溫度式電壓表課程設(shè)計(jì)論文.doc

常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙 目錄一 . 概述3 1.1引言3 1.2設(shè)計(jì)任務(wù)3 1.3設(shè)計(jì)要求3 1.4課程設(shè)計(jì)任務(wù)書4 二 . 系統(tǒng)總體方案6 2.1對溫度進(jìn)行測量、控制并顯示62.2方框圖62.3設(shè)計(jì)電路圖7三 . 各部分功能模塊設(shè)計(jì)（功能描述）8 3.1 溫度傳感器8 3.2 運(yùn)放電路103.3 A/D轉(zhuǎn)換電路113.4數(shù)碼管顯示電路133.5元件清單14四 . 實(shí)驗(yàn)電路板視圖15五 . 調(diào)試及總結(jié)16六 . 課程設(shè)計(jì)心得體會17六 .參考文獻(xiàn)191.1 引言溫度是一個(gè)基本物理量，也是一個(gè)與人們的生活環(huán)境、生產(chǎn)活動密切相關(guān)的重要物理量。溫度的測量和控制技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，經(jīng)常需要對某一系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測量，并能自動地控制、調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的溫度。通過該設(shè)計(jì)我們可以直觀看到溫度視數(shù)變化，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，同時(shí)我們也可以通過報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)后再進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)一步熟悉模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，并進(jìn)一步鞏固所學(xué)模擬電子及相關(guān)知識，達(dá)到綜合應(yīng)用電子技術(shù)的目的，培養(yǎng)設(shè)計(jì)開發(fā)以及動手實(shí)踐等能力，學(xué)會閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)，查找器件手冊與相關(guān)參數(shù)，獨(dú)立思考分析，完整理總結(jié)設(shè)計(jì)報(bào)告。了解溫度傳感器件的功能，學(xué)會在實(shí)際電路中應(yīng)用。進(jìn)一步熟悉集成運(yùn)算放大器的線性和非線性應(yīng)用。了解檢測溫度的傳感器種類不同，采用的測量電路和要求不同，執(zhí)行器、開關(guān)等的控制方式也不同。運(yùn)用電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度測量和控制任務(wù)，完成溫度測量和控制電路的連接和調(diào)試。學(xué)會對電子電路的檢測和排除電路故障，進(jìn)一步熟悉常用電子儀器的使用，提高分析問題和解決問題的能力。1.3 設(shè)計(jì)要求 被測溫度和控制溫度均可數(shù)字顯示； 測量溫度為01200C，精度為050C； 控制溫度連續(xù)可調(diào)，精度1OC； 2.1 對溫度進(jìn)行測量、控制并顯示首先必須將溫度的度數(shù)（非電量）轉(zhuǎn)換成電量，然后采用電子電路實(shí)現(xiàn)題目要求?？刹捎脺囟葌鞲衅?，將溫度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并通過放大、濾波后送A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后進(jìn)行譯碼顯示2.2方框圖VmaxVREFLEDR被測量控制系統(tǒng)溫度傳感器放大器低通濾波器譯碼驅(qū)動顯示電路A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)溫控制電路比較器（）揚(yáng)聲器或蜂鳴器報(bào)警控制電路比較器（）S說明： 傳感器可以采用LM 35溫度傳感器，電橋的輸出電壓作為運(yùn)放構(gòu)成的差動放大器雙端輸入信號，將信號放大后由低通濾波器將高頻信號濾去。如上圖所示。2.3設(shè)計(jì)電路圖3.1溫度傳感器AD590 要求對一個(gè)非電量（如溫度、力矩、重量等）進(jìn)行自動測量和控制，首先需將這一非電量轉(zhuǎn)換成電量。完成這一過程的裝置稱為傳感器。溫度傳感器的種類較多，常用的有：（1）熱電偶 用兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路。如果兩端結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則在兩者之間產(chǎn)生一電動勢E，而在回路中有一定大小的電流。這個(gè)電動勢或電流與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。利用這種熱電效應(yīng)組成的溫度傳感器，稱為熱電偶。熱電偶具有測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但靈敏度較低。（2）半導(dǎo)體熱敏電阻 由于非線性而影響其精度，不適宜在精度較高的溫度控制系統(tǒng)中作傳感器。（3）鉑電阻溫度傳感器 測量范圍大，精度較高，但成本高，適合在較大系統(tǒng)中使用。（4）集成溫度電流傳感器 如美國Analog Devices公司生產(chǎn)的AD590，它的測溫范圍為-50oC+150 oC，滿刻度范圍誤差為0.3 oC，工作電壓范圍430V，電流溫度靈敏度為1A/K，線性度良好，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，其管腳排例如圖2（a）。（a） AD590外形圖 （b）AD590組成的溫度檢測電路圖2AD590不能直接置于水中，需加防水但不隔熱裝置。由AD590組成的測溫電路如圖2（b）所示。因?yàn)镺P07運(yùn)算放大器的反相輸入端電位VN=0V，故由基準(zhǔn)源MC1403提供的電流I為：調(diào)節(jié)R即可改變I的大小。 因?yàn)锳D590輸出電流的溫度靈敏度為1A/K,，而絕對溫度與攝氏溫度的關(guān)系為KC273.15。設(shè)要測量的溫度為T（攝氏溫度），則流過AD590的電流It為：流過反饋支路的電流If=It-I0=T+273.15-2.5/(Rp1+R)，可見若要使IfT，只要調(diào)節(jié)電位器RP1即可。