基于LM35的体温计的设计-数字电子基础课程设计

目录

1.总体方案的设计与选择.......................................... - 1 -

1.1 数字温度计的设计标准与要求.............................. - 1 -

1.2 系统基本方案............................................ - 1 -

1.3 各模块基本功能与设计方案选择与论证...................... - 1 -

1.3.1 温度采集模块的设计与论证........................... - 1 -

1.3.2 信号转换模块的设计与方案选择....................... - 3 -

1.3.3 显示模块的设计与方案选择........................... - 4 -

2. 硬件电路设计................................................. - 6 -

2.1 温度采集模块的硬件设计.................................. - 6 -

2.2 信号转换模块硬件电路设计................................ - 7 -

2.3 显示模块设计电路图...................................... - 8 -

2.4 电路中相关参数设定...................................... - 8 -

3. 电路仿真........................................ 错误！未定义书签。

3.1 仿真软件简介............................... 错误！未定义书签。

3.2 仿真分析.................................. 错误！未定义书签。

4 电路的安装与调试.............................................. - 9 -

5 误差分析...................................................... - 9 -

6 实物照片......................................... 错误！未定义书签。

7.心得体会..................................................... - 11 -

1.总体方案的设计与选择

1.1 数字温度计的设计标准与要求

1、设计温度测量电路；

2、测量范围为0℃～100℃；

3、制作并调试所设计电路；

4、掌握数字电路的设计及调试方法；

1.2 系统基本方案

根据系统要求，本次设计可分为三个模块，分别为以18B20为传感器的温度检测模块，以AT89S52的转换模块和以共阴数码管的显示模块。具体框图如图1—1所示：

温度采集信号转换模块数码管显示模块

图1-1 总体结构图

1.3 各模块基本功能与设计方案选择与论证

1.3.1 温度采集模块的设计与论证

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。

方案一：采用二极管做温度传感器

晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN 结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基

极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。

方案二：用可编程器件DS18B20做温度传感器

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20产品的特点

（1）、只要求一个端口即可实现通信。

（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）、测量温度范围在－55。C到＋125。C之间。

（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

（6）、内部有温度上、下限告警设置。

但是18B20需要单片机软件控制，与本次设计要求不符。

方案三：用LM35做温度传感器

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。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。

在使用单一电源时，LM35的一个缺点是无法指示低至零度的温度。据称利用LM35可测出20mV的电压，这一值相当于2℃（一些情况下甚至可测出0～2mV的电压！），但要指示零度或更低的温度时，最好还是再提供一个负电源和一只下拉电阻。

通过比较和对本次设计要求的的考虑，决定采用方案三以LM35作温度传感器。

1.3.2 信号转换模块的设计与方案选择

数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号的模拟量后，需经模/数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路-A/D转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶所在。

方案一：用可编程器件A/D做转换器

如果利用ADC0801进行一次A/D转换，其工作过程为：先由外电路给片选端输入一个低电平，选中此芯片使之进入工作状态，此时输出为高电平，表示转换没有完成，芯片输出为高阻态。和为高电平时芯片不工作。当外电路给端输入一个低电平时启动芯片，正式开始A/D转换。转换完成后，输出为低电平，允许外电路取走～数据，此时外电路使和为高电平，A/D转换停止。外电路取走～数据后，使为低电平，表示数据已取走。若要再进行一次A/D转换，则重复上述控制转换过程。图1-2为ADC0801的应用电路图：

图1-2 ADC0801的应用接线图

方案二：采用ICL7107做转换器

ICL7107是高性能，低功耗的三维半A/D转换电路。它包含有段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。可直接驱动发光二极管（LED）。ICL7107将高精度、通用性很好的结合在一起，有低于10μV的自动效零功能，零漂小于1μV/°C。

主要特点：

(1)保证零电平输入时，各两量程的读值均为零

(2)很低的噪声

(3)差动输入和差动参考源，直接LED显示驱动

(4)不需外接有源电路

(5)低功耗

管脚排列如图：

图1-3 ICL7107引脚图

通过比较和对本次设计要求的考量，最终决定采用方案二进行设计。

1.3.3 显示模块的设计与方案选择

通过转换模块对模拟量的转换，使显示模块接收到的是数字量，现实更精确简单。

方案一：采用液晶显示

液晶显示器(lcd)是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（lcd）的原理与阴极射线管显示器（crt）大不相同。lcd是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。

也仅显示虽然方便，但是显示亮度不够，比较模糊，而且需要软件对其进行驱动，与本次课设的用以相违背。

方案二：采用LED数码管进行显示

LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，

以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将"b"和"c"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。

