電子課程設計——溫度測量儀

1、<p><b>　　溫度測量儀</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本課題采用lm35傳感器作為感知元件，輸出電壓經(jīng)放大后由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成相應地址，送至AT28C64存儲芯片輸出相應地址的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過74157選擇，由CD4511負責數(shù)碼管的譯碼，最終在兩位共陰數(shù)碼管上進行顯示。本課題采用CD4

2、029進行計數(shù)預警，采用分位計數(shù)的方案，由7485進行比較后判斷是否進行溫度預警。</p><p>　　關(guān)鍵詞：lm35 溫度測量 預警 AD0809</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　系統(tǒng)指標——————————</p><p>　　系統(tǒng)預期指標—————————</p>

3、<p>　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求—————————</p><p>　　系統(tǒng)技術(shù)指標要求———————</p><p>　　設計條件———————————</p><p>　　方案設計—————————— </p><p>　　2.1 方案流程———————————</p><p>　　2.2方案的整體設計———

4、—————</p><p>　　第三章 模塊詳細設計————————</p><p>　　3.1傳感器及其放大電路模塊————</p><p>　　3.2 A/D及存儲器模塊————————</p><p>　　3.3數(shù)碼管顯示模塊————————————</p><p>　　3.4計數(shù)模塊———————————&l

5、t;/p><p>　　3.5 比較判斷以及報警模塊—————</p><p>　　3.6 顯示切換模塊—————————</p><p>　　第四章 測試與調(diào)試—————————</p><p>　　4.1數(shù)字顯示電路的調(diào)試——————</p><p>　　4.2 ADC、AT28C64與顯示電路的連接調(diào)試———————

6、—————————</p><p>　　4.3 NE555頻率發(fā)生調(diào)試——————</p><p>　　4.4傳感器與顯示電路的調(diào)試————</p><p>　　4.5報警溫度的設定與判斷調(diào)試———</p><p>　　第五章 設計總結(jié)——————————</p><p>　　5.1 設計完成情況—————————&l

7、t;/p><p>　　5.2 問題與改進——————————</p><p>　　5.3 心得體會———————————</p><p><b>　　第一章 系統(tǒng)指標</b></p><p>　　1.1 系統(tǒng)預期指標</p><p>　　系統(tǒng)設計要求該溫度測量儀能夠顯示當前環(huán)境溫度，并兼有環(huán)境溫度超

8、溫警報功能。預警溫度能夠手動進行設置。</p><p>　　1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求</p><p>　　本課題給出的結(jié)構(gòu)框圖如下，要求有系統(tǒng)復位開關(guān)S1鍵，報警溫度切換設定開關(guān)S2鍵。 </p><p>　　圖1.2.1 </p><p>　　1.3 系統(tǒng)技術(shù)指標要求</p><p>　　（1）溫度測量范圍：0℃~

9、99℃</p><p>　?。?）顯示精度：1℃</p><p>　?。?）測溫靈敏度：20mv/℃</p><p>　　（4）顯示采用四位共陰數(shù)碼管</p><p>　?。?）溫度報警采用LED發(fā)光二極管或蜂鳴器</p><p>　?。?）報警溫度可以任意設定</p><p><b>

10、;　　1.4 設計條件</b></p><p>　?。?）電源：0~15V穩(wěn)壓電源可調(diào)</p><p>　　（2）可供選擇的器件下表所示</p><p>　　各電容、電阻、發(fā)光二級管等元件自定。</p><p><b>　　第二章 方案設計</b></p><p><b>　

11、　2.1 方案流程</b></p><p>　　溫度測量儀的本質(zhì)是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進行相應的信息反饋，以達到幫助人們感知環(huán)境的目的。所以溫度信息必須經(jīng)過傳感器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息再經(jīng)由數(shù)字顯示電路顯示。另外，由于溫度傳感器的輸出有限，需在傳感器后添加一放大器。</p><p>　　超溫報警預設電路也需要和數(shù)字顯示電路進行連結(jié)，以顯示設定的報警溫度。<

12、;/p><p>　　因此，還需要在數(shù)字顯示，環(huán)境溫度輸出，以及超溫溫度設定之間增一切換電路，以切換環(huán)境溫度和超溫設定的顯示。</p><p><b>　　具體流程框圖如下：</b></p><p><b>　　圖2.1.1</b></p><p>　　其中溫度傳感器是該課題設計的核心所在，溫度傳感器直接

13、影響到測溫的精度以及靈敏度。另外溫度傳感器還分為電流型輸出和電壓型輸出。溫度傳感器的選擇不僅影響整體設計方案的性能，而且對后續(xù)電路的設計也有一定程度的影響。</p><p>　　2.2 方案的整體設計</p><p>　　方案采用lm35作為本課題的溫度傳感器，運放使用TL084，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，使用AT28C64作為存儲芯片。切換顯示電路使用兩片74157實現(xiàn)該功能。由

