三位半數(shù)字顯示溫度計課程設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一．設(shè)計任務(wù)與要求</b></p><p><b>　　二．設(shè)計方案及比較</b></p><p>　　三．系統(tǒng)設(shè)計總體思路</p><p>　　四．系統(tǒng)原理框圖及工作原理分析</p>&

2、lt;p>　　五．組成電路主要器件的參數(shù)，工作原理、外形圖及選擇</p><p><b>　　六．電路原理圖</b></p><p><b>　　七．產(chǎn)品制作及調(diào)試</b></p><p>　　八．實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理</p><p>　　九．結(jié)論（設(shè)計與分析）</p><p

3、><b>　　十．心得體會</b></p><p><b>　　一．設(shè)計任務(wù)與要求</b></p><p>　　設(shè)計任務(wù)：3位半數(shù)字顯示溫度計</p><p><b>　?。ㄒ唬?xùn)練目的</b></p><p>　　1、熟悉溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、LED或LCD液晶顯

4、示器、數(shù)碼顯示器的原理和特點，掌握其實際應(yīng)用的工作原理與方法。</p><p>　　2、加深對模/數(shù)轉(zhuǎn)換工作原理的理解，鞏固相關(guān)的理論知識。</p><p>　　3、在熟悉數(shù)字顯示溫度計的電路組成與工作原理，掌握相關(guān)芯片的作用與使用基礎(chǔ)上，培養(yǎng)設(shè)計、制作、調(diào)試電路等一系列工程設(shè)計的能力。</p><p>　　4．掌握相關(guān)IC的性能參數(shù)及使用方法。培養(yǎng)綜合運用模電、數(shù)

5、電、傳感器等理論知識為實際電路設(shè)計的應(yīng)用能力。</p><p>　　（二）預(yù)習(xí)要求與參考、收集相關(guān)信息</p><p>　　1．認真預(yù)習(xí)有關(guān)數(shù)字顯示溫度計設(shè)計、構(gòu)成等方面的知識；熟悉數(shù)字顯示溫度計的基本結(jié)構(gòu)原理，掌握相關(guān)芯片的性能參數(shù)及使用方法。</p><p>　　2．參考《高頻電子電路》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《模擬電子技術(shù)》、《集成電路大全》《傳感器技術(shù)》等書。&

6、lt;/p><p>　　（三）設(shè)計要求和設(shè)計指標(biāo)</p><p>　　設(shè)計任務(wù)：采用溫度傳感器LM35， 位A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼或液晶</p><p>　　顯示器設(shè)計一個日常溫度數(shù)字溫度計。</p><p>　　產(chǎn)品指標(biāo)及技術(shù)要求：</p><p>　　①溫度顯示范圍：0℃~45℃；</p><

7、p>　?、跀?shù)字顯示分辨率：0.1℃；</p><p>　?、劬日`差≤0.5℃；</p><p>　?、茈娐饭ぷ麟娫纯稍?~9V范圍內(nèi)工作. </p><p>　　參考芯片: 3位半A/D轉(zhuǎn)換器：CC7106/ CC7107、CC7126/ CC7127</p><p>　　溫度傳感器：LM35</p><p>

8、　　LCD顯示器：數(shù)碼顯示管:共陽或共陰極</p><p><b>　?。ǘ嶒灉y試要求</b></p><p>　　1．測溫度傳感器輸出曲線，即V/℃曲線；</p><p>　　2．調(diào)整電路的參數(shù)以及參考電壓；</p><p>　　3．用示波器測量A/D轉(zhuǎn)換器的BP、POL管腳波形及輸出驅(qū)動波形；</p>

9、<p>　　4．記錄Vin與顯示的數(shù)值關(guān)系；</p><p><b>　　二．設(shè)計方案及比較</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┰O(shè)計方案</b></p><p>　　1.方案一：基于LM35和ICL7107的數(shù)字顯示溫度計</p><p>　　2.方案二：基于單片機的數(shù)字顯示溫

