溫度測量數(shù)控顯示儀的設(shè)計實現(xiàn) 實驗報告

1、電子電路綜合設(shè)計實驗選題三 溫度測量數(shù)控顯示儀的設(shè)計實現(xiàn)姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師：摘要溫度測控是日常生活和工程領(lǐng)域經(jīng)常需要解決的問題，在冷庫、制冷設(shè)備、糧食儲備精度要求等不特別高的場合，經(jīng)常采用鉑電阻來實現(xiàn)溫度的采集與控制調(diào)節(jié)。本設(shè)計實現(xiàn)了溫度測量數(shù)控顯示儀，其溫度測量范圍為-50到200，精度為±1。采用pt100作為溫度傳感器，通過將其接入到放大器的反饋環(huán)節(jié)，將其采集的電阻量轉(zhuǎn)化為電壓量，同時采用3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7107完成模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的功能，ICL7107可以直接驅(qū)動和控制數(shù)碼管，只需接簡單的外圍電路，即可實現(xiàn)顯示控制，電路簡單，成本低廉。經(jīng)

2、測試，此設(shè)計運行穩(wěn)定，性能良好。1、選題背景、目的與任務(wù)1.1選題背景由于傳統(tǒng)的溫度測量儀器響應(yīng)慢、精度低、可靠性差、效率低下，已經(jīng)不能適應(yīng)高速發(fā)展的現(xiàn)代化工業(yè)。隨著傳感器技術(shù)和電子測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，以單片機為主的嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，新型的電子測溫儀器不僅操作簡單，而且精度比傳統(tǒng)儀器有很大提高。在冷庫、制冷設(shè)備、糧食儲備精度要求等不特別高的場合，經(jīng)常采用鉑電阻來實現(xiàn)溫度的采集與控制調(diào)節(jié)。1.2設(shè)計目的1、 了解溫度采集傳感器pt100的工作原理，掌握其工程設(shè)計實用方法2、 掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換、電阻電壓轉(zhuǎn)換及數(shù)碼顯示電路的設(shè)計構(gòu)建方法3、 掌握電子電路系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，培養(yǎng)提高綜合利用

3、多學(xué)科相關(guān)知識進行初步工程設(shè)計與實際裝調(diào)系統(tǒng)電路的能力1.3設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個可在一定溫度范圍進行溫度測量與控制的溫度測量數(shù)顯控制儀。該儀器測量溫度的范圍為-50-200，能夠?qū)囟戎颠M行數(shù)字顯示（可顯示溫度測量值和設(shè)定溫度值兩種），其測量誤差為±1。當超過某一設(shè)定溫度上限值時（如30），能聲光報警，并啟動風扇。2、系統(tǒng)概述2.1基本框圖系統(tǒng)基本框架如圖2.1圖2.1 系統(tǒng)基本框架為了實現(xiàn)框圖功能，提出了兩種設(shè)計方案方案一：采用pt100作為溫度傳感器， ICL7107作為A/D轉(zhuǎn)換與控制顯示主芯片，ICL7107是高性能，低功耗的三位半的A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接驅(qū)動LED。電路簡單，集

4、成度高，價格低廉。方案二：采用pt100作為溫度傳感器，運用STC89C51作為主控芯片，A/D轉(zhuǎn)換采用AD0804,采集的溫度經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片后送入單片機處理，后經(jīng)LED驅(qū)動芯片驅(qū)動數(shù)碼管顯示。綜合考慮上述兩種方案，選擇了方案一。3.單元電路設(shè)計與分析3.1 硬件電路設(shè)計3.1.1 方案總框圖圖3.1是ICL7107與pt100組成的測溫系統(tǒng)的總框圖圖3.1系統(tǒng)總框圖3.1.2溫度采集與電阻電壓轉(zhuǎn)換部分溫度采集采用的是熱敏電阻pt100，pt100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。pt100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當pt100溫度為0時它的阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為13

5、8.5歐姆。它的工業(yè)原理：當pt100在0攝氏度的時候它的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。圖3.2是pt100分度表溫度-50-250255075電阻80.3190.19100109.73119.40128.98溫度100125150175200電阻138.50147.94157.31166.61175.8圖3.2 pt100分度表電阻電壓轉(zhuǎn)換部分采用的是LM324運放, LM324是四運放集成芯片，可以用作放大器，濾波器，電壓比較器等，由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等特點，因此它被非常廣泛的應(yīng)用在各種電路中。圖3.2為L

