LM35與ICL7107數(shù)字溫度計設(shè)計

1、課程設(shè)計數(shù)字溫度計設(shè)計電路的設(shè)計數(shù)字溫度計電路原理系統(tǒng)方框圖，如圖1.1. 溫度采集電壓放大ad轉(zhuǎn)換數(shù)碼管驅(qū)動溫度顯示 圖1.1 電路原理方框圖通過溫度傳感器lm35采集到溫度信號，經(jīng)過整形電路送到a/d轉(zhuǎn)換器，然后通過譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管顯示溫度。icl7107集a/d轉(zhuǎn)換和譯碼器于一體，可以直接驅(qū)動數(shù)碼管，省去了譯碼器的接線，icl7107只需要很少的外部元件就可以精確測量0到200mv電壓，lm35本身就可以將溫度線性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由此可知用icl7107驅(qū)動數(shù)碼管實現(xiàn)信號的顯示。 電路原理及其電路組成 數(shù)字溫度計通過lm35對溫度進(jìn)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

2、相應(yīng)的電流，不同的溫度對應(yīng)不同的電壓值，因此我們可以通過電壓電流值經(jīng)過放大進(jìn)入到a/d轉(zhuǎn)換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表示出來。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(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，lm35無需外部校準(zhǔn)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：（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(fù)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.

3、0mv/；（8）非線性值：1/4；（9）校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；（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額定范圍傳感器電路采用核心部件是 lm35ah，供電電壓為直流15v 時，工作電流為120ma，功耗極低，在全溫度范圍工作時，電流變化很小。電壓輸出采用差動信號方式，由2、3 引腳直接輸出，電阻r 為18k 普通電阻，d1、d2 為1n4148。傳感器電路原理如圖2.1.采樣值的準(zhǔn)確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來進(jìn)行量化。設(shè)經(jīng)過信號調(diào)理后的電壓為ui，則已知10v 對應(yīng)的溫度為55，10v 對應(yīng)的溫

4、度為125，易求得比例因數(shù)kt0.111v/。溫度為0時，t55（即相對于55的變化量）。圖2.1傳感器電路原理圖 ui 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個數(shù)字量對應(yīng)電壓值為4.883mv，（由12 位ad，滿量程20v 可得），用ks 表示。可求得數(shù)字量變化與溫度變化的對應(yīng)關(guān)系：（0.111v/）/（4.883mv/數(shù)字量）22.73 數(shù)字量/當(dāng)0時，ad 輸出的數(shù)字量d0 = 0+5522.73 數(shù)字量/125004e2h。溫控電路由傳感器電路、信號調(diào)理電路、a/d 采樣電路、單片機系統(tǒng)、輸出控制電路、加溫電路構(gòu)成。電路基本工作原理：傳感器電路將感受到的溫度信號以電壓形式輸出到信號調(diào)理電路，信號經(jīng)過調(diào)理

5、后輸入到a/d 采樣電路，由a/d轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量值送給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計的溫度要求判斷是否需要接通加溫電路。2） 溫度信號采集電路op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運算放大器集成電路。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于op-07a最大為25v），所以op-07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。op07同時具有輸入偏置電流低（op-07a為2na）和開環(huán)增益高（對于op-07a為300v/mv）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op-07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。op07具有以下特點： 超低偏移： 150v最大 。 (1)低輸入偏置

6、電流： 1.8na 。 (2)低失調(diào)電壓漂移： 0.5v/ 。 (3)超穩(wěn)定，時間： 2v/month最大 (4)高電源電壓范圍： 3v至22vop-07的引腳圖如圖2.2所示。1 8 2 73 64 5 圖2.2op-07引腳圖op-07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+。op-07高精度運算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特點。由lm35和op-07組成的信號采集電路如圖2.3所示：圖2.3信號采集電路 由輸出短路法及輸入求和方式可判斷該電路是電壓并流負(fù)反饋

7、放大電路。因此可知if=-vi/rf，反饋系數(shù)f=if/vo，所以f=-1/r3a=vo/ii，放大倍數(shù)af=a/（1+af）3）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(fù)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2.4

8、所示。其中計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)。控制邏輯包括分頻器、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2.4 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(jìn)行。第二，識別輸入電壓極性，控制led數(shù)碼管的負(fù)號顯示。第三，當(dāng)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。 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

9、）三個階段。 雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如圖2.5所示圖2.5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2.6所示。 1 v+ osc1 402 d1 osc2 393 c1 osc3 384 b1 test 375 a1 ref hi 366 f1 ref lo 357 g1 cref+ 348 e1 cref 339 d2 common 3210 c2 i cl7107 in hi 3111 b2 in lo 3012 a2 a-z 2913 f2 buff 2814 e2 int 2715 d3 v- 2616 b3 g2 25 17 f

10、3 c3 2418 e3 a3 2319 ab4 g3 2220 pol gnd 21 圖2.6 icl7107管腳排列icl7107是集a/d轉(zhuǎn)換和譯碼器為一體的芯片，而且這芯片能夠驅(qū)動三個數(shù)碼管工作而不需要更多的譯碼器，這給我們連接電路或者分析電路提供了一定的方便。icl7107芯片的管腳比較多，每一個管腳所代表的功能也各不相同，能夠組成各種電路，比如說有積分電路。這要求我們在接電路時要小心，不能出現(xiàn)錯誤。4） 數(shù)碼管顯示數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陰極是把所有l(wèi)ed的陽極連接到共同接點com，而每一led的陰極分別為a,b,c,d,e,f,g及sp（小數(shù)點），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2

11、.7所示。 a gbcdefgsp 圖2.7 共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在本次設(shè)計當(dāng)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，而且在管腳之前要接上電阻，以免燒壞芯片和數(shù)碼管。調(diào)試與總結(jié)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(jìn)行連接，其中注意芯片各管腳的作用以及該如何進(jìn)行接線。（2）當(dāng)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(jìn)行檢測，看是否線路接觸不良或者電路短路。（3）（2）完成之后，觀察數(shù)碼管是否顯示數(shù)

12、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(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的測量并繪成表格進(jìn)行比較。如表3.1。測量工具測量環(huán)境數(shù)字萬用表數(shù)顯溫度計室溫21.021.1冷水袋15.115.2溫水袋52.052.1 表3.1 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。a) 設(shè)計總結(jié)采用lm35、a/d轉(zhuǎn)換器、譯碼器和數(shù)碼管。通過溫度傳感器lm35采集到溫度信號，經(jīng)過整

13、形電路送到a/d轉(zhuǎn)換器，然后通過譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管顯示溫度。在這次設(shè)計當(dāng)中，初步了解了ad轉(zhuǎn)換器的工作原理以及數(shù)碼管的連接方法。在這個設(shè)計中，信號采集電路比較重要，要對電路中各個元件數(shù)值進(jìn)行精確的計算，防止電路輸出變化太大，對測量不利。2） 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.從選題到定稿，從理論到實踐，可以說是十分復(fù)雜又枯燥的，但是從中卻學(xué)到很多的東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，還學(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)合的重要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。因為是第一次做數(shù)電課程設(shè)計，遇到問題是再所難免的，但是從遇到過