10、度計</p><p><b>　?。ǘ┓桨副容^</b></p><p>　　方案一的設(shè)計思路清晰、原理簡單，容易實現(xiàn)。而由于現(xiàn)階段對單片機的知識掌握不多，用方案二實現(xiàn)有一定的難度，所以選擇方案一更合適，也更好實現(xiàn)。</p><p>　　三．系統(tǒng)設(shè)計總體思路</p><p>　　1.數(shù)字溫度計電路原理系統(tǒng)方框圖，如圖&l

11、t;/p><p><b>　　電路原理系統(tǒng)方框圖</b></p><p>　　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，使電路精簡了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要很少的外部元件就可以精確測量0到200mv電壓，LM3

12、5本身就可以將溫度線性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。綜上所述，采用LM35采集信號，用ICL7107驅(qū)動數(shù)碼管實現(xiàn)信號的顯示。</p><p>　　四．系統(tǒng)原理框圖及工作原理分析</p><p>　　（一）數(shù)字溫度計電路原理（系統(tǒng)）框圖及工作原理</p><p>　　數(shù)字溫度計電路原理（系統(tǒng)）框圖</p><p>　　電路的組成：溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和

13、LED顯示器</p><p><b>　　2．工作原理：</b></p><p>　　溫度傳感器將感受到外界的溫度經(jīng)傳感器內(nèi)部電路處理后輸出一個與外界攝氏溫度成線性比例的電壓信號。此信號差動輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的雙積分器輸出信號通過控制邏輯電路向數(shù)據(jù)鎖存器發(fā)出一個鎖存信號，鎖存器將計數(shù)器的數(shù)據(jù)鎖存并經(jīng)譯碼驅(qū)動電路驅(qū)動LED工作，顯示感應(yīng)的溫度數(shù)值。<

14、/p><p>　　五．組成電路主要器件的參數(shù)，工作原理、外形圖及選擇</p><p><b>　　溫度傳感器</b></p><p>　　(1).溫度傳感器的類型及選擇</p><p>　　在自動控制、機電整合的應(yīng)用中，溫度的測量為常見的需求，感測溫度的產(chǎn)品有多種類型，依特性可概分為膨脹變化型、顏色變化型、電阻變化型、電流變

15、化型、電壓變化型、頻率變化型…等，常用的有熱敏電阻、熱電偶、熱電阻、雙金屬片傳感器、集成溫度傳感器。</p><p>　　集成溫度傳感器是將傳感器、信號處理電路集成一體，因而極大地提高了它得性能。它具有測溫精度高、線性優(yōu)良、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號大、熱容量小等優(yōu)點而廣泛被應(yīng)用。集成溫度傳感器按輸出形式可分為電壓型和電流型。</p><p>　　常見的電壓變化型的溫度傳感器有LM35、L

16、M335，其不同點為 LM35之輸出電壓是與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)係，而 LM335 則是與凱氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系。由于攝氏溫標(biāo)較常使用，因此選用LM35做介紹。 </p><p>　　(2).LM35集成溫度傳感器</p><p>　　a .LM35內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理</p><p>　　LM35是由National Semiconductor所生產(chǎn)的溫度感測器，其輸出電壓與攝

17、氏溫標(biāo)呈線性關(guān)係，轉(zhuǎn)換公式如式下式，0°C時輸出為0V，每升高 1°C，輸出電壓增加10mV。</p><p>　　LM35 有多種不同封裝型式，外觀如圖 1 所示。在常溫下，LM35 不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達到± °1/4C的準(zhǔn)確率。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負雙電源兩種，其引腳如圖 2 所示，正負雙電源的供電模式可提供負溫度的量測；兩種接法的靜默電流-溫度關(guān)系如圖 3

