随着电子和传感技术的快速发展，温度的测量和控制在民用、工业以及航空航天技术等领域，等到了广泛应用. 小型的、低功耗的、廉价的、可靠性高的温度传感器引起了人们的广泛关注。在实际生产、生活等领域中，温度是环境因素不可或缺的一部分，对温度进行及时精确的控制和检测显得尤为重要. 本文基于 AT89S51 单片机，采用 LM35温度传感器，设计了一种灵敏度较高，抗干扰能力强，工作稳定可靠的温度采集显示系统。

1、系统结构及工作原理

温度采集显示系统电路由温度采集模块、A/D转换模块、单片机控制模块、数码管显示模块和下载模块组成。电路工作原理是：首先由LM35 温度传感器采集外界环境的温度，经LM358 放大10 倍后以电压形式输入到 A/D 采样电路，由A/D 转换器TLC549 将温度的数字量值传送给单片机系统，再有单片机系统驱动数码管显示温度。本文设计的基于 LM35 的单片机温度采集显示系统的温度测量范围为 25℃ ～ 80℃温度采集显示系统电路是一个开环控制系统系统原理框图如图1示：

2、系统核心硬件电路设计

系统核心硬件电路设计主要包含温度采集模块的设计、A/D 转换模块的设计、单片机控制模块的设计、数码管显示模块的设计和下载模块的设计。

2.1、采集模块的设计

传感器是信号输入的第一个环节，也是整个测试系统性能的关键环节之一，因此对传感器的正确选用显得尤为重要. 在本系统中，温度采集模块的核心硬件采用 LM35 温度传感器，该器件有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，其输出电压与摄氏温度线性成比例，温度每上升 1℃，电 压 上 升10ms. LM35 无需外部校准，可以提供 ± 1 /4℃ 的常用室温精度. 从经济适用等多方面考虑，系统采用LM35 温度传感器和 LM358 放大电路进行温度采集模块的设计，设计原理图如图2 所示。图2 中，经过 LM35 传感器采集后的微弱电压通过 LM358 放大电路放大 10 倍后送入单片机。

2.2、/D 转换模块的设计

A/D 转换模块的核心硬件采用 TLC549，它是CMOS 串行的 8 位A/D 转换器，该集成电路内置一个8位开关电容逐次逼近型ADC，A/D 芯片转换时间为 17us，支持电压为 3V ～ 6V。TLC549 的使用只有输入/输出时钟，输入随着芯片选择( CS)的控制输入数据。TLC549 的输入/输出时钟的输入频率高达 1.1MHz。A/D 转换模块的设计原理图，如图3所示：

2、3 单片机控制模块的设计

8031 芯片由于内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，不仅占用空间大，而且电路复杂度增大。51 系列微处理器基于简化的嵌入式控制系统结构，在个人 PC 机、自动控制、甚至军事领域都应有广泛，作为控制核心优点凸现.单片机控制模块的核心硬件采用 AT89S51，该单片机是一种低功耗、高性能 CMOS 的 8 位微控制器，具有 8K 系统可编程 Flash 存储器，可读可写。具有在线编程的功能，能够在线调试软件使其与硬件匹配. 系统通过单片机驱动数码管，使其显示所测温度. 单片机控制模块的设计原理图，如图 4 所示。

2.4、数码管显示模块的设计

显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的值，便于工作人员及时掌握生产过程. 数码管显示模块采用普通8为数码管，利用单片机驱动数码管显示所测量的温度.数码管显示模块的设计原理图，如图5所示：

2.5、下载模块的设计

下载模块可以实现单片机之间的单机通信、多机通信，以及与计算机之间的通信，本系统主要实现从计算机上下载程序到单片机上，从而驱动整个电路板的工作。下载模块的核心硬件采用串口 MAX232 和RS232，MAX232 是 TTL 和 RS232 电平相互转换的芯片。单片机通过内部的通用异步接收/发送器

( UART) 与 MAX232 进行通信. 下载模块的设计原理图，如图6所示。

3、系统软件设计

系统软件设计采用C 语言编程，模块化结构进行开发。该程序主要包括主函数、延时子函数、A/D 转换子函数和温度显示子函数. 其中，延时子函数和 A/D 转换子函数如图 7 - a 所示，温度显示子函数和系统主函数如图 7 - b 所示。

4、系统性能测试

性能测试表明，在室内恒速移动、室温变化不明显。同样，在室外进行温度采集，变化也不是很明显。当用手指捂住芯片或采用或暖风机加热使得室。温快速发生变化，温度急剧上升. 测试结果表明本系统响应时间短，灵敏度高

5、结论

温度采集和控制系统在现代生活中应用的十分广泛。系统实现了温度的采集和显示功能，经过反复试验表明该系统具有响应时间短、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点，同时具有体积小和成本低廉的优势，具有很高的工程价值，在日常生活和学术研究等领域有着广泛的应用前景.本系统采集的温度范围为 25℃ ～ 80℃ 之间，温度数值的精度为整数，下一步将研究如何采用频率检测控制技术来进一步提高温度测量精度和范围。同时，通过扩展后还可以用于温度测量、温度预警、控制为一体的多功能产品。

LM35

LM35 是由National Semiconductor 所生产的温度传感器，其输出电压为摄氏温标。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。