6、M324的芯片管腳圖圖3.3 LM324管腳圖圖3.4為所設(shè)計的溫度采集與電阻電壓轉(zhuǎn)換電路圖3.4 溫度采集與電阻電壓轉(zhuǎn)換電路這部分設(shè)計思路：當加入正5V電壓時，二極管IN60導(dǎo)通，通過測試，此時二極管兩端電壓為0.3V,因此正向輸入為0.3V電壓。pt100接到放大器的反饋環(huán)節(jié)，當溫度為-50時，pt100電阻為80.31，運放輸出電壓為U=(1+80.31/33)*0.3=1.03V當溫度為200時，pt100電阻為175.8，運放輸出電壓為 U=(1+175.84/33) ×0.3=1.90V所以在-50 200時，運放的輸出電壓為1.031.90V之間。在電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路后

7、，接一電壓跟隨器，提高帶負載的能力。電壓跟隨器輸出的電壓作為比較器的反相輸入，正向輸入由電位器與定值電阻組成，通過調(diào)節(jié)電位器，即可以改變正向輸入到比較器的電壓，正向輸入端作為溫度上限值的設(shè)置端口。當電壓比較器的反相輸入值大于正向輸入值時，電壓比較器輸出端輸出低電平，從而驅(qū)動蜂鳴器響，發(fā)光二極管亮，這樣就實現(xiàn)了電阻電壓的轉(zhuǎn)換。3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)碼管顯示部分采用了美國Harris公司ICL7107,其特點如下：1.ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMOS大規(guī)模集成電路，它的最大顯示值為士1999，最小分辨率為100uV，轉(zhuǎn)換精度為0.05士1 個字。2.能

8、直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，使整機線路簡化，采用士5V兩組電源供電。3. 在芯片內(nèi)部從V+與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準電壓VREF 。 4.能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實現(xiàn)自動調(diào)零和自動極性顯示功能。5. 輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用。6.整機組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管，就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭。7. 噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長。8. 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。9. 不設(shè)有一專門的小數(shù)點驅(qū)動信號。使用時可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共陽極接V+。10. 可以方便的

9、進行功能檢查。圖3.5為其引腳圖圖3.5 ICL7107引腳圖圖3.6 ICL7107轉(zhuǎn)換原理圖ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖3.6所示。其中計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進行計數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應(yīng)筆畫的方波。控制器的作用有三個：識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使各模擬開關(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進行；識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負號顯示；當輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，使千位顯示1，其它碼都熄滅。 鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動LED

10、。它的每個測量周期自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。圖3.7是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖圖3.7雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖圖3.8為ICL7107的設(shè)計部分，ICL7107集成度高，使用簡單，通過接一些簡單的外圍電路即可實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能，通過調(diào)節(jié)兩個電位器，使得輸入為1.03V時，顯示為-50，輸入為1.90V時，顯示為200，從而達到測溫范圍在-50-200的要求。圖3.8 ICL7107設(shè)計部分3.1.4 數(shù)碼管顯示圖3.9 共陽數(shù)碼管引腳圖本設(shè)計用4個1位8段共陽數(shù)碼管，數(shù)碼管內(nèi)部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗

11、組合成字符。共陽數(shù)碼管的公共端接VCC,其它管腳根據(jù)需要給出低電平，共陽數(shù)碼管可以不接上拉電阻。數(shù)碼管的管腳接到相應(yīng)ICL7107的管腳上，實現(xiàn)相應(yīng)的控制。3.1.5 整體硬件設(shè)計兩部分直接用自鎖開關(guān)連接，當自鎖開關(guān)按下時，數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度值，當自鎖開關(guān)彈起時，顯示測量溫度。圖3.10 總體設(shè)計圖3.2 電路仿真電路仿真部分用的是proteus軟件，仿真電路如圖3.11,芯片ICL7107采用proteus元件庫中的TC7107替代。由于proteus中的TC7107的30腳和32腳不能與電源共地，導(dǎo)致仿真與實際設(shè)計的電路有一些差別。圖3.11 proteus仿真電路4、安裝調(diào)試及測量數(shù)據(jù)分

