課程設計---數(shù)字溫度計設計

1、<p><b>　　課程設計(論文)</b></p><p>　　題 目 名 稱 數(shù)字溫度計設計 </p><p>　　課 程 名 稱 電子技術課程設計 </p><p>　　學 生 姓 名 </p&

2、gt;<p>　　學 號 </p><p>　　系 、專 業(yè) 電氣工程系 電氣工程及其自自化 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p>　　2013 年 12 月 5 日</p><p&

3、gt;　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　指導教師（簽字）： 學生（簽字）：</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)溫度計相比，具有結構簡單、可靠性高、成本低、測量范圍廣、體積小、功耗低、顯示直觀等特點。通過本次設計能夠更加了解數(shù)字溫度計工作原理和熟

4、悉單片機的發(fā)展與應用，鞏固所學的知識，為以后工作與學習打下堅實的基礎。數(shù)字溫度計主要運用在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，如電力、化工、機械制造、糧食存儲等領域。溫度是表征其對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)之一。比如：發(fā)電廠鍋爐溫度必須控制在一定的范圍之內，許多化學反應必須在適當?shù)臏囟认虏拍苓M行。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作。因此，溫度的測量和控制是非常重要的。通過對目前各種溫度傳感器的分析與研究，對溫度傳感器做出合理選擇，并根據(jù)實際需

5、要選擇合適的主芯片和LED顯示器，達到優(yōu)化整體結構，提高溫度檢測精度，同時使系統(tǒng)具有測溫范圍廣、體積小、功耗低、精度高、顯示直觀等優(yōu)點，并保證系統(tǒng)結構簡潔。</p><p>　　關鍵字：數(shù)字溫度計；LED顯示；精度。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設計任務與要求........................

6、..............</p><p>　　1.1 設計要求............................................4</p><p>　　1.2 原理框圖............................................4</p><p>　　1.3 主要參考原件..................

7、......................4</p><p>　　2方案設計與論證.......................................4</p><p>　　3 單元電路設計與參數(shù)計算...............................5</p><p>　　3.1 傳感器部分.........................

8、.................5</p><p>　　3.2 放大系統(tǒng)............................................5</p><p>　　3.3 數(shù)字顯示部分設計....................................10</p><p>　　4總原理圖及原件清單..................

9、.............</p><p>　　5安裝與調試.......................................</p><p>　　6性能測試與分析...................................</p><p>　　7結論與心得......................................</p

10、><p>　　參考文獻............................................</p><p>　　1、設計任務與要求 </p><p><b>　　1.1、設計要求 </b></p><p>　　溫度計是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學研究中最常用的測量儀表。本課題要求用中小規(guī)模集成芯片

11、設計并制作一數(shù)字式溫度計，即用數(shù)字顯示被測溫度。具體要求如下： </p><p>　　1）測量范圍0～150度。 </p><p>　　2）測量精度0.1度。</p><p>　　3）4位LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　1.2、原理框圖      <

12、/p><p><b>　　圖1-2 原理框圖</b></p><p>　　1.3、主要參考元器件 </p><p>　　硅熱敏晶體管，LM324，CC7107，電阻及電容若干。 </p><p>　　2、方案設計與論證 </p><p>　　由設計和任務要求可知道，本設計

13、實驗主要分為四個部分，即傳感器、放大系統(tǒng)、模數(shù)轉換器以及顯示部分。經(jīng)過分析，傳感器可以選擇對溫度比較敏感的器件，做好是在某參數(shù)與溫度成線性關系，比如硅熱敏晶體管、熱敏電阻等；放大系統(tǒng)可以由集成運放組成：A/D轉換器需要選擇有LED驅動顯示功能的，而可供選擇的參考元件有CC7107，CC7117，MC14433等；顯示部分用4位LED數(shù)碼管顯示。  </p><p>　　方案一：用一個熱敏電阻,