数码管不仅价格便宜而且容易驱动，亮度好且比较稳定。其管脚图如图1-4所示：

图1-4 数码管引脚图

通过比较，本次设计采用方案二进行显示模块的设计。

2. 硬件电路设计

2.1 温度采集模块的硬件设计

本次设计采用LM35作为温度传感器，LM35是NS公司生产的集成电路温度

传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。LM35是一种内部电路已去噪校准放大的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比，输出端电压信号基本满足本设计的需求。转换公式如式：

0°C 时输出为0V，每升高1°，输出电压增加10mV。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种.正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；在静止温度中自热效应低(0.08℃)，单电源模式在25°C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。

本次设计的温度检测模块硬件图如图2-1所示：

图2-1 温度检测模块图

2.2 信号转换模块硬件电路设计

本次设计采用三位半LED显示A/D转换器ICL7107，此集成芯片内部包含有数码管的驱动电路，此次选用ICL最典型的应用电路，设计图如图2-2所示：

图2-2 ICL7107应用电路图

2.3 显示模块设计电路图

本次设计采用气味数码管进行显示，ICL7107中已包含数码管驱动电路，所以数码管只需与ICL7107的输出端对应连接即可，设计图如图2-3所示：

图2-3 数码管电路

2.4 电路中相关参数设定

该电路的阀值电压Ut 为：

Vcc R R R ut *)43(4+=

当UoUt 时，Uo=UoH ；电路只有一个阀值电压，故为单限比较器。Uo 的高低电平决定与集成运放输出电压的最小值和最大值。

如果输入电压VA 与某一个固定不变的电压VB 相比较，如图3(a)所示。此VB 称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V(地电平)，如图2-4所示，它一般用作过零检测。

图2-4：过零检测电路

然后直接设置LM35的温度值，启动仿真，就可观察数码管显示的数值，仿真存在一定的误差，LM35现实的温度值与数码管显示的温度值并不精确的相等，

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5 误差分析

LM35温度传感器是常用的传感器之一。使用温度传感器不可避免地存在测量误差，引起该测量温误差的原因是多方面的，下面介绍可能存在的几个主要原因:

(1)传热误差

测温时，必然会通过热敏元件进行热量交换，有传热现象存在，LM35工作端所感受的温度就不能完全正确反映被测环境的温度，存在误差，通过信号放大，该误差进一步增大从而引起测量误差。

（2）动态误差

被测对象温度变化后，测温仪表来不及立即指出变化了的温度，从而引起读数误差。对于快速变化的温度，由于测温元件的热惰性，动态误差可能很大。

（3）线路电阻误差

线路中电阻对信号传导的影响都会引起测温误差。所有各种测温误差，最终都集中反映在E-t关系上。因此，对各种误差的大小必须针对某一具体问题进行分析，从中抓住主要矛盾，以便提高测量精度。

7.心得体会

本次课设我分配的题目是数字温度计，在接到题目之后我首先开始搜集相关的资料，通过对网上资料的参考和比较，我画出了初步的原理图，但是觉得不够理想，太麻烦，所以又查询了相关的资料，最终得到了改善后的原理图，相比较最初的图改善了很多，但是由于不是下载的网上现成的原理图，所以一些参数必须自己设置，所以我又加深了对相关模拟电路的知识的学习，通过几天的分析和计算，最终设置出了正确的参数。在设置好参数之后我开始学习仿真软件，因为这次用的是Proteus仿真软件，是第一次接触，所以我找了相关的资料进行学习，通过实践对我的原理图进行了简单的仿真，仿真完成之后我就开始进行实物的安装与调试，我通过原理图对每一个模块进行单独安装，然后单项调试，其中出现了很多问题，误差也很大，开始得不到理想的结果，但是经过调试最终得出了理想的结果，虽然这个过程经历的时间很长，而且也有很多困难，但是这是第一次自己设计并制作的电路，所以还是很有热情。通过这次的经历我明白了，学习要有耐心，细心，不急躁，而且遇到问题首先要自己尝试去解决，要学会利用网络，要具备一定的搜集资料的能力。对本次课设的总结时：数字电子技术是一门很有用的科目，不仅仅是要学理论知识，而且要学会动手，通过实践加深对理论知识的理解。

本次课设激发了我动手实践的热情，提高了我的分析和实践能力，也让我体

会到了自己设计并制作的快乐，获益匪浅！

8.参考文献

[1] 胡翔俊. 电路分析. 高等教育出版社.2000

[2] 谭博学苗汇静. 集成电路原理电子工业出版社. 2007

[3] 曾兴雯. 高频电子线路. 高等教育出版社.2004,1

[4] 陈花玲. 机械工程测试技术. 机械工业出版社. 2002.2

[5] 黄贤武.传感器原理与应用第二版.电子科技大学出版社.2004

[6] 赵继文. 传感器与应用电路设计. 科学出版社. 2003

[7] 范茂言. 温度传感器的选择与使用[J] 电子产品世界2000(7):19-20

[8] 沙占友. 智能化集成温度传感器原理与应用. 机械工业出版社.2002