三位半數(shù)碼管溫度計制作設(shè)計報告匯總.doc

課程設(shè)計三位半數(shù)字顯示溫度計設(shè)計報告設(shè)計時間： 2014.1.9 班 級： 12級應(yīng)用電子技術(shù)4班姓 名： 比爾威廉姆斯 報告頁數(shù)： 13頁 廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計報告設(shè)計題目：3位半數(shù)字顯示溫度計學(xué)院：信息工程學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)（4）班學(xué)號：333333333333333333姓名：比爾威廉姆斯合作者：比爾蓋茨 成績評定_優(yōu)秀_教師簽名_梁秀玲_目 錄一設(shè)計思路，方案設(shè)計及選擇，設(shè)計原理二電路參數(shù)設(shè)計與計算和元器件選擇依據(jù)三設(shè)計原理圖和安裝布線圖四設(shè)計原理圖和安裝布線圖五調(diào)試過程六測試的曲線，總結(jié)設(shè)計過程，分析設(shè)計結(jié)果 七心得體會一 設(shè)計思路，方案設(shè)計及選擇，設(shè)計原理1設(shè)計思路傳感器模擬電壓AD轉(zhuǎn)換數(shù)字信號驅(qū)動電路數(shù)碼管顯示按照上面框圖，大致可分為三部分電路：溫度采集部分（采用LM35），A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)碼管驅(qū)動部分（采用7106或7107），數(shù)碼管按實際情況綜合考慮。2.方案設(shè)計及選擇。方案1：采用LM35，ICL7107，采用四塊分立七段LED顯示；方案2：采用LM35，ICL7107，采用標(biāo)準(zhǔn)的弦3 1/2位LED顯示；方案3：采用LM35，ICL7107，采用4位組合LED顯示；方案4：采用LM35，ICL7107，采用LCD顯示。經(jīng)討論，考慮到標(biāo)準(zhǔn)位LED顯示采購困難和實踐制作能力限制（采用焊錫制而非PCB），所以電路規(guī)模受到較大限制，所以不采用4位組合LED顯示和LCD顯示。最終決定采用方案1.3.設(shè)計原理：（1）LM35資料：LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補償，所以輸出可以從0開始。LM35有多種不同封裝型式。LM35封裝：如圖：在常溫下，LM35 不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到 1/4的準(zhǔn)確率。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，其引腳如圖一所示，正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的量測；兩種接法的靜止電流-溫度關(guān)系，在靜止溫度中自熱效應(yīng)低(0.08)，單電源模式在25下靜止電流約50A，工作電壓較寬，可在420V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電。在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50A），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場合中，輸出可以由第三個引腳取出，根本無需校準(zhǔn)。其計算公式：規(guī)格參數(shù)：1、工作電壓：直流430V；2、工作電流：小于133A3、輸出電壓：+6V-1.0V4、輸出阻抗：1mA負(fù)載時0.1；5、精度：0.5精度（在+25時）；6、漏泄電流：小于60A；7、比例因數(shù)：線性+10.0mV/；8、非線性值：1/4；9、校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；10、額定使用溫度范圍：-55+150。11、指定工作溫度范圍，LM35D 0 to +100（2）ICL7107資料：ICL7107的特點： ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMoS大規(guī)模集成電路，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。、 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 。 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。 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。 輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用。 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。 噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長。 