18、所示，單電源模式在25°C下靜默電流約50μA，非常省電。   </p><p>　　圖1：LM35封裝及引腳排列</p><p>　　b. LM35的主要參數(shù)</p><p>　　?工作電壓：直流4～30V； </p><p>　　?工作電流：小于133μA   </p>

19、;<p>　　?輸出電壓：+6V～-1.0V適合于遠程應(yīng)用    </p><p>　　?輸出阻抗：1mA負載時0.1Ω；   </p><p>　　?精度：0.5℃精度（在+25℃時）；    </p><p>　　?漏泄電流：小于60μA； 

20、0;</p><p>　　?比例因數(shù)：線性+10.0mV/℃；   </p><p>　　?非線性值：±1/4℃；    </p><p>　　?自熱效應(yīng):小于0.08℃</p><p>　　?校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；   </p

21、><p>　　?封裝：密封TO-46晶體管封裝或塑料TO-92晶體管封裝；    </p><p>　　?使用溫度范圍：-55～+150℃額定范圍。</p><p>　　LM35應(yīng)用范圍于溫度探頭電子式直讀溫度計，汽車自動檢測線上的溫度測量。一些數(shù)字萬用表具有溫度檢測功能，狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制。 冷凍庫，糧倉，機房電纜線槽等測溫和控制

22、領(lǐng)域。</p><p>　　2. A/D轉(zhuǎn)換器 </p><p>　　模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將輸入連續(xù)變化的模擬信號變換為與其成正比的數(shù)字量信號輸出。在進行模／數(shù)(即A／D)轉(zhuǎn)換時，通常按取樣、保持、量化、編碼四個步驟進行。 較常見和使用較多、市面上易找的有雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　(1).雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點：</p><

23、;p>　?、俎D(zhuǎn)換精度高，成本低；</p><p>　?、谵D(zhuǎn)換精度與積分電阻，積分電容的精度無關(guān)。③轉(zhuǎn)換器精度與時鐘頻率的漂移無關(guān)；（表明其時鐘振蕩器不一定采用價格較貴的石英晶體，使用普通的R、C已滿足要求）</p><p><b>　?、芸垢蓴_能力強；</b></p><p><b>　?、萃鈬娐泛唵巍?lt;/b>&l

24、t;/p><p>　　(2).影響精度的因素：</p><p>　　①積分電容CINT和自動穩(wěn)零電容CAz的介質(zhì)損耗小聚丙乙烯電容，（電容的類型較重要）</p><p>　?、贏/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電源的變化直接影響轉(zhuǎn)換精度（芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源一般受溫度的影響較大，當(dāng)精度要求較高時，應(yīng)采用外接基準(zhǔn)電壓源）</p><p>　　(3).根據(jù)設(shè)計任務(wù)，選

25、用3.5位雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器.。3.5位雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器具有大規(guī)模集成的優(yōu)點，其內(nèi)部包含有模擬電路，數(shù)字電路和控制邏輯電路。它只需要小量外圍R、C元件就可完成A/D轉(zhuǎn)換的工作。</p><p>　　(4).ICL7107的介紹</p><p>　　ICL7107的特點：</p><p>　?、?ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMoS大規(guī)模

26、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，并將第21腳的GND接第30腳的IN 。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(zhǔn)電源，通過電阻 分壓器可獲得所需的基準(zhǔn)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，

27、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 可以方便的進行功能檢查。</p><p>　　ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如下圖所示。其中計數(shù)器對反向積分過

28、程的時鐘脈沖進行計數(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。</p><p>　　ICL7107原理圖：</p><p>　　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

29、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。 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。</p><p>　　雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如下圖所示</p><p>　　雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖</p><p

30、>　　ICL7107AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖所示。</p><p>　　ICL7107AD轉(zhuǎn)換器引腳圖</p><p>　　(2) ICL7107引腳功能</p><p>　　V＋和V-分別為電源的正極和負極。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。Bck：千