14、通過熱敏電阻把溫度轉化為電壓,再得到每一度熱敏電阻的電壓變化值,用LM324運放做成乘法器,使電壓乘以一個比例系數(shù),使一度的變化得到一個整數(shù)變化的電壓值,然后送入MC14433A/D轉換器進行數(shù)模轉換和數(shù)字顯示.。 </p><p>　　方案二：用硅熱敏晶體管做傳感器把溫度轉化為電壓，在把每一度的電壓變化值通過LM324集成運放進行放大，使其放大的信號應能滿足CC7107數(shù)模轉換的要求，進行數(shù)字顯示由于

15、MC14433模數(shù)轉換器的顯示部分需要驅動器CD4511，基準電壓又需要一個MC1403，也就是需要外接的電路和元件相對復雜和麻煩。而321位雙積分A/D轉換器CC7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內已經(jīng)集成了模擬電路部分和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就成了模擬電路和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就可實現(xiàn)A/D轉換。</p><p>　　3、單元電路設計與參數(shù)計算 </p>

16、<p>　　3.1、傳感器部分 </p><p>　　熱敏晶體管，在溫度發(fā)生變化時，熱敏晶體管的b-e結正向的溫度系數(shù)為-2mV/℃，即溫度每升高1℃，b-e結電壓降低2mv,利用這個特性可以測量溫度。 設置電路圖如圖2所示，采用9V的電源供電，be間的電壓全部反饋的輸入到同相輸入端，運放引入了電壓負反饋，在理想運放的條件下，輸出電阻為零，所以可以認為電路的輸出Vo為恒壓源。&l

17、t;/p><p><b>　　圖3-1 傳感圖</b></p><p><b>　　3.2、放大系統(tǒng) </b></p><p>　　放大系統(tǒng)是把溫度傳感器輸出的弱信號放大，將每一攝氏度對應的電壓以整數(shù)輸出，可以利用集成運放lm324組成一個同相比例放大電路，由于溫度傳感器輸出的電壓與溫度的線性關系為-2mV/℃，即溫

18、度每升高1℃電壓降低2mV,因此可以使得電壓通過同相比例運算電路放大5倍，即1℃對應電壓為10mV。</p><p>　　通用型低功耗集成四運放LM324，內含4個獨立的高增益、頻率補償?shù)倪\算放大器，既可接單電源使用(3～30V)，也可接雙電源使用(±1.5～±15 V)，驅動功耗低，可與TTL邏輯電路相容。</p><p>　　圖3-2 管腳連接圖</

19、p><p>　　3.3、A/D轉換器 </p><p><b>　　1）凋零電路</b></p><p><b>　　圖3-3 凋零電路</b></p><p>　　當硅熱敏晶體管置于0攝氏度的溫度下時由于B-E管壓降可能使得A/D轉換器 的數(shù)字顯示不為零，因此要設計一個調零電路。&

20、#160;本實驗設計了一個電橋電路，通過調節(jié)可變電阻可以使得電橋平衡，即輸出為零。電路圖如圖5所示。 </p><p><b>　　2）模數(shù)轉換部分 </b></p><p>　　321位雙積分A/D轉換器CC7107的引腳圖和管教圖以及功能簡介321位雙積分A/D轉換器CC7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內已經(jīng)集成了模擬電路部分和數(shù)字電

21、路部分，所以只要外接少量元件就成了模擬電路和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就可實現(xiàn)A/D轉換。CC7107內部電路含有模擬電路和數(shù)字電路兩大部分。</p><p><b>　　圖3-4 引腳接線</b></p><p>　　1端：U+ =5V，電源正端。</p><p>　　26端：U- =﹣5V，電 <

22、/p><p>　　19端：ab4，千位數(shù)筆段驅動輸出端，由于213位的計數(shù)滿量程顯示為“1999”，</p><p>　　所以ab4輸出端應接千位數(shù)顯示器顯示“1”字的b和c筆段。 </p><p>　　20端：POL，極性顯示端（負顯示），與千位數(shù)顯示器的g筆段相連接（或另行設置的負極性筆段）。當輸入信號的電壓極性為負時，負號顯示，如“-19.99”；當輸入