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。 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+. 可以方便的進(jìn)行功能檢查。ICL7107引腳功能V和V-分別為電源的正極和負(fù)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。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(fù)端以及基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連。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(fù)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(fù)端。AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容CAz 。BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。ICL7107工作原理：1.自動穩(wěn)零階段：tAZ=1000TCL+2000TcL-（1000TCLVIN）/VREF式中：TCL為時鐘脈沖fCL的周期 1000TcLVIN/VREF 為反積分時間2.信號積分階段：C對模擬信號進(jìn)行采樣積分，時間固定為1000個計數(shù)脈沖時間。積分結(jié)束后積分器的輸出電壓： VINT0=1/（RINTCINI）0 kVIN dt 積分時間為0tRINT為積分電阻，CINI為積分電容，K為緩沖器電壓放大系數(shù)，VIN為模擬輸入，t為積分時間1000個計算脈沖.信號積分階段固定時間為tINT=1000TCL3反積分階段：DE，C實現(xiàn)對輸入模擬信號極性相反的參考電壓VREF進(jìn)行積分，DE時，參考電容上的VREF進(jìn)入緩沖器進(jìn)行放大，放大后VREF進(jìn)入積分器積分，從VINT0開始輸出電壓為：UDE=UINT+1/ RINTCINIkVREF dt積分器迫壓至0的時間為t2-t1，將VINT0積分值代入并對第2項積分：0=-（t1kUIN）/（ RINTCINI） +【 (t2-t1)kVREF】/ （RINTCINI）.又可得：vIN=【(t2-t1)VREF】/t1.若計數(shù)脈沖表示時間t1有1000個計算脈沖，t2-t1就有T個計數(shù)脈沖，所以VIN=(VREFT)/1000. 因為VREF為常數(shù)，所以VIN與積分器在反積分時迫壓至0時的時間成正比。T用計數(shù)脈沖個數(shù)表示。通過譯碼器就可接收計數(shù)器狀態(tài)，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，若VREF=1000mv，那么VIN的數(shù)值=T的數(shù)值.3數(shù)碼管資料：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)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。 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12 mA，最大極限電流也只有1030 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。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數(shù)碼管使用注意事項說明：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(hù)膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來。由以上資料得：通過ICL7107對LM35輸出電壓的采集，并使ICL7107驅(qū)動數(shù)碼管。只要給ICL7107設(shè)置正確的外部電路參數(shù)，就能實現(xiàn)既定的功能二.電路參數(shù)設(shè)計與計算和元器件選擇依據(jù)外部條件選擇：1.震蕩器部件：ROSC和COSC。 震蕩頻率fOSC的系數(shù)為：fOSC=1/（2ROSCCOSC3）=0.45/( ROSCCOSC).通常COSC=100pF，采用 為2.5次/秒時，而輸入脈沖頻率必須滿足1000TCL4=20msN式子中N為整數(shù)，取值為：1,2,3,4, N一般取N=5 TCL=0.025s fOSC=40kHz,所以ROSC=110k。實際產(chǎn)品只有120 k，所以選擇120 k。2. 積分電阻RINT保證ICL7107在輸入電壓范圍內(nèi)線性工作，RINT要足夠大，可由下式求得：RINT=VFS/IINT 一般IINT=4A，而VFS=2V，得RINT=500K。主要考慮到信號輸入最大電壓本來在1V以內(nèi)，但是為了讓7107絕對在線性的工作，所以VFS選擇最大為2V。3.