簡易數(shù)字溫度計設(shè)計

..>課程設(shè)計任務(wù)書2015—2016學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)：****：課程設(shè)計名稱：電子技術(shù)課程設(shè)計設(shè)計題目：簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計完成期限：自2016年6月13日至2016年6月26日共2周一、設(shè)計依據(jù)本課題要求利用電子技術(shù)相關(guān)知識設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)±℃精度的數(shù)字溫度計。電路由溫度采集電路、數(shù)字頻率計電路和LED顯示電路構(gòu)成。通過本課題練習(xí)，學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力、設(shè)計能力將有較大提高，對今后從事電子產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、經(jīng)營維修等打下根底。二、主要內(nèi)容及要求主要內(nèi)容：1、給出詳細(xì)的總體設(shè)計方案；2、完成各局部具體功能電路設(shè)計，主要包括基于熱敏電阻的溫度信號采集電路、555振蕩電路、頻率計電路、LED顯示電路設(shè)計；3、給出正確的電路圖，仿真、調(diào)試驗證各局部設(shè)計的正確性；4、整理設(shè)計成果，完成課程設(shè)計說明書的撰寫。要求所設(shè)計數(shù)字溫度計的輸出溫度的范圍-20～+45℃、誤差范圍±℃，具體溫度顯示采用數(shù)碼管實現(xiàn)。三、途徑和方法利用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的相關(guān)知識設(shè)計一個數(shù)控溫度計，可以先查閱相關(guān)資料〔網(wǎng)上查找或參考相關(guān)書籍手冊〕，明確課題的方向和目的，然后學(xué)習(xí)完成課題所需的理論知識，了解溫度信號采集電路、555振蕩電路、頻率計電路、LED顯示電路設(shè)計的工作原理；在理解的根底上確定設(shè)計電路方案，完成電路設(shè)計，畫出原理圖及PCB印制幅員，通過仿真分析驗證設(shè)計的正確性，最后提交課程設(shè)計說明書一份。四、時間安排課題講解：2小時閱讀資料：10小時撰寫設(shè)計說明書：12小時修訂設(shè)計說明書：6小時五、主要參考資料[1]*麗霞.數(shù)字電子技術(shù)[M].:高等教育,2006:174-196.[2]楊素行.模擬電子技術(shù)根底簡明教程[M].：高等教育,2007:40-92.[3]高桔祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程-根本技能訓(xùn)練與單元電路設(shè)計[M].:電子工業(yè),2007:24-57.[4]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程[M].:電子工業(yè),2005.1:43-66.[5]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].:高等教育,2002.12:37-228.[6]陳永甫.新編555集成電路應(yīng)用800例[M].:電子工業(yè)出版,2000:80-130.[7]蕭寶瑾.protel99SE操作指導(dǎo)與電路設(shè)計實例〔第一版〕[M].：**理工大學(xué)，2004：198-230.[8]張義申，陸坤.電子設(shè)計技術(shù)[M].:電子科技大學(xué)出版,1996:48-62.指導(dǎo)教師〔簽字〕：教研室主任〔簽字〕：批準(zhǔn)日期：年月日簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計摘要溫度在現(xiàn)實生活中起著相當(dāng)重要的作用，在電子科技越來越興旺的當(dāng)今時代，工業(yè)生產(chǎn)中對溫度的測量又有了更準(zhǔn)確的要求。