利用单片机实现温度监测系统

文章编号：１００８－０５７０（２００７）０２－２－０９８－０３

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第２－２期

利用单片机实现温度监测系统

ＭａｋｅＵｓｅｏｆＳｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐＣｏｍｐｕｔｅｒｔｏＲｅａｌｉｚｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅ

（天津工程师范学院）张建民

杨旭

ＺＨＡＮＧＪＩＡＮＭＩＮＹＡＮＧＸＵ

摘要：本系统是以ＡＴ８９Ｃ５１单片机为核心，采用Ａ／Ｄ转换器（ＡＤＣ０８０４）将模拟信号转换为数字信号，采用ＬＭ３５Ｄ电压型温度

高温、低温报警，经实验调试，用该方法对０－－１００℃范围的温度测量时，测量误差＋传感器采集室温，实现温度实时显示、

０．４℃。系统具有廉价，性价比高，工作稳定和抗干扰能力强的特点。关键词：ＡＴ８９Ｃ５１；温度传感器；转换器ＡＤＣ０８０４中图分类号：ＴＰ２７７文献标识码：Ａ

技术创新

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｓｙｓｔｅｍｒｅｇａｒｄｓＡＴ８９Ｃ５１ｏｎｅ－ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒａｓｔｈｅｃｏｒｅ，ａｄｏｐｔＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＡＤＣ０８０４）ｔｏｃｈａｎｇｅｔｈｅａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌｉｎｔｏｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌ，ａｄｏｐｔＬＭ３５Ｄｖｏｌｔａｇｅｔｙｐｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｔｏｇａｔｈｅｒｔｈｅｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｒｅａｌｉｚｅｔｈａｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｈｏｗｓ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｐｏｒｔｓ．Ｉｔｉｓａｌｏｗｃｏｓｔｓｏｌｕｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｏｎｅ－ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｒｅａｌｉｚｅｏｆｗｉｄｅｑｕａｎｔｉｔｙｈｉｇｈ－ａｃｃｕｒａｃｙａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｄｅｂｕｇｇｅｄｂｙｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｗｈｅｎｔｈｉｓＣ－１００°Ｃｒａｎｇｅ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｅｒｒｏｒｉｓ±０．４°Ｃ．Ｉｔｈａｓｓｏｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｃｏｓｔｃｈｅａｐ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇｒｅｌｉ－ｓｙｓｔｅｍｓｕｒｖｅｙｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ０°ａｂｌｅ，ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｇｒｅａｔｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＴ８９Ｃ５１，ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｅｎｓｏｒｓ，Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＡＤＣ０８０４

１引言

在日常生活中经常需要监测环境温度，不同的环境对测量温度的范围要求不同。这里利用ＬＭ３５Ｄ实现了局部温度范围的监测。即利用电压型温度传感器ＬＭ３５Ｄ采集室温并产生

℃；温度范围为０℃－１００℃；电压为４－３０Ｖ，可直接用温控电路的电源，但要加一个隔离二极管及平滑电容Ｃ；精度为±１℃；最大线性误差为±０．５℃；静态电流为８０ｕＡ；输出电压接数字万用表

如表上读数２Ｖ直流电压挡，可读出分辨率为０．１℃的温度读数。

为２８７ｍＶ，即温度为２８．７℃。该传感器最大的特点是使用时无

需外围元件，也无需调试和校正（标定），把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器。

１０ｍｖ／℃的电压信号；采用Ａ／Ｄ转换器将放大后的模拟信号转

换为数字信号；实时显示转换后的室温；通过单片机实现高温、低温报警。经实验调试，用该方法对０－－１００℃范围的温度测量时，测量误差为＋０．４℃。

２系统硬件设计方案

ＬＭ３５Ｄ是精密集成电路温度传感器，线性好（１０ｍＶ／℃），宽量程（０℃－１００℃），它的输出电压与摄氏温度线性成比例，无需外部校准或微调来提供±０．４℃的常用的室温精度，编程时易于实现。

ＬＭ３５Ｄ采集到的微弱电压信号经过放大器ＯＰ０７放大十倍后送入Ａ／Ｄ转换器（ＡＤＣ０８０４）的输入端，ＡＤＣ０８０４将模拟信号转换为数字信号后传给ＡＴ８９Ｃ５１，通过编程实现高温

低温（１０℃），以及预置温度的控制，选用４个共阴极８（５０℃）、

段数码显示管（ＴＯＤ５２０１ＡＥ）用于动态显示当前测量温度。用单片机Ｐ１．４至Ｐ１．７驱动一片ＣＤ４５１１控制段码，Ｐ１．０至Ｐ１．２驱动一片７４ＬＳ１３８实现位选，驱动器ＣＤ４５１１使ＬＥＤ八段数码管