此時(shí)放大器的輸出電壓為：Uo=(R2+Rp2).If=(R2+Rp2).T若要得到10mV/C的靈敏度輸出，可選用R2=9.1K, Rp2=2K，故RP1為調(diào)零電位器，RP2為靈敏度電位器。3.2 運(yùn)放電路LM324集成運(yùn)放LM324 如圖4，使用LM324 中的兩塊運(yùn)放。第一塊將Pt100 的電壓信號進(jìn)行跟隨，目的是用集成運(yùn)放的輸入電阻高達(dá)107 以上（Ri），可將Pt100 上的電壓信號幾乎毫無衰減地全部傳輸?shù)较乱患壏糯?。第二塊放大的目的：其一是進(jìn)行電壓放大。通過調(diào)整20 k 電阻，使溫度為100時(shí)候，輸出電壓為100 mV；其二，由- 5V 電源、1k、5.1k、510 可調(diào)電阻組成集成運(yùn)放的輔助調(diào)零電路，目的是為實(shí)現(xiàn)電平移動，當(dāng)輸入信號為100 mV 時(shí)，輸出電壓0。LM324 是四運(yùn)放集成電路，采用14 腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部包含4 組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，4 組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1 所示的符號來表示，有5 個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列及原理圖見圖4。圖4 LM324 四比例運(yùn)算放大器管腳分布圖及原理圖3.3A/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(shí)包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時(shí)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(gè)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(shí)會有更突出的特點(diǎn)。ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.4所示。其中計(jì)數(shù)器對反向積分過程的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l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(gè)：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)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(shí)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(gè)測量周期自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個(gè)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 F3 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(gè)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(gè)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(shí)要小心，不能出現(xiàn)錯誤。3.4數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陰極是把所有LED的陽極連接到共同接點(diǎn)com，而每一LED的陰極分別為a,b,c,d,e,f,g及sp（小數(shù)點(diǎn)），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.7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(jì)當(dāng)中，由于ICL7107的特點(diǎn)，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(shí)，我們要注意數(shù)碼管各個(gè)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。3.5元件清單元件名稱元件型號及參數(shù)個(gè)數(shù)電阻15015.1K16.8K110K1100K2470K11M 1可調(diào)電阻5K2電容0.047 uF10.01 uF10.22 uF10.1 uF1100 pF1芯片及晶體管LM3241TL4311AD59013DG81ICL71071數(shù)碼管共陽極數(shù)碼管4顯示室溫電路圖實(shí)驗(yàn)電路板調(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(jì)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)值，然后改變基準(zhǔn)電壓，將其調(diào)至1V，確保LM324的2腳與3腳的電壓與0相差不大，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(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性以及它的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們對實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。用設(shè)計(jì)制作成的電路測的室溫與實(shí)際室溫比較，相比較相差不大。參考文獻(xiàn)：1 (電子技術(shù)應(yīng)用)2 林占江. 電子測量技術(shù). 北京: 電子工業(yè)出版社,20033 曹 輝,胡俊,黃均鼐. 數(shù)字式溫度測量電路的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn).微電子學(xué)報(bào),2001;(3)4 畢滿清電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001年5 溫新宜，精選實(shí)用電子制作集錦，電子工業(yè)出版出版，1996年6 華容茂，閆軍主編，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)，吉