)計采用三位半LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107，此集成芯片內(nèi)部包含有數(shù)碼管的驅(qū)動電路，此次選用ICL最典型的應(yīng)用電路，設(shè)計圖如圖2-2所示：

圖2-2 ICL7107應(yīng)用電路圖

2.3 顯示模塊設(shè)計電路圖

本次設(shè)計采用氣味數(shù)碼管進(jìn)行顯示，ICL7107中已包含數(shù)碼管驅(qū)動電路，所以數(shù)碼管只需與ICL7107的輸出端對應(yīng)連接即可，設(shè)計圖如圖2-3所示：

圖2-3 數(shù)碼管電路

2.4 電路中相關(guān)參數(shù)設(shè)定

該電路的閥值電壓Ut為：

ut?RR3?R4)*Vcc

當(dāng)UoUt時，Uo=UoH；電路只有一個閥值電壓，故為單限比較器。Uo的高低電平?jīng)Q定與集成運(yùn)放輸出電壓的最小值和最大值。

如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓VB相比較，如圖3(a)所示。此VB稱為參考電壓、基準(zhǔn)電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V(地電平)，如圖2-4所示，它一般用作過零檢測。

圖2-4：過零檢測電路

然后直接設(shè)置LM35的溫度值，啟動仿真，就可觀察數(shù)碼管顯示的數(shù)值，仿真存在一定的誤差，LM35現(xiàn)實的溫度值與數(shù)碼管顯示的溫度值并不精確的相等，

5 誤差分析

LM35溫度傳感器是常用的傳感器之一。使用溫度傳感器不可避免地存在測量誤差，引起該測量溫誤差的原因是多方面的，下面介紹可能存在的幾個主要原因:

(1)傳熱誤差

測溫時，必然會通過熱敏元件進(jìn)行熱量交換，有傳熱現(xiàn)象存在，LM35工作端所感受的溫度就不能完全正確反映被測環(huán)境的溫度，存在誤差，通過信號放大，該誤差進(jìn)一步增大從而引起測量誤差。

（2）動態(tài)誤差

被測對象溫度變化后，測溫儀表來不及立即指出變化了的溫度，從而引起讀數(shù)誤差。對于快速變化的溫度，由于測溫元件的熱惰性，動態(tài)誤差可能很大。

（3）線路電阻誤差

線路中電阻對信號傳導(dǎo)的影響都會引起測溫誤差。所有各種測溫誤差，最終都集中反映在E-t關(guān)系上。因此，對各種誤差的大小必須針對某一具體問題進(jìn)行分析，從中抓住主要矛盾，以便提高測量精度。

7.心得體會

本次課設(shè)我分配的題目是數(shù)字溫度計，在接到題目之后我首先開始搜集相關(guān)的資料，通過對網(wǎng)上資料的參考和比較，我畫出了初步的原理圖，但是覺得不夠理想，太麻煩，所以又查詢了相關(guān)的資料，最終得到了改善后的原理圖，相比較最初的圖改善了很多，但是由于不是下載的網(wǎng)上現(xiàn)成的原理圖，所以一些參數(shù)必須自己設(shè)置，所以我又加深了對相關(guān)模擬電路的知識的學(xué)習(xí)，通過幾天的分析和計算，最終設(shè)置出了正確的參數(shù)。在設(shè)置好參數(shù)之后我開始學(xué)習(xí)仿真軟件，因為這次用的是Proteus仿真軟件，是第一次接觸，所以我找了相關(guān)的資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過實踐對我的原理圖進(jìn)行了簡單的仿真，仿真完成之后我就開始進(jìn)行實物的安裝與調(diào)試，我通過原理圖對每一個模塊進(jìn)行單獨(dú)安裝，然后單項調(diào)試，其中出現(xiàn)了很多問題，誤差也很大，開始得不到理想的結(jié)果，但是經(jīng)過調(diào)試最終得出了理想的結(jié)果，雖然這個過程經(jīng)歷的時間很長，而且也有很多困難，但是這是第一次自己設(shè)計并制作的電路，所以還是很有熱情。通過這次的經(jīng)歷我明白了，學(xué)習(xí)要有耐心，細(xì)心，不急躁，而且遇到問題首先要自己嘗試去解決，要學(xué)會利用網(wǎng)絡(luò)，要具備一定的搜集資料的能力。對本次課設(shè)的總結(jié)時：數(shù)字電子技術(shù)是一門很有用的科目，不僅僅是要學(xué)理論知識，而且要學(xué)會動手，通過實踐加深對理論知識的理解。

本次課設(shè)激發(fā)了我動手實踐的熱情，提高了我的分析和實踐能力，也讓我體

會到了自己設(shè)計并制作的快樂，獲益匪淺！

8.參考文獻(xiàn)

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