动态显示室温。

３．２放大电路

图１为系统的放大电路部分。ＬＭ３５Ｄ灵敏度为１０ｍＶ／℃，如果室温为２６℃，那么经ＬＭ３５Ｄ采集室温后得到的电压信号为０．２６ｍＶ，将此信号在整个硬件系统和软件系统中放大１００倍，之后将其送入驱动电路，即可在ＬＥＤ数码管上显示室温。ＬＭ３５Ｄ的输出端经过１５ｋ的电阻和１０μＦ的电容可使采集到的与温度成比例（１０ｍＶ／℃）的电压信号更加稳定；在放大电路中，取Ｒ６为１Ｋ是因为好计算放大倍数，Ｒ５用２０Ｋ的滑动变阻器使这个０．２６ｍＶ的微弱电压信号在０－－２０的放大倍数范围内可调，在此，将其放大１０倍，因此需要将Ｒ５调至１０Ｋ，这样经放大器ＯＰ０７放大后的６脚输出就为放大十倍的电压信号２．６Ｖ。

３传感器及放大电路

３．１电压型温度传感器ＬＭ３５Ｄ

ＬＭ３５Ｄ输出电压与摄氏温度成正比，其灵敏度为１０ｍＶ／

张建民：教授

项目资助：劳动与社会保障部；项目号：ＬＢ２００４０３

－

图１系统的放大电路部分

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脚由单片机的Ｐ２．７控制，系统中设置下限报警温度为１０℃，上限报警温度为５０℃。在软件设计中，当由ＡＤＣ０８０４采集到的温度超出１０－５０℃的范围时，令Ｐ２．７＝１则可实现蜂鸣器报警，如图３所示。

３．３Ａ／Ｄ转换电路

Ａ／Ｄ转换器的位数与被测量对象的精度有关。一般情况下，电路设计中Ａ／Ｄ转换器的分辨率要高于被测量对象的信号

最低分辨率。假如要测量一组电源电压，其电压的输出范围是

０－１０Ｖ，如要求精确到０．１Ｖ，即分辨率为０．１／１０＝０．０１＝１％。实际中选择８位的Ａ／Ｄ转换器便可满足要求，８位Ａ／Ｄ转换器的分辨率为１／２５６＝０．４％。并行接口的Ａ／Ｄ芯片目前仍占多数，流行的有ＡＤＣ０８０４、ＡＤＣ０８０９、ＡＤ５７４等等。本系统使用ＡＤＣ０８０４

来完成模拟信号向数字信号的转变。

ＡＤＣ０８０４的６脚为信号输入端，Ｒ３与Ｃ３接地通过ＡＤＣ０８０４的１９脚（ＣＬＫＲ）与４脚（ＣＬＫ）提供时钟信号。而ＡＤＣ０８０４是逐次逼近型８位Ａ／Ｄ模数转换器，８位Ａ／Ｄ转换器的分辨率为１／２５６＝０．４％。ＬＭ３５Ｄ的量程为０－－１００℃，如果采集到最高温度１００℃，那么由于ＬＭ３５Ｄ灵敏度为１０ｍＶ／℃以及经过放大器ＯＰ０７放大十倍，传到ＡＤＣ０８０４输入脚ＶＩ＋的电压信号为１０Ｖ，再经过下列过程放大５０倍：ＡＤＣ０８０４内部输入电压与基准电压存在着这样一个公式：（输入电压×２５６）／（基准电压×２）在硬件设计中，将基准电压调至２．５Ｖ，将ＶＩ＋＝１０Ｖ代入以上公式则可得ＡＤＣ０８０４的输出为１０Ｖ电压的２５６／５≈５０倍即５００倍的二进制数，将其送入单片机，再利用软件的方法将结果除以５便可达到目的，送入驱动电路使其显示出最大温度为１００℃，温度范围为０－－１００℃，由于８位Ａ／Ｄ转换器的分辨率为１／２５６＝０．４％，将最高温度设为１００℃的话，可得它的测量精度为１００／２５６＝±０．４℃。

图３报警电路

３．５单片机电路

高性能微控制器。系统应用电路ＡＴ８９Ｃ５１是一种低功耗、

如图４所示。Ｐ０端口（Ｐ０．０～Ｐ０．７）是一个８位双向Ｉ／Ｏ端口，它与ＡＤＣ０８０４的输出相接。Ｐ１端口（Ｐ１．０～Ｐ１．７），Ｐ２端口（Ｐ２．０～Ｐ２．７），Ｐ３端口（Ｐ３．０～Ｐ３．７）均是带有内部上拉电阻的８位双向Ｉ／Ｏ端口，其中，Ｐ１端口用于控制译码、驱动电路，ＷＲ、

