數(shù)字溫度計正式版2

1、 電子技術(shù)課程設(shè)計報告題 目 數(shù)字溫度計 學(xué)院名稱 船山學(xué)院 指導(dǎo)教師 王旭東 班 級 電子信息工程01班 學(xué) 號 20139470108 學(xué)生姓名 劉功元 2016年 1 月 7 日目錄1.設(shè)計任務(wù)與要求11.1設(shè)計說明11.2設(shè)計要求12.設(shè)計思路和方案的選擇23.原理及其電路組成43.1傳感電路43.2 A/D轉(zhuǎn)換電路63.3 數(shù)碼管顯示電路114.調(diào)試與總結(jié)124.1 調(diào)試與測量數(shù)據(jù)124.2 設(shè)計總結(jié)125.心得體會146. 參考文獻15附錄一 ：設(shè)計電路總圖與仿真16附錄二 ：實物圖17附錄三 ：元器件清單191.設(shè)計任務(wù)與要求 1.1設(shè)計說明溫度是非電量模擬信號，數(shù)字顯示溫度就必

2、須將這一非電量信號轉(zhuǎn)換成電量（電壓或電流），然后將模擬電信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后經(jīng)譯碼顯示器顯示溫度值。 溫度傳感器精密放大器A/D轉(zhuǎn)換器譯碼顯示電路圖1.1.1 數(shù)字溫度計框圖 1.2設(shè)計要求 1.2.1基本部分 （1）自制穩(wěn)壓電源 （2）被測溫度范圍0200°C。 （3）直接用數(shù)字電壓表顯示溫度值，可直接讀出01999°C。 也可以用4位數(shù)碼管顯示溫度值。 1.2.2其它說明： （1）一人完成，直接用數(shù)字電壓表顯示溫度值，難度系數(shù)為 0.9； 用4位數(shù)碼管顯示溫度值，難度系數(shù)為1.1。 （2）實驗時驗證三個值：冰瓶0°C、環(huán)境溫度、100°C

3、沸水。2.設(shè)計思路和方案的選擇 拿到這個題目之后從網(wǎng)上和書本上查閱了很多資料，經(jīng)過總結(jié)后提出了以下兩種方案： （1） 方案一：使用數(shù)字傳感器采集溫度信號，然后將被測溫度的電壓或電流采集過來，用運算放大器（OP-07)放大到合適的倍數(shù)，然后在用ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字進行編碼，然后在經(jīng)過譯碼器通過7段數(shù)碼顯示管顯示出來。7段數(shù)碼管顯示溫度 譯碼器編碼器A/D轉(zhuǎn)換ADC0809信號處理放大電路數(shù)字式溫度傳感器 圖1.1系統(tǒng)方案框圖 圖2.1.1 系統(tǒng)方案框圖（2） 方案二:使用LM35做溫度傳感器，再用ICL7107這個芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后再驅(qū)動7段的數(shù)碼顯示管進行顯示。溫度顯

4、示數(shù)碼管驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換ICL7107LM35溫度傳感器 圖2.1.2 系統(tǒng)方案框圖方案分析：如果使用方案一的話功能可以實現(xiàn)，但是里面芯片很多，做起來線路比較復(fù)雜，容易出錯，而且不易修改線路，而且ADC0809這個芯片要使其工作的話必須要一個500KHZ的時鐘脈沖信號，這樣的話就又要用555電路來產(chǎn)生一個500KHZ的時鐘脈沖信號，然后又要編碼器又要譯碼器，電路做起來十分繁瑣，而ICL7107里包含了3又1/2位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓，獨立模擬開關(guān)，邏輯控制，顯示驅(qū)動，自動調(diào)零功能等，而LM35是直接將溫度轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出，所以只需要很簡單的外圍電路就可以

5、實現(xiàn)數(shù)字溫度的顯示了，電路相對于方案一簡單了很多，綜合起來，所以決定選用方案二。3.原理及其電路組成 數(shù)字溫度計的設(shè)計原理圖見附錄1。它通過LM35對溫度進行采集，通過溫度與電壓近乎線性關(guān)系，以此來確定輸出電壓和相應(yīng)的電流，不同的溫度對應(yīng)不同的電壓值，故我們可以通過電壓電流值經(jīng)過放大進入到A/D轉(zhuǎn)換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表示出來。3.1傳感電路LM35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。因而，從使用角度來說，LM35與用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，LM35無需外部校準或微調(diào)，可以提供±1/4的常用的室溫精度。LM35具有以下特點