積分電容：CINT，它的大小主要決定于在A/D轉(zhuǎn)換器額定轉(zhuǎn)換速率和額定電流下使積分器輸出不飽和為原則所以：CINT=(4000 IINT)/（fOSCVIs）當(dāng)轉(zhuǎn)換速率為2.5次/秒，IINT=4A，積分輸出電壓VIs為3V時，CINT=0.1F，它一般可選0.10.2F。轉(zhuǎn)換速率提高，在其他條件不變，要Vis要相同，則CINT下降，反之CINT上升。4.自動穩(wěn)零電容CAE=0.047F。因為7107的轉(zhuǎn)換精度為0.05V1字，所以在VFS=2V，分辨率為1字/1mv。5.CREF可以用1F. 使翻轉(zhuǎn)誤差在1字以內(nèi)。6.參考電壓VREF：滿度值時，T=2000，VIN=VFS。（T為計數(shù)脈沖個數(shù)，下同）所以VREF=0.5VFS， 輸出讀數(shù)=T=1000VIN/ VREF。當(dāng)VIN=10100mV，輸出讀數(shù)為1000所以VREF=1000mV, 同理VIN=1050mV 輸出讀數(shù)為500.所以VREF=1000mV.三：設(shè)計原理圖和安裝布線圖；1，原理圖：布線圖：四設(shè)備和元件清單：器件名或儀器名參數(shù)數(shù)量數(shù)字萬用表VC890D電壓源（自制）ICL7107一片8位共陽數(shù)碼管4片電阻1k各一個510 K120 K200電位器10k一個LM35一個電容100nF3個47nF和100pF各一片印刷板一片排針，杜邦線和導(dǎo)線若干五調(diào)試過程：剛剛焊完，忍不住激動的心情，立馬接通電源測試，結(jié)果連小數(shù)點都不能顯示，這種結(jié)果出現(xiàn)后最大可能就是電源直接與地短接了，用萬用表測試以后果然是這個原因。第2次的結(jié)果在意料之中，只顯示了一個小數(shù)點。在測試完芯片的引腳電壓后，發(fā)現(xiàn)顯示驅(qū)動的引腳輸出在1.95V到2.20V之間，所以猜想有可能是數(shù)字地未接，發(fā)現(xiàn)果然是，與此同時，還發(fā)現(xiàn)IN未接地。接上后又只能能顯示亂碼，即可猜想應(yīng)該為焊接短斷路，所以觀察數(shù)碼管的顯示規(guī)律后理論上可判斷可能是那幾個引腳短接。經(jīng)過檢查并解決了問題，最后調(diào)節(jié)VREF=1V，正常顯示，作品制作成功。六：測試的曲線，總結(jié)設(shè)計過程，分析設(shè)計結(jié)果 1，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(jìn)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LM35輸出壓V0.220.240.2600.280.300.320.340.36數(shù)碼管顯示值22.024.026.028.030.032.34.036.0LM35輸出壓V0.360.410.460.51數(shù)碼管顯示值36.041.046.051.0繪制出測溫度傳感器輸出曲線，即/V曲線，如圖：/V曲線產(chǎn)品檢驗的參考電壓為：V+: +4.7V V-: -4.6v 2、總結(jié)設(shè)計過程和分析設(shè)計結(jié)果：此次的設(shè)計過程進(jìn)展比較順利，主要是前期做了較為充分的準(zhǔn)備，包括查找芯片的各種資料，傳感器的各種資料，在較為充分了解ICL7107原理的基礎(chǔ)上計算得來的外部電路參數(shù)，是此次順利成功的關(guān)鍵。由于實際制作水平受限，未能像其他同學(xué)一樣采用PCB板，而是采用焊接制板，所以電路規(guī)模受到較大的限制。所以也未能制作出能使用獨立電源的方便自己使用的溫度計，不能不說是一種遺憾。當(dāng)然，也采用了isis進(jìn)行原理圖設(shè)計，但是由于軟件出于盜版問題，仿真不了。但出于對計算參數(shù)結(jié)果準(zhǔn)確度的信心和考慮到仿真軟件不一定奏效的原因。討論后，決定直接實踐。所以采用了Altium Designer 10 進(jìn)行原理圖布線。這也是出于為了減少在實際電路板走線過程的錯誤和合理設(shè)計電路布局的考慮。由于上學(xué)期已在焊接電路板方面有過課程的學(xué)習(xí)，所以這次焊錫制板過程較為成功，只有在少數(shù)地方出現(xiàn)相鄰線之間的短路現(xiàn)象，導(dǎo)致顯示出現(xiàn)亂碼，還有就是芯片的數(shù)字地和IN- 地段忘接數(shù)字地未接地，直接的后果是芯片的數(shù)碼管顯示驅(qū)動端輸出1.95V的高電平，而共陽端只有3.4V的低電壓：3.4V - 1.95V =1.4V1.61.8V 的數(shù)碼管起動電壓，IN- 未接地也是輸出不正常的原因。這兩個問題解決后，并把短路的部分修好，整個電路就完成了。3.結(jié)果分析：1. 在其他條件元件數(shù)值選擇上基本準(zhǔn)確的情況下，取VREF=1000mv,測得與正常室溫相比高于室溫0.4度，基本符合要求，本次設(shè)計出的產(chǎn)品精度0.1。七.心得體會：通過此次的課程設(shè)計讓我感覺到自己理論與實踐都還相當(dāng)欠缺，首先理論知識沒有經(jīng)過實踐的強化容易忘卻，其次，實