读端，将其与ＡＤＣ０８０４的写、读端相连。ＲＤ分别为写、

技

术创新

图４ＡＴ８９Ｃ５１在电路中的应用

驱动电路３．６译码、

译码器７４ＬＳ１３８与共阴极ＬＥＤ数码管驱动器ＣＤ４５１１是由单片机的Ｐ１口控制的，其中，Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２与译码器的输入相接，Ｃ为高位，Ａ为地位。对四个共阴极数码管实现位选。在一个单片机系统中，对共阴极ＬＥＤ显示器的控制采用“接地方

引脚的电平高低来达到选通的式”，即通过控制ＬＥＤ的“ＧＮＤ”目的，该引脚即通常所说的位选线。例如：想要让第三位数码管工作，那么需要使Ｌ３的位选线接低电平来达到目的，也就是使译码器的输出中的Ｙ３为０，其他为１。本系统中，采用动态显示方式，因此，需要不断的片选，而共阴极ＬＥＤ显示器的发光二极管负极接地，当发光二极管的正极为高电平时，发光二极管被点亮。这就由ＣＤ４５１１来驱动，例如：要显示０字形时，需要ＬＥＤ显示器的８个发光二极管七个字段中的ａ，ｂ，“ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ”

图２Ａ／Ｄ转换电路

那么如果将最高温度设为５０℃，可得它的温度范围为０－－

５０℃，测量精度为５０／２５６＝±０．２℃。为了提高精度，将最高报警温

度设为５０℃。如果室温为２６℃，那么经放大电路放大后传到ＡＤＣ０８０４输入端ＶＩ＋的电压信号为２．６Ｖ，将其代入上公式则可得ＡＤＣ０８０４的输出为２．６Ｖ电压的２５６／５≈５０倍的二进制数，将其送入单片机，再利用软件的方法将结果除以５便可得送入驱动电路使其显示出的温度为２６℃。在这个转换电路中，ＡＤＣ０８０４起两个作用，一是将模拟量转换为二进制的数字量，二是将此输入信号在放大电路放大１０倍后再放大５０倍。经ＡＤＣ０８０４转换后的二进制数字信号通过ＤＢ０－－－ＤＢ７端传给单片机的Ｐ０口，供后面编程控制，使其缩小５倍，显示室温。ＩＮＴＲ

端为中断，当其为高电平时表示转换完成，之后，送中断信号给单片机，等待单片机发出信号接收转换好的数据。

ｃ，ｄ，ｅ，ｆ亮，那么，就需要ＣＤ４５１１输出中的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ为高

电平。这是ＣＤ４５１１芯片内部已设定好的。

由于测量室温的精度为０．２℃，因此，显示中会出现小数

点，在这里选用四个数码管，第一个备用，因为本系统选用的测温元件为ＬＭ３５Ｄ，测温范围为０～＋１００℃，当不需要很大精度时，可以通过软件将显示范围调到０～＋１００℃，也就是可以将上限报警温度设置为１００℃，这样，显示最高温度再加上小数点后一位，就是四位显示。为简单起见，显示电路中的第三个数码管

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３．４报警电路

单片机Ｐ２．７发出的电压信号需要放大才能带动蜂鸣器工作。Ｒ８使这个电压信号的放大倍数可调，此报警电路的输入引

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单片机开发与应用

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第２－２期

中的ｄｐ位可以将其接个２００Ω的电阻之后接＋５Ｖ电压，这样，当片选Ｌ３时，Ｌ３中的小数点便总是亮的。

４程序控制

本设计软件部分主要用来实现：

ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓ．（３００２２２天津工程师范学院）张建民杨旭

通讯地址：（３００２２２天津市天津工程师范学院电子工程系）张建民

（收稿日期：２００６．１２．１７）（修稿日期：２００７．１．１５）

１．设定测量温度的上下限，超过此温度报警；２．将数字信号进行十进制调整；

３．控制译码管及驱动器实现数码管动态显示。总程序流程图如图５所示。

（上接第２４３页）

在定时器超时的情况下被调用；其二，超时时向调用ＳｅｔＴｉｍｅ（）的窗口发送ＷＭ＿ＴＩＭＥＲ窗口消息，调用消息处理函数ＯｎＴｉｍｅｒ（）做相应处理。程序在视窗类中的ＯｎＯｐｔｉｏｎｓＧｏ（）函数中调用定时器设置函数。通过周期调用产生刀头不断旋转和走刀的动画效果。限于篇幅，消息响应函数不再一一详述实现过程，相关代码详见源程序。

５结论

本系统采用了执行松弛运算的图像复原和图像特征抽取的方法，提高了边缘检测的效果，实现了平滑去噪与抑制退化，为图像分割抽取出更为清晰的特征。该图像处理软件在ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０的开发平台下，通过ＩＦＳ中的图像访问子程序开发，并