6、：（1）工作電壓：直流430V；（2）工作電流：小于133A（3）輸出電壓：+6V-1.0V（4）輸出阻抗：1mA 負載時0.1；（5）精度：0.5精度（在+25時）；（6）漏泄電流：小于60A；（7）比例因數(shù)：線性+10.0mV/；（8）非線性值：±1/4；（9）校準方式：直接用攝氏溫度校準；（10）封裝：密封TO-46 晶體管封裝或塑料TO-92 晶體管封裝；（11）使用溫度范圍：-55+150額定范圍LM35的封裝圖： 圖3.1.1 LM35封裝圖LM35溫度傳感器直接把溫度轉(zhuǎn)換成電壓的形式輸出，它的溫度與電壓成線性關(guān)系： Vout LM35（T）=10mV/×T 由

7、上述公式可以得知溫度每上升1攝氏度，電壓升高10mV。而且它有兩種供電方式，一種是單電源模式 ，正負雙電源模式： 圖a單電源模式 圖b正負雙電源模式而我們這里采用單電源模式供電，這樣我們的溫度采集模塊就做好了，下面是我們的原理圖： 3.1.2 溫度采集電路原理圖3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 ICL7107是高性能、低功耗的三位半AD轉(zhuǎn)換器，同時包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。ICL7107可直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管。ICL7107將高精度、通用性和真正的低成本很好的結(jié)合在一起，它有低于10uV的自動校零功能，零漂小于1uV/，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個字。真正的差

8、動輸入和差動參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測量負載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時會有更突出的特點。ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖3.2.1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。圖3.2.1 ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖控制器的作用有三個：第一，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。第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負號顯示。第三，當輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，使千位顯示“1"

9、 ，其余碼全部熄滅。 釣鎖存器用來存放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 。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。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如圖3.2.2所示圖3.2.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖ICL7107AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖3.2.3所示。圖3.2.3 ICL7107管腳排列ICL7107引腳功能介紹： 1.V+和V-分別為電源的正極和負極， 2.au-gu,aT-gT,aH-gH：分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應(yīng)筆畫電極。 3.Bck：千位筆畫驅(qū)動信

10、號。接千位LEO顯示器的相應(yīng)的筆畫電極。 4.PM：液晶顯示器背面公共電極的驅(qū)動端，簡稱背電極。 5.Oscl-OSc3 ：時鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據(jù)下列公式來決定：Fosl = 0.45/RC 6.COM ：模擬信號公共端，簡稱“模擬地”，使 用時一般與輸入信號的負端以及基準電壓的負極相連。 7.TEST ：測試端，該端經(jīng)過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”。 8.VREF+ VREF- ：基準電壓正負端。 9.CREF：外接基準電容端。 10.INT：27是一個積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積

11、分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件 11.IN+和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負端。 12.AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容CAz 。如果應(yīng)用在200mV滿刻度的場合是使0.47F，而2V滿刻度是0.047F。 13.BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。其輸出級的無功電流( idling current )是100A，而緩沖器與積分器能夠供給20A的驅(qū)動電流，從此腳接一個Rint至積分電容器，其值在滿刻度200mV時選用47K，而2V滿刻度則使用470K。ICL7107工作原理： 1.時鐘信號源的標準周期Tc 作為測量時間間隔的標準時間。它是由內(nèi)部的兩

12、個反向器以及外部的RC組成的。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。 2.它包括積分器、比較器、計數(shù)器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準電壓進行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信一號。 3.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。分頻器用來對時鐘脈沖逐漸分頻，得到所需的

13、計數(shù)脈沖fc和共陽極LED數(shù)碼管公共電極所需的方波信號fc。 4.譯碼器為BCD-7段譯碼器，將計數(shù)器的BCD碼譯成LED數(shù)碼管七段筆畫組成數(shù)字的相應(yīng)編碼。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。 5.控制器的作用有三個：第一，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。第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負號顯示。第二，當輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，使千位顯示“1" ，其余碼全部熄滅。 6.釣鎖存器用來存放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 。它的每個測量周期自動調(diào)零（AZ）