在本次簡易數(shù)字溫度計的課程設(shè)計中，將采用基于熱敏電阻的溫度信號采集，用NE555多諧振蕩電路將溫度轉(zhuǎn)化成頻率輸入頻率計中，用CD40110驅(qū)動數(shù)碼管直接實現(xiàn)數(shù)字信號的顯示，實現(xiàn)數(shù)字溫度的設(shè)計。省去了另加編碼器和譯碼器的設(shè)計，所以線路更加簡單，直觀。為了實現(xiàn)課程要求，溫度范圍要控制在-20℃~+45℃，溫度誤差要控制在+℃；因此，電路的設(shè)計合理度就尤為重要，這次設(shè)計中電路的設(shè)計模塊有四個核心電路構(gòu)成。四個核心電路為：溫度轉(zhuǎn)換為頻率電路、頻率顯示電路、555振蕩電路、譯碼顯示電路。關(guān)鍵詞：熱敏電阻，NE555多諧振蕩器，CD40110,頻率計，譯碼顯示..>目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論3課題描述31.2根本工作原理及總體框圖32硬件芯片及元器件說明32.1555芯片32.1.1555的工作原理32.1.2555的各個引腳功能32.1.3555的功能介紹32.2CD4017芯片32.3CD40110芯片32.4元器件介紹33電路硬件模塊設(shè)計3溫度轉(zhuǎn)換成頻率電路設(shè)計33.1.1NE555工作原理介紹33.1.2NE555引腳及符號說明3頻率顯示電路設(shè)計3放大整形電路設(shè)計33.2.2555振蕩電路3譯碼顯示電路34仿真調(diào)試34.1溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率電路測試3放大整形電路的測試34.3振蕩電路測試3..>5總體電路3總結(jié)13致14參考文獻(xiàn)15..>1緒論課題描述本課題的目的為設(shè)計一個簡易數(shù)字溫度計，本課題要求設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)±℃精度的數(shù)字溫度計，并要求輸出溫度范圍為-20～+45℃。利用相關(guān)的電子技術(shù)知識實現(xiàn)本次課程設(shè)計的整個過程，包括查閱資料，參考書籍文獻(xiàn)；首先形成對本次課題的設(shè)計思路，包括需要選用的電路和元器件，所選用的電路要嚴(yán)格按照課程設(shè)計任務(wù)書的要求；下一步要對各個電路模塊進(jìn)展原理圖設(shè)計以及電路仿真，此過程中會用到Protel制圖軟件和Multisim仿真軟件來實現(xiàn)局部結(jié)果。1.2根本工作原理及總體框圖本次設(shè)計采用溫度頻率轉(zhuǎn)變電路，根據(jù)溫度與頻率的線性關(guān)系先將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率，將轉(zhuǎn)換的頻率輸入頻率計中，頻率計電路中通過放大整形路、主門電路、計數(shù)器、鎖存器、七段譯碼輸出，在七段顯示器中將頻率顯示出來，顯示的頻率即為對應(yīng)的溫度值。它用熱敏電阻采集溫度信號，用NE555將溫度轉(zhuǎn)化為頻率輸入頻率計中，用CD40110驅(qū)動數(shù)碼管直接實現(xiàn)數(shù)字信號的顯示，實現(xiàn)數(shù)字溫度計的設(shè)計；省去了另加編碼器和譯碼器的設(shè)計，所以線路更簡單、直觀。總體框圖如圖1所示。圖1整體工作框圖..>2硬件芯片及元器件說明2.1555芯片2.1.1555的工作原理它有五個局部組成：電阻分壓器：由三個5KΩ的電阻串聯(lián)構(gòu)成，為電壓比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電壓；電壓比較器：由C1和C2組成，提供的基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc.TH為C1的反相輸入端，也稱為555的高觸發(fā)端，TR非為C1的反相輸入端，也為555的低觸發(fā)端；根本RS觸發(fā)器：具有置零，置一，保持和無效四個工作狀態(tài)，正常工作時，電壓比較器C1和C2的輸出端分別為RS觸發(fā)器的置零和置一輸入端。放電管VT：總是與輸出端u0的狀態(tài)相反，當(dāng)Q=u0=1時，放電管截至；當(dāng)Q=u0=0時，放電管導(dǎo)通，電容開場放電；緩沖器：主要是提供電路的帶負(fù)載能力。