14、CD4511驅(qū)動數(shù)碼管進行顯示。溫度預警計數(shù)由兩片CD4029執(zhí)行。報警判斷由兩片4位比較器件7485聯(lián)級成8位比較器進行比較。采用兩個LED二極管作為報警信息輸出。</p><p>　　第三章 模塊詳細設計</p><p>　　3.1 傳感器及其放大電路模塊</p><p>　　（1）傳感器lm35</p><p>　　lm35系列是精密

15、集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。是電壓型輸出的溫度傳感器，因此后續(xù)電路不再需要電流—電壓轉(zhuǎn)換器，一定程度上簡化了電路的設計。該系列傳感器生產(chǎn)制作時已經(jīng)過校準，輸出電壓與攝氏溫度一一對應，使用極為方便。靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃溫度范圍內(nèi)),重復性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準使其使用起來更加簡單與方便。其工作電壓為4V~30V，寬工作電壓，滿足課題設計要求。測

16、溫范圍為-50℃~+150℃，也符合課題設計要求。</p><p>　　Lm35有多種封裝形式，本課題設計采用如下封裝</p><p><b>　　圖3.1.1</b></p><p>　?。?）放大電路的設計</p><p>　　本課題設計要求測溫靈敏度為20mv/℃，lm35器件自身的靈敏度為10mv/℃，因此放大器

17、的放大倍數(shù)應達到2倍。易知，應采用同向放大器。</p><p>　　同向放大器設計如下：</p><p><b>　　圖3.1.2</b></p><p>　　Vi與V-虛短， </p><p>　　因為虛斷，反向輸入端沒有電流通過，R1、R2 串聯(lián)。</p><p><b>　　所

18、以 </b></p><p>　　又Vi等于R2上的分壓 </p><p><b>　　綜得，</b></p><p>　　由上，可取R1、R2分別為1KΩ。</p><p><b>　?。?）電壓跟隨器</b></p><p>　　電壓跟隨器，顧名

19、思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，也就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。</p><p>　　它的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低。將它放在lm35后面可以隔離開傳感器和后方的電路，保證傳感器輸出電壓的穩(wěn)定性與實用性。</p><p>　　本設計使用TL084的一個放大器作為電壓跟隨器。</p><p><b>　　如圖：</b

20、></p><p><b>　　圖3.1.3</b></p><p><b>　　模塊整體電路如下：</b></p><p>　　圖3.1.4 </p><p>　　3.2 A/D及存儲器模塊</p><p>　?。?）ADC0809</p>

21、<p>　　ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。</p><p><b>　　器件封裝如下：</b></p><p><b>　　圖3.2.1</b></p><p><b>　　器件引腳結(jié)構(gòu)：&l

22、t;/b></p><p>　　ADC0809 各腳功能如下：</p><p>　　D7-D0：8 位數(shù)字量輸出引腳。</p><p>　　IN0-IN7：8 位模擬量輸入引腳。</p><p>　　VCC：+5V 工作電壓。</p><p><b>　　GND：地。</b></p&g

23、t;<p>　　REF（+）：參考電壓正端。</p><p>　　REF（-）：參考電壓負端。</p><p>　　START：A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。</p><p>　　ALE：地址鎖存允許信號輸入端。</p><p>　?。ㄒ陨蟽煞N信號用于啟動A/D 轉(zhuǎn)換）.</p><p>　　EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)

24、束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平， 當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。</p><p>　　OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。</p><p>　　CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。</p><p><b>　　器件時序圖：</b></p><p><b>　　圖3.2.2</b>

25、;</p><p>　　因為本次設計的要求是20mv/℃，ADC0809的模擬電壓范圍為0V~5V，20*255=5100mv，所以模擬電壓取5V。</p><p><b>　?。?）NE555</b></p><p>　　NE555是一種計時IC，只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用，其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。&

26、lt;/p><p>　　下面是NE555的管腳圖：</p><p><b>　　圖3.2.3</b></p><p>　　本次設計中NE555提供給ADC0809 95KHZ的時鐘頻率。其具體電路如下圖所示：</p><p><b>　　圖3.2.4</b></p><p>　　

27、取Ra、Rb分別為1KΩ、5.6KΩ，電容102，Rl不接。</p><p>　　（3）AT28C64 </p><p>　　AT28C64是一款存儲器芯片，當CE和OE為低電平,WE為高電平,由地址引腳上電平?jīng)Q定的存儲單元中的存儲的數(shù)據(jù)就被讀出。</p><p>　　AT28C64的引腳如下圖所示：</p><p><b>　

28、　圖3.2.5</b></p><p>　　其中A0~A11為輸入地址線，I/O0~I/O7為輸出線。</p><p>　　AT28C64燒錄數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　模塊連線圖：</b></p><p><b>　　圖3.2.6</b></p><p>