14、、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。ICL7107芯片參數(shù)如下圖：電源電壓ICL7107V+ to GND6V溫度范圍0 to 70ICL7107V- to GND9V熱電阻PDIP封裝QJA(/W)50MQFP封裝80模擬輸入電壓V+ to V-最大結(jié)溫150參考輸入電壓V+ to V-最高存儲溫度范圍-65 to 150時鐘輸入GND to V+ 圖3.2.4 芯片參數(shù)表 其工作的外圍電路圖如下： 圖3.2.5 芯片外圍電路圖3.3 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極是把所有LED的陽極連接到共同接正極，而每一LED的陽極分別為a,b,c,d,e,f,g及

15、sp（小數(shù)點），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.3.1所示。 a GbcdefgSP 圖3.3.1 共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在本次設(shè)計當中，由于ICL7107的特點，它只能驅(qū)動共陽極數(shù)碼管，故我們要選用共陽極七段數(shù)碼管。在連接數(shù)碼管時，我們要注意數(shù)碼管各個管腳所對應(yīng)的字母，不能接錯或接漏。7段共陽極數(shù)碼管的引腳圖： 圖3.3.2 數(shù)碼管引腳圖4.調(diào)試與總結(jié) 4.1 調(diào)試與測量數(shù)據(jù) 我們要通過調(diào)試電路來發(fā)現(xiàn)設(shè)計電路的相關(guān)內(nèi)容。（1）按照電路圖對相關(guān)元件進行連接，其中注意芯片各管腳的作用以及該如何進行接線。（2）當上步驟完成后，接通電源，觀察數(shù)碼管和二極管是否亮，若不亮?xí)r，要對電路電源進行檢測，看是否線路接觸

16、不良或者電路短路。（3）（2）完成之后，觀察數(shù)碼管是否顯示數(shù)值，然后改變LM35的溫度值，觀察數(shù)碼管是否隨著溫度變化而變化。（4）若數(shù)碼管數(shù)值與溫度值相差太大，則要檢查信號采集電路中各元件值是否對。為了驗證設(shè)計電路的正確性以及它的實驗數(shù)據(jù)，我們對實物進行驗證。用帶有溫度測量的數(shù)字萬用表和本次設(shè)計的電路對相同溫度下物體進行相應(yīng)的測量并繪成表格進行比較。如表4.1.1。測量工具測量環(huán)境數(shù)字萬用表數(shù)顯溫度計室溫13.513.4冰箱溫度0.00.2溫水袋39.638.5 表4.1.1 萬用表與設(shè)計電路數(shù)據(jù)的比較 由上表的數(shù)據(jù)可以得出，本系統(tǒng)的誤差<1,分辨率為0.1。4.2 設(shè)計總結(jié) 這次課程設(shè)

17、計剛開始的時候，只是從網(wǎng)上搜了個大概的電路圖，連仿真都沒有做就直接開始焊電路了，所以第一次做出來的東西根本不能用，連顯示都不能顯示，然后我就去查資料，查了很多關(guān)于LM35傳感器和ICL7107的資料，看他們是怎么工作的，但是第二次焊出來的實物還是不能用，然后我就去問同學(xué)，查看了網(wǎng)上別人做的，之后終于知道為什么了，原因就是ICL7107的基準電壓問題，還有就是元器件的選擇，因為芯片里面有積分電路，所以有幾個電容不能用瓷片電容，這兩點一定要特別注意，還有就是因為數(shù)碼管和芯片的引腳比較多，焊電路的時候一定要小心，不能虛焊和錯焊，還有就是供電問題，LM35和ICL7107要分別用兩組5V電池供電，這樣

18、電路才能正常工作。5.心得體會數(shù)電課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.回顧起此次課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在短短的兩個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次數(shù)電課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做數(shù)電課程設(shè)計，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過實習(xí)，我才真正領(lǐng)略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識到老一輩電子設(shè)計為我們的社會付出。我想說，設(shè)計確實有些辛苦，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機會能有實踐的機會。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論