555定時器的原理圖如圖2所示。圖2555定時器原理圖2.1.2555的各個引腳功能1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5~16V，CMOS型時基電路VCC的范圍3~18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo，2腳：低觸發(fā)6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不管TR和TH處于何電平，時基電路輸出為"0〞，該端不用時應(yīng)接高電平，5腳：VC為控制電壓端。假設(shè)此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只μF電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。2.1.3555的功能介紹不難看出555的輸入和輸出具有反相特性，并且輸出端Q與放電管D有著相反的狀態(tài)；規(guī)律為輸入端都高：u0=0，VT導(dǎo)通；都低：u0=1，VT截至；中間狀態(tài)：u0保持，VT保持。555的真值表如表1所示。表1555的真值表2.2CD4017芯片CD40175位Johnson計算器，具有10個譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH為低電平時，計算器在時鐘上升沿計數(shù)；反之，計數(shù)功能無效。CR為高電平時，計數(shù)器清零。Johnson計數(shù)器，提供了快速操作，2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應(yīng)時鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10個時鐘輸入周期CO信號完成一次進(jìn)位，并用作多級計數(shù)鏈的下級脈動時鐘。CD4017的引腳圖如圖3所示。圖3CD4017的引腳圖2.3CD40110芯片CD40110能完成十進(jìn)制的加法、減法、進(jìn)位、借位等計數(shù)功能，并能直接驅(qū)動小型七段LED數(shù)碼管，其邏輯功能見表1，其引腳排列如圖1〔a〕所示。R〔5腳〕為清零端，R＝1時，計數(shù)器異步清零。CP為時鐘端，CPu〔9腳〕為加法計數(shù)時鐘，CPD〔7腳〕為減法計數(shù)時鐘。Qco〔10腳〕加計數(shù)進(jìn)位輸出，QBO〔11腳〕減計數(shù)借位輸出。TB〔4腳〕為觸發(fā)器使能端，TE＝0時，計數(shù)器工作，TE＝1時，計數(shù)器處于制止?fàn)顟B(tài)，即不計數(shù)。LE〔6腳〕為鎖存控制端，LE＝1，顯示數(shù)據(jù)保持不變，但它的內(nèi)部計數(shù)器仍正常工作。a，b，c，d，e，f，g〔1，15，14，13，12，3，2腳〕為信號輸出端，與七段顯示器連接，CD40110的引腳圖如圖4所示。CD40110的功能表如表2所示。圖4CD40110的引腳圖表2CD40110的功能表元器件介紹所用元器件的序號，，類型和名稱以及數(shù)量經(jīng)過核對，如表3所示。表3元器件清單序號名稱型號數(shù)量1Ds,Ds2顯示器DCD-HE*-REDGREN22Q1,Q2譯碼驅(qū)動器CD4011023U1,U2,U3與非門74LS0014U4,U6多諧振蕩器NE55525U5計數(shù)器CD401716R1~R7電阻77RQ熱敏電阻18C1~C7電容79D1,D2二極管1N4148210D3發(fā)光二極管111RP可變電阻10K13電路硬件模塊設(shè)計3.1溫度轉(zhuǎn)換成頻率電路設(shè)計通過熱敏電阻對溫度進(jìn)展采集，通過溫度與頻率近乎線性關(guān)系，以此來確定輸出頻率與其對應(yīng)的溫度，不同的溫度對應(yīng)不同的頻率值，故我們可以通過頻率值的改變來判斷溫度值，再由數(shù)碼管表示出來。該硬件電路模塊的核心構(gòu)成部件為NE555多諧振蕩器，多諧振蕩器主要應(yīng)用于簡易溫控報警器，雙音門鈴和模擬聲響發(fā)生器等實際電路中。多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號。