29、;<b>　　圖3.2.7</b></p><p>　　3.3 數(shù)碼管顯示模塊</p><p>　　本課題設計采用CD4511作為數(shù)碼管的譯碼芯片。</p><p>　　CD4511是一個用于驅(qū)動共陰LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能 提供較大的拉電流?？?/p>

30、直接驅(qū)動LED顯示器。CD4511的輸入為8421BCD碼。</p><p>　　CD4511真值表：</p><p><b>　　顯示模塊電路：</b></p><p><b>　　圖3.3.3</b></p><p>　　在本課題中上圖的CD4518由74157代替，另外由于是共陰管，所以7個3

31、00Ω的電阻可以由共地端的一個電阻取代。</p><p><b>　　3.4 計數(shù)模塊</b></p><p>　　在本課題中計數(shù)模塊采用四位二進制/十進制可預置計數(shù)器CD4029實現(xiàn)。由于測溫范圍為0~99℃，所以預警設計溫度為兩位數(shù)。所以需要兩片CD4029。</p><p>　　這里可以采用一位開關(guān)控制進行0~99的計數(shù)，也可以采用兩位開

32、關(guān)分別控制一位十進制數(shù)進行0~9的計數(shù)。兩相比較，第二種方案設定起溫度來更為方便、可靠，故采用第二種方案。</p><p>　　CD4029引腳作用介紹：</p><p>　　CD4029引腳圖：</p><p><b>　　圖3.4.1</b></p><p>　　計數(shù)模塊電路圖如下：</p><p

33、><b>　　圖3.4.2</b></p><p>　　3.5 比較判斷以及報警模塊</p><p>　　本課題設計中采用的比較判斷芯片為7485。7495是四位比較芯片，通過級聯(lián)可以構(gòu)成8位比較芯片。在本次設計中就通過兩片7485的級聯(lián)，形成8位比較芯片，進行環(huán)境溫度和設定溫度的比較，從而判斷是否報警。</p><p>　　比較判斷以及

34、報警電路如下：</p><p><b>　　圖3.5.1</b></p><p>　　3.6 顯示切換模塊</p><p>　　74157為4組2選1數(shù)據(jù)選擇器，單片74157可以實現(xiàn)4位二進制的選擇與輸出。在本課題中則要求能夠進行8位二進制的選擇與輸出，所以需要兩片74157同時進行工作。74157部分的電路如下圖所示： </p>

35、;<p><b>　　圖3.6.1</b></p><p>　　第四章 測試與調(diào)試</p><p>　　4.1 數(shù)字顯示電路的調(diào)試</p><p>　　手動給予CD4511的四個輸入管腳相應的高低電平，查驗數(shù)碼管顯示是否正確。</p><p><b>　　列表如下：</b><

36、/p><p>　　符合8421BCD碼的輸入要求，顯示模塊可以正常使用，符合設計要求。</p><p>　　4.2 ADC、AT28C64與顯示電路的連接調(diào)試</p><p>　　檢測AT28C64的3、4、5、6、7、8、9、10腳，記錄它們的高低電平狀態(tài)，同時記錄數(shù)碼管的顯示數(shù)字。制成下表：</p><p>　　發(fā)現(xiàn)AT28C64的輸入與

37、數(shù)碼管顯示輸出相符，所以該部分模塊與設計要求相符。</p><p>　　4.3 NE555頻率發(fā)生調(diào)試</p><p>　　將NE555的輸出腳3號腳連接示波器的CH1通道，顯示占空比50%的方波信號。經(jīng)測量，方波頻率為95KHZ,符合設計要求。</p><p>　　4.4 傳感器與顯示電路的調(diào)試</p><p>　　檢測lm35的輸出腳的電

38、壓，檢測經(jīng)放大器放大后的信號電壓，并觀測數(shù)碼管顯示的溫度示數(shù)，制表如下：</p><p>　　符合電路設計要求，但誤差較大。</p><p>　　4.5 報警溫度的設定與判斷調(diào)試</p><p>　　由CD4029進行計數(shù)，分別設定不同的溫度，高于當前環(huán)境溫或者低于，觀測并記錄發(fā)光二極管的亮滅情況。制成下表：</p><p>　　報警模塊符合

39、設計要求。</p><p>　　第五章 設計總結(jié)</p><p>　　5.1 設計完成情況</p><p>　　指標基本達成，能夠正常顯示溫度，能夠設置比較溫度，并能超溫報警。當給lm35加熱時，顯示溫度能夠明顯有改變。</p><p><b>　　5.2 問題與改進</b></p><p>

40、　　（1）數(shù)碼管過量，可串接電阻</p><p>　?。?）電路不工作時，仔細檢查，可能是器件也可能是短路、斷路造成</p><p>　?。?）調(diào)試盡量分模塊調(diào)試，更精準</p><p><b>　　5.3 心得體會</b></p><p>　　本次課程設計大大的鍛煉了自己本身的動手能力，同時對器件，對電路都有了一個更深