LM35分类

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。

图一：LM35封装

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。

计算公式

封装型号

TO-46金属罐形封装

LM35H,LM35AH,LM35CH,LM35CAH,LM35DH

TO-220 塑料封装

LM35DT

TO-92封装

LM35CZ,LM35CAZ LM35DZ

SO-8 IC式封装

LM35DM

规格参数

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℃

LM35D 0℃ to +100℃

电气特性

【相关信息】基于单片机的温度采集系统设计

随着时代的进步和发展，单片机已经普及到我们生活、工作、科研各个领域，而且温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中具有举足轻重的作用。所以，温度测控在工业领域具有广泛的应用，设计一种基于89C51单片机的温度测量系统的硬件结构具有价格低廉、精度高、微型化、抗干扰能力强、易扩展等一系列优点。在以单片机为基础的数据采集和实时温度控制系统中，通过计算机中的MAX-232接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传送，就可以利用计算机对生产现场进行检测和控制。

1 系统的总体方案设计

本设计包括硬件和软件两个部分。系统的硬件部分大致可分为六部分：DS18B20、电源电路、显示电路、单片机最小系统、温度测试电路、串口通信电路，软件部分可分为两大部分：串口通信部分、VB数据处理与显示部分。系统的总体结构框图如图1所示。

2 系统的硬件方案设计

硬件电路作为整个系统运行的必要框架，是软件运行的结构基础，离开了硬件结构，整个系统需要实现的功能就无从谈起。此部分介绍了系统的整体硬件模块。经过任务分析。具体的硬件方案设计如下：本设计是以DS18B20为传感器、89C51单片机为控制核心组成的接口电路图。

2.1 温度传感器DS18B20

DS18B20温度传感器是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的一种改进型和增强型单总线智能数字温度传感器。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。其具有适应电压范围更宽，独特的单线接口方式，支持多点组网功能，不需要任何外围元件，温度分辨力可编程，内部有温度上、下限警告设置优点。

2.2 单片机最小系统设计

由单片机以及时钟电路和复位电路构成了单片机的最小系统。

1)单片机

本设计使用的是美国ATMEL公司的89C51单片机，该型号单片机功能强大，价格低廉，可以灵活应用于各种控制领域。89C51是一种带4 k字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机系统是本温度测控系统的核心部件，包括时钟电路和复位电路的设计。

2)时钟电路和复位电路

单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，XTAL1脚和XTAL2脚分别构成内振荡器的反相放大器的输入端和输出端，外接石英晶振或陶瓷晶振以及补偿电容C1、C2构成并联谐振电路。在本硬件系统设计中，为保证串行通信波特率的误差，选择了11.059 2 MHz的标准石英晶振，电容C1、C2为30pF。

单片机的复位是靠外部电路实现的。单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10 ms以上的高电子，单片机就能够有效地复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电子，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。

2.3 电平转换和串口通信电路的设计

1)电平转换

单片机的PC机与单片机之间的通信需通过RS232串口来实现，因为232电平与单片机输出的TTL电平不兼容，本次系统通过MAX232芯片实现TTL电平与RS232电平的转换。MAX232芯片是包含两路接收器和驱动器的RS232电平转换芯片，适用于各种232通信接口。芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5 V电源电压变换成RS232输出电平所需的±10 V电压。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+5 V电源即可。

2)串口通信

串口通信是计算机与外围设备之间进行信息交换的一种方式，是指数据一位一位的按顺序在一根信号线上进行传输的通信方式。串行通信有两种基本工作方式：异步传送和同步传送，本系统中采用异步串行通信方式来实现单片机与PC之间的通信。89C51有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如计算机的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换。

综上所述，可以得到系统的硬件电路图及仿真图如图2所示。

3 系统的软件方案设计

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。下位机通过DS18B20传感器的测量，将温度采集，采集上来的温度信息经过MAX232电平转换上传给上位机，这些上传到上位机的温度信息的处理是该温度采集系统上位机最重要的一部分，实现了温度信息的查询、显示、趋势图等功能。

3.1 VB与单片机通信的建立

由单片机的测试点实时采集温度，通过MAX232传输到上位机PC，利用在Visual Basic 6.0的通信控件MSCOMM属性设置和事件响应的基础上，实现与单片机串行通信。在上位机中，完成温度传感器ROM读取并显示、实时温度数据显示、数据存储、曲线绘制、历史数据查询，其中在数据查询功能中，设计了时间查询、温度查询等功能。温度采集系统中下位机将温度转换并将温度值存储到单片机的RAM里，实现温度采集系统的上位机(PC机)向下位机(单片机)发送信息以及上位机接收下位机的温度信息并加以处理。

MSCOMM控件的目的是为了简化Windows下串行通信编程，它既可以用来提供简单的串口端口通信功能，也可以用来创建功能完备的、事件驱动的高级通信工具。使用它可以建立与串行端口的连接，通过串行端口连接到其它通信设备(如调制解调器)，发出命令，交换数据，以及监视和响应串行连接中发生的事件和错误。MSCOMM控件通信的流程图如图3所示。编写程序时，只需要按照下面的流程图，即可实现通信功能。

4 结论

研究了一种基于单片机技术的温度采集系统的设计，本设计采用89C51单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。通过对本设计的思考，更加加深了对单片机的认识，熟练了单片机的编程，更对当前的温度传感器有了更深刻的认识与了解。但是由于此系统依赖温度传感器，因而对温度传感器的稳定性，线性等诸多方面有着严格的要求，但是传感器的性能越好，相对而言其价格也就越高，因而在此设计中，温度传感器我个人觉的还是存在遗憾。随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。