23、信號的電壓極性為正時，極性負號不顯示如“19.99”。 </p><p>　　21端：BP，液晶顯示器背電極，與正負電源的公共地端相連接。  </p><p>　　27端：INT，積分器輸出端，外接積分電容C（一般取C=0.22F?）。 28端：BUFF，輸入緩沖放大器的輸出端，外接積分電阻R（一般取R=47?k）。 </p>

24、<p>　　29端：AZ，積分器和比較器的反相輸入端，接自校零電容AZC（取AZC=0.47F）。 </p><p>　　30、31端：INLO、 INHI，輸入電壓低、高端。由于兩端與高阻抗CMOS運算放大器相連接，可以忽略輸入信號的注入電流，輸入信號應經(jīng)過1M?電阻和0.01F電容組成的濾波電路輸入，以濾除干擾信號。 </p><p>　　2~

25、8端：個位數(shù)顯示器的筆段驅動輸出端，各筆段輸出端分別與個位數(shù)顯示器對應的筆段a~g相連接。 </p><p>　　9~14、25端：十位數(shù)顯示器的筆段驅動輸出端，各筆段輸出端分別與十位數(shù)顯示器對應的筆段a~g相連接。 </p><p>　　15~18、22~24端：百位數(shù)顯示器的筆段驅動輸出端，各筆段輸出端分別與百位數(shù)顯示器對應的筆段a~g相連接。 </

26、p><p>　　32端：COM，模擬公共電壓設置端，一般與輸入信號的負端，負基準電壓端相接。 </p><p>　　33、34端：REFC、REFC基準電容負壓、正壓端，它被充電的電壓在反相積分時，成為基準電壓，通常取REFC=0.1F?。 </p><p>　　35、36端：REFLO、REFHI，外接基準電壓低、高位端，由電源電壓分壓得到。

27、60;</p><p>　　37端：TEST，數(shù)字地設置端及測試端，經(jīng)過芯片內部的500電阻與GND相連。 </p><p>　　38、39、40端：3~1OSC，產(chǎn)生時鐘脈沖的振蕩器的引出端，外接R1、C1元件。振蕩器主振頻率OSCf與R1C1的關系。</p><p>　　根據(jù)CC7107的內部電路結構，可以分析A/D轉換的工作過程。設其轉換過程分三個階

28、段，即采樣階段、積分階段和休止階段，各階段的工作過程如下： </p><p><b>　　a. 采樣階段 </b></p><p>　　在邏輯控制電路的作用下，設新的采樣階段開始，設開關SIN閉合，Saz1短開，被測信號 Ux從IN+端輸入，經(jīng)緩沖器進行定時積分，設積分時間（或稱采樣時間）定為1000個時鐘脈沖。</p&g

29、t;<p>　　當N1=1000時定時積分階段或稱采樣階段結束。 </p><p><b>　　b. 積分階段 </b></p><p>　　積分階段是指積分器時基準電壓UREF進行定值積分。由于在休止階段基準電容CREF已被充電(UREF=|UREF|),所以積分階段一開始，對輸入電壓作極性判別后，基準電容有開關S+和S-

30、接入緩沖放大器，使積分器進行反向定值積分，計數(shù)器開始計數(shù)。可求出定值積分階段內，積分器的輸出電壓與計數(shù)脈沖N2的關系。</p><p>　　當積分器的輸出電壓Uo回到初使狀態(tài)時，定值積分階段結束，設計數(shù)器的脈沖數(shù)N2=0～2000。 </p><p><b>　　c. 休止階段 </b></p><p>　　休止階

31、段的任務是使信號輸入端IN+與公共模擬端COM短接，積分器和比較器 的輸出為零，基準電壓對基準電容充電，這些都是通過控制開關SAZ1、SIN、S+、S-等完成的。設完成該階段的工作所需要的時間為1000～3000個時鐘脈沖三個階段的工作波形。      </p><p>　　ICL7107一次A/D轉換經(jīng)過三個階段所需時鐘脈沖數(shù)為N，則一次轉換