技术创新

图５总程序流程图

将识别出的工件顶点以固定模式写入．ｔｘｔ格式的文本中。再以相同模式从该文本中读出顶点，并在ＰＣ机上以软件模拟仿真硬件的行为，提供的数控机床加工过程与实际加工过程基本一致，可由此预见加工过程中出现的种种问题。所采用的可去除噪声的ＧＮＣ算法中，非线性运算是成功的绝对要素，一个线性运算加上后续的适当非线性化，可以计算任意一种映像，这对于ＧＮＣ算法将用简单直接的神经元网络实现有着重要意义。随着数控机床向柔性化和无人化发展，功能集成化的水平更高地体现在工件自动定位等功能上。

本文作者创新点：

５结束语

本文介绍的单片机温度监控系统，将新型温度传感器

ＬＭ３５Ｄ、ＡＤＣ０８０４和ＡＴ８９Ｃ５１有机的结合起来，组成物美价廉

的小型环境温度监测系统，可以适用于室温监测，粮库温度，农作物大棚等各种相应场所的温度检测。该系统经过适当的扩展，可以实现多室温的监测，具有广阔的应用前景和实用价值。创新点：将新型温度传感器ＬＭ３５Ｄ、ＡＤＣ０８０４和ＡＴ８９Ｃ５１有机的结合起来，组成物美价廉的小型环境温度监测系统，可以适用于室温监测，粮库温度，农作物大棚等各种相应场所的温度检测。

１．本系统采用松弛算法，实践证实该算法是图像边缘检测

的优化算法，抽取出更为清晰的图像特征，可达到数控加工精度的要求。

刀２．本系统作为数控系统的视觉系统，可实现无夹具定位、具自寻位加工及无人诊断，应用于柔性制造系统可大大提高系统实时性，精确性及高效性。

参考文献：

［１］［美］ＭｉｃｈａｅｌＡ．Ｍｉｌｌｅｒ著．ＤａｔａａｎｄＮｅｔｗｏｒｋＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．

［２］张建海．基于单片机ＡＴ８９Ｓ８２５２与Ａ／Ｄ１６７４的数据采集［Ｊ］．微计算机信息，２００５，２：１２１－１２３．

朱月秀，王秀山．单片机基础［Ｍ］．北京：北京航空航天［３］李广弟，

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（１）［Ｍ］．北京：北京航空航天大［４］何立民．单片机应用技术选编

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赵志英，涂时亮．单片微型机原理、应用与实验［Ｍ］．上［５］张友德，

海：复旦大学出版社，１９９２［６］余永权，ＡＴＭＥＬ８９系列ＦＬＡＳＨ单片机原理及应用［Ｍ］．电子工业出版社，２００１．

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刘洪梅．新型通用集成电路实用技术［Ｍ］．北京：国防［８］何希才，

工业出版社，１９９７．

作者简介：张建民，天津工程师范学院电子工程系，教授，主要研究方向：信号处理理论及应用；杨旭，男，汉族，１９６８年生，高

级实验师，硕士在读，主要研究方向：嵌入式系统应用。

参考文献：

柔性制造系统中组合夹具研究［Ｄ］，《先进制造技术［１］李伯儒等，

论文》，ｗｗｗ．ｅ－ｗｏｒｋ．ｂｊ．ｃｎ．

图象处理［Ｍ］，科学出版社，［２］孙即祥，２００４．

［３］王俊修．用ＶＣ＋＋．Ｎｅｔ实现退化图像的恢复［Ｊ］．微计算机信息，２００４，４：８２．

作者简介：邓莎萍，女，１９８４．３，汉，西安建筑科技大学在读硕士。研究方向：嵌入式系统及软件开发，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙｎｔｈｉａ＿ｄｓｐ＠１６３．ｃｏｍ；吴晓君，女，１９６４年１１月生，西北工业大学硕士，专业方

向：先进制造系统；在西安建筑科技大学机电学院从事先进制造系统的研究和教学工作。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＰｒｏｆｅｓｓｏｒＺｈａｎｇＪｉａｎｍｉｎｉｓａｔｅａｃｈｅｒａｎｄｉｓｗｏｒｋｉｎｇａｔｔｈｅｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｄｕｃａｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｈｉｍｔｏ－

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＤｅｎｇＳｈａｐｉｎｇ，ｆｅｍａｌｅ，ａｍａｓｔｅｒｏｆＸｉ＇ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎ：ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓ－ｔｅｍａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．（７１００５５西安建筑科技大学）邓莎萍吴晓君张云（７５００２１银川市宁夏大学）丁莉君

通讯地址：（７１００５５西安市西安建筑科技大学３４１信箱）邓莎萍

（收稿日期：２００６．１２．１７）（修稿日期：２００７．１．１５）

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