3.1.1NE555工作原理介紹在由NE555組成的多諧振蕩器中，電容C的充電時間T1和放電時間T2各為〔1〕〔2〕故電路的振蕩周期為振蕩頻率為〔3〕〔4〕通過改變R和C的參數(shù)來改變振蕩頻率，溫度的改變可以改變熱敏電阻R2的阻值，而R2的改變又可以直接導(dǎo)致振動頻率f的變化，即可通過頻率的變化反響溫度的變動。在室溫下〔設(shè)室溫為30度〕可測得負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值為10K，取電容C為1uF,則有以上公式可得2R1=(1/fCln2)-R2,得則取R1為20K。溫度轉(zhuǎn)換成頻率溫度設(shè)計電路如圖5所示。圖5NE555振蕩電路工作原理圖3.1.2NE555引腳及符號說明對各個引腳的使用進(jìn)展說明：1引腳接地GND，2引腳觸發(fā)，3引腳輸出〔OUT),4引腳復(fù)位，5引腳控制電壓，6引腳為門限(閾值〕，7引腳為放電端，8引腳為電源電壓Vcc。R1,R2,C是外接定時元件，定時器的(2)端與(6)端連接起來接uc，晶體管集電極〔7〕接到R1,R2的連接處P。NE555的引腳圖如圖6所示。圖6NE555的引腳圖頻率顯示電路設(shè)計放大整形電路設(shè)計此電路由三極管和幾個74LS00與非門組成，其作用是為了把被測信號放大,然后整形為與其同頻率的方波。電路如圖7所示。圖7放大整形電路3.2.2555振蕩電路此電路一個555芯片、兩個電阻和兩個電容組成。電路如圖所示。由于低電平T1=R1Cln2高電平T2=〔R1+R2〕Cln2，高電平T2=〔R1+R2〕Cln2可通過改變R1和R2的值來改變T1，T2的值，為了使電路發(fā)出一個適宜的震蕩信號，可以令C=100uf，R1=1KΩ，R2可以用一個KΩ的電阻和一個10K的可變電阻來代替。電路如圖8所示。圖8555振蕩電路原理圖譯碼顯示電路譯碼顯示電路由計數(shù)器電路、鎖存器電路、譯碼顯示組成。計數(shù)器電路由一片CD4017芯片組成，計數(shù)器工作時每個高電平維持一個時鐘周期，每輸入10個時鐘脈沖，輸出一個進(jìn)位脈沖來計數(shù)。鎖存器電路由CD40110組成，CD40110為十進(jìn)制可逆計數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計數(shù)，計數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。作用是將計數(shù)器在完畢時所得的數(shù)和溫度轉(zhuǎn)換成的頻率信號合成的結(jié)果進(jìn)展鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定顯示此時計數(shù)器的值。譯碼顯示電路通過CD40110和七段數(shù)碼管來顯示。兩片CD40110芯片和七段顯示譯碼管以及CD4017芯片共同構(gòu)成了譯碼顯示電路。電路如圖9所示。圖9譯碼顯示電路4仿真調(diào)試4.1溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率電路測試在常溫下，熱敏電阻所感受的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率，用頻率計測出此時的頻率溫度值。在頻率計中觀察到頻率計顯示的頻率為，即此時的溫度值約為度。該溫度值在所估計的誤差范圍內(nèi)。測試電路如圖10所示。該電路的仿真結(jié)果如圖11所示。圖10溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率電路測試圖圖11溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率測試電路仿真結(jié)果4.2放大整形電路的測試把被測信號放大然后整形為與其同頻率的方波。電路輸入正弦波頻率為10HZ振幅為1V,仿真測試電路如圖12所示。仿真的波形如圖13所示。圖12放大整形電路測試電路圖圖13放大整形電路測試波形4.3振蕩電路測試振蕩電路輸出周期為秒，高電平脈沖為毫秒的方波。測試電路如圖14所示。該測試電路的仿真波形如圖15所示。圖14振蕩測試電路圖15振蕩測試電路仿真波形5總體電路通過對各個模塊電路的設(shè)計，整理出總體電路如