12、析4.1 硬件焊接問題本次實驗用到4位數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管每個有10個管腳，并且與ICL7107上的引腳位置對應(yīng)不整齊，為焊接帶來了很大的麻煩，在板子上飛了很多根線。在調(diào)試過程中，無論怎么調(diào)節(jié)滑動變組器，數(shù)碼管顯示的數(shù)值都達不到要求，也換過電位器旁邊的電阻，依然達不到要求。這種情況下，只能仔細檢查電路，看有沒有焊錯，虛焊，漏焊的地方，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)問題，由于板子焊的比較亂，具體問題找不出，所以我決定重新畫一塊板子，在畫板子的時候認真布局，避免飛線，力求板子小且實用，以避免飛線太多給焊接帶來的麻煩，在畫好板子之后，找好元件，每個元件在插上之前都要測量其阻值以及是否壞了等因素，沒有問題了就插上元件，重

13、新進行調(diào)試，轉(zhuǎn)動電位器，發(fā)現(xiàn)達到了要求。4.2 硬件測試測試步驟：1. 將板子焊好后，用萬用表檢測電路是否導(dǎo)通，由于腐蝕出的板子有的時候看上去連上了，但實則不是很結(jié)實，導(dǎo)線在中間有斷的地方，但是不明顯，時而看不出來，所以一般要用焊錫將導(dǎo)線在鍍一遍，以確保沒有問題。2. 檢查電源，以及電源引線，看電源工作是否正常，引線是否壞，沒有問題了，將電源小心接上，注意不能接錯。3. 此時數(shù)碼管上已經(jīng)有了數(shù)值顯示，表明板子基本好使，電路沒有問題，接下來，將一個200歐姆的電位器插到pt100的位置，調(diào)節(jié)電位器，使之達到80.31歐姆，這時要調(diào)節(jié)ICL7107端的兩個470歐姆的電位器，使得數(shù)碼管顯示為-50

14、，調(diào)好之后，再將200歐姆電位器調(diào)節(jié)到175.84歐姆，同樣調(diào)節(jié)ICL7107端的兩個470歐姆的電位器，使得數(shù)碼管顯示為200。這些滿足要求后，再將調(diào)好的80.31歐姆電阻換上，看還是否為-50，若有改變，則再微調(diào)兩個470歐姆電位器，如此反復(fù)，直到達到要求為止。4. 將pt100接上，測室溫，數(shù)碼管顯示24，由于沒有溫度計，沒有測真實室溫做對比。5. 將自鎖開關(guān)按下，進入設(shè)定溫度的方式，調(diào)節(jié)470歐姆電位器，使得數(shù)碼管顯示30，之后讓自鎖開關(guān)彈起。6. 用手握住pt100，數(shù)碼管顯示溫度在上升，在溫度上升到30時，發(fā)光二極管亮，蜂鳴器響，達到實驗要求。5、設(shè)計總結(jié)5.1 設(shè)計遇到的問題及解

15、決方案在設(shè)計中我主要遇到了兩個問題1.板子開始焊上以后怎么也不好使，查了很多遍，改了很多遍，還是不知道哪里的問題，最后通過自己畫電路板解決了這個問題，焊接能力有待提高，細心度不夠2.電路上有兩個電阻值不對，一開始接上調(diào)不出來，后來通過和同學(xué)的討論和自己研究電路，改了正確的阻值，解決了問題。5.2 設(shè)計中需要改進的地方可以在溫度超過設(shè)定溫度的時候，啟動風扇降溫，這樣在實際應(yīng)用中更加的保險，確保人們的安全5.3 設(shè)計的收獲和體會這次電子綜合實驗我學(xué)到了很多的東西，首先，從專業(yè)知識來講，我又重新的拾起了模擬電子線路的知識，同時，了解了新的芯片ICL7107，老師說這個芯片在工程上常用，并且用處很廣。在個人能力方面，通過自己查閱芯片的PDF，一點點的了解芯片的原理及使用方法，我覺得自己也在不斷地進步，實踐與自主的能力在不斷的提高，在焊接部分雖然出現(xiàn)了一些問題，很郁悶，但是卻有機會畫了一塊電路板，這是對自己以前學(xué)習protel的一次鞏固，也是