32、所需的時間為T=N/fcp=4N/fosc。 </p><p>　　3.4、 數(shù)字顯示部分的設計 </p><p>　　因為芯片CC7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，適合于驅動發(fā)光 二極管（LED）數(shù)碼顯示器，并且CC7107芯片內部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅動發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，所以顯示方式采用共陽極數(shù)碼管LED顯

33、示，引腳圖見圖9。CC7107沒有專門的小數(shù)點驅動信號，使用時可將共陽級數(shù)碼管的公共陽極接V+，小數(shù)點接GND時點亮，接V+時熄滅。</p><p>　　4、總原理圖及元器件清單</p><p><b>　　元件清單</b></p><p><b>　　5、安裝與調試</b></p><p>　　把

34、各設計部分進行安裝連接 溫度數(shù)字顯計安裝和調試，調節(jié)調零電路使熱敏晶體管在0°C的環(huán)境中溫度計輸出為零，也就是顯示器的讀數(shù)顯示為零。溫度計滿度讀數(shù)為149.9(1500°C)，調節(jié)時，熱敏晶體管放置在150°C的環(huán)境中，由于熱敏晶體管的溫度系數(shù)為-2mV/°C，所以在150°C的環(huán)境下，熱敏晶體管的be結壓降增量為-4000mV，根據(jù)式（1）可知，調節(jié)參考電壓，使UREF=-4

35、000mV時，輸出讀數(shù)為149.9（即150°C），這樣，就使數(shù)字溫度計實現(xiàn)0～150°C的測量，其精度為0.1°C。一般般系統(tǒng)只要把0℃和滿標度兩點調好，輸出讀數(shù)與溫度成對應關系，輸出讀數(shù)與UREF和Uin之間仍保持式(1)的關系。小數(shù)點取第二個數(shù)碼管的D.P.段顯示。調試0°C時，應使顯示器的顯示為“0000”；調試100°C時，應時顯示器顯示為“100.0”。</p>

36、<p><b>　　6、性能測試與分析</b></p><p>　　對各個可以仿真的電路圖在EWB軟件上進行必要的仿真和調試，對一些電阻和電容的參數(shù)進行適當?shù)男薷?，基本上能夠實現(xiàn)理論上的實踐。有些理論可能不是很完善，但基本上符合一些要求。</p><p><b>　　7、結論與心得</b></p><p>　　

37、剛動手做本課題的設計性試驗的時候，感覺難度挺大的，主要是對一些器件的功能比較陌生以及對一些參數(shù)的設定比較困難，而且網(wǎng)上和圖書館的關于器件介紹的資料和書籍也相對的少，我通過網(wǎng)上資料的搜索和參考文獻的參考了解以及和同組同學的互相討論和求證，在老師的一定指導下終于對整個設計框圖有較清晰的脈路，對于其中一些部分的電路也進行了仿真測試，但總的仿真圖沒有做出來，主要是對于EWB上缺少相關的器件，而Proteus軟件也不會用，這也讓我認識到一些仿真軟

38、件對我們做課程設計的應用的重要性。通過課程設計，使得我對模電和數(shù)電的一些相關知識掌握得更好一些，同時增強對設計性實驗的興趣，認識到模擬數(shù)字電子技術在實際生活中的廣泛應用，也認識到團隊精神的重要性。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]《模擬數(shù)字電子技術基礎》，童詩白，華成英主編，高等教育出版社，2006年。 </p&

39、gt;<p>　　[2]《電子技術基礎（數(shù)字部分）》，康華光 主編，高等教育出版社，2006年。 </p><p>　　[3]《新型實用電子電路400例》伊兵等主編，電子工業(yè)出版社，1999年。 </p><p>　　[4]《電子技術基礎實驗與課程設計》高吉祥主編，電子工業(yè)出版社，2005年。 </p><p>