31、位筆畫驅(qū)動信號。接千位LEO顯示器的相應(yīng)的筆畫電極。PM：液晶顯示器背面公共電極的驅(qū)動端，簡稱背電極。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：</p><p>　　Fosl = 0.45/RC</p><p>　　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(zhǔn)電壓的負極

32、相連。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”。VREF＋ VREF- ：基準(zhǔn)電壓正負端。CREF：外接基準(zhǔn)電容端。INT：27是一個積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件IN＋和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負端。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滿刻度的場合是使用0.47μF，而

33、2V滿刻度是0.047μF。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100μA，而緩沖器與積分器能夠供給20μA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。  </p><p>　　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

34、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。</p><p><b>　　3.數(shù)碼管</b></p><p>　　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)

35、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。</p><p>　　LED 數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有1～2 mA，最大極限電流也只有10～30 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)

36、的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。</p><p>　　數(shù)碼管使用條件：a、段及小數(shù)點上加限流電阻b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；   小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 4-5mA   峰值電流 100mA</p><p>　　數(shù)碼管使用注意事項說明：

37、a、數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；b、焊接溫度：260°度；焊接時間：5sc、表面有保護膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來。</p><p><b>　　4.其他元件</b></p><p>　　A.電位器: RV1=5K</p><p>　　B.電容:C1=0.01uF ,C2=0.47 uF ,C3=0.22 uF

38、,C4=0.1 uF , C5= 100pF</p><p>　　C.電阻：R2=200Ω R3=100KΩ R4=2KΩ</p><p>　　R5=1MΩ R7=47KΩ</p><p><b>　　六 電路原理圖</b></p><p><b>　　電路原理圖</b>

39、;</p><p><b>　　七．產(chǎn)品制作及調(diào)試</b></p><p>　　產(chǎn)品的調(diào)試可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品所存在的問題，然后根據(jù)問題想出相應(yīng)的解決方案，對產(chǎn)品進行修復(fù)完善，最后得出一個完美的成功的作品。</p><p>　?。?）按照電路圖檢查相關(guān)元器件接入及連線是否正確</p><p>　　（2）用萬用表蜂鳴端檢查焊接

40、中是否存在虛焊或者不必要的短路和斷路，檢查七段數(shù)碼管是否能正常工作</p><p>　?。?）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，要對電路電源進行檢測，看是否線路接觸不良或者電路短路</p><p>　?。?）數(shù)碼管能正常顯示示數(shù)且不閃動后，用電烙鐵等工具改變LM35的溫度值，觀察數(shù)碼管是否隨著溫度變化而變化，若示數(shù)沒有改變，則應(yīng)當(dāng)檢查線路連接情況或元器件能否正常

41、工作</p><p>　?。?）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正確</p><p>　?。?）為了使實驗結(jié)果更精確完美，最后應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RV1改變LM35電壓與數(shù)碼管示數(shù)的關(guān)系從而改變基準(zhǔn)電壓使之接近標(biāo)準(zhǔn)值1V，再調(diào)節(jié)電位器RV2使數(shù)碼管示數(shù)顯示亮度合適。</p><p>　　八．實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理</p><

42、p>　　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，通過測量LM35的輸出電壓和數(shù)碼管的顯示值得到如下表格</p><p>　　繪制出測溫度傳感器輸出曲線，即V/℃曲線，如圖：</p><p><b>　　V/℃曲線</b></p><p>　　產(chǎn)品檢驗的參考電壓為：V+: 4.32v V-: -4.02v<

43、;/p><p>　　九．結(jié)論（設(shè)計與分析）</p><p>　　本次實驗主要采用LM35、ICL7107A/D轉(zhuǎn)換器、和七段數(shù)碼管。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。在這次實驗當(dāng)中，我們初步了解了AD轉(zhuǎn)換器的工作原理以及數(shù)碼管的連接方法。此外，通過實驗中所遇到的問題，我們總結(jié)出：電路圖的設(shè)計是最重要的一個環(huán)節(jié)，沒有電路圖什么都