課程設(shè)計---數(shù)字溫度計設(shè)計

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

2、gt;<p>　　學(xué) 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(dǎo) 教 師 </p><p>　　2013 年 12 月 5 日</p><p&

3、gt;　　課程設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　指導(dǎo)教師（簽字）： 學(xué)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)用，鞏固所學(xué)的知識，為以后工作與學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。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(lǐng)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(nèi)，許多化學(xué)反應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)簡潔。</p><p>　　關(guān)鍵字：數(shù)字溫度計；LED顯示；精度。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設(shè)計任務(wù)與要求........................

6、..............</p><p>　　1.1 設(shè)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(shè)計與論證.......................................4</p><p>　　3 單元電路設(shè)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(shè)計....................................10</p><p>　　4總原理圖及原件清單..................

9、.............</p><p>　　5安裝與調(diào)試.......................................</p><p>　　6性能測試與分析...................................</p><p>　　7結(jié)論與心得......................................</p

10、><p>　　參考文獻............................................</p><p>　　1、設(shè)計任務(wù)與要求 </p><p><b>　　1.1、設(shè)計要求 </b></p><p>　　溫度計是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)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(shè)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(shè)計與論證 </p><p>　　由設(shè)計和任務(wù)要求可知道，本設(shè)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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)換器需要選擇有LED驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器進行數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)能滿足CC7107數(shù)模轉(zhuǎn)換的要求，進行數(shù)字顯示由于

15、MC14433模數(shù)轉(zhuǎn)換器的顯示部分需要驅(qū)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(fù)雜和麻煩。而321位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器CC7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內(nèi)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(zhuǎn)換。</p><p>　　3、單元電路設(shè)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(jié)正向的溫度系數(shù)為-2mV/℃，即溫度每升高1℃，b-e結(jié)電壓降低2mv,利用這個特性可以測量溫度。 設(shè)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(yīng)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(guān)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(yīng)電壓為10mV。</p><p>　　通用型低功耗集成四運放LM324，內(nèi)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器 的數(shù)字顯示不為零，因此要設(shè)計一個調(diào)零電路。&

20、#160;本實驗設(shè)計了一個電橋電路，通過調(diào)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(zhuǎn)換部分 </b></p><p>　　321位雙積分A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器CC7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內(nèi)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(zhuǎn)換。CC7107內(nèi)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(qū)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(qū)動輸出端，各筆段輸出端分別與個位數(shù)顯示器對應(yīng)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(qū)動輸出端，各筆段輸出端分別與十位數(shù)顯示器對應(yīng)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(qū)動輸出端，各筆段輸出端分別與百位數(shù)顯示器對應(yīng)的筆段a~g相連接。 </

26、p><p>　　32端：COM，模擬公共電壓設(shè)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(shè)置端及測試端，經(jīng)過芯片內(nèi)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(guān)系。</p><p>　　根據(jù)CC7107的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，可以分析A/D轉(zhuǎn)換的工作過程。設(shè)其轉(zhuǎn)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(shè)新的采樣階段開始，設(shè)開關(guān)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(shè)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(jié)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(guān)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(nèi)，積分器的輸出電壓與計數(shù)脈沖N2的關(guān)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(jié)束，設(shè)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(wù)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(guān)SAZ1、SIN、S+、S-等完成的。設(shè)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(zhuǎn)換經(jīng)過三個階段所需時鐘脈沖數(shù)為N，則一次轉(zhuǎn)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(shè)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(qū)動發(fā)光 二極管（LED）數(shù)碼顯示器，并且CC7107芯片內(nèi)部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅(qū)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(qū)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(diào)試</b></p><p>　　把

34、各設(shè)計部分進行安裝連接 溫度數(shù)字顯計安裝和調(diào)試，調(diào)節(jié)調(diào)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(diào)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(jié)壓降增量為-4000mV，根據(jù)式（1）可知，調(diào)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(diào)好，輸出讀數(shù)與溫度成對應(yīng)關(guān)系，輸出讀數(shù)與UREF和Uin之間仍保持式(1)的關(guān)系。小數(shù)點取第二個數(shù)碼管的D.P.段顯示。調(diào)試0°C時，應(yīng)使顯示器的顯示為“0000”；調(diào)試100°C時，應(yīng)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(diào)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?qū)崿F(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(jié)論與心得</b></p><p>　　

37、剛動手做本課題的設(shè)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(shè)定比較困難，而且網(wǎng)上和圖書館的關(guān)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(xué)的互相討論和求證，在老師的一定指導(dǎo)下終于對整個設(shè)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(guān)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(shè)計的應(yīng)用的重要性。通過課程設(shè)計，使得我對模電和數(shù)電的一些相關(guān)知識掌握得更好一些，同時增強對設(shè)計性實驗的興趣，認識到模擬數(shù)字電子技術(shù)在實際生活中的廣泛應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)》，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(shù)基礎(chǔ)（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(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計》高吉祥主編，電子工業(yè)出版社，2005年。 </p><p>