課程設(shè)計(jì)（論文）數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

1、harbin institute of technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）課程名稱(chēng)： 課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 院 系： 電子與信息工程學(xué)院 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間：2011年4月15日至2011年6月6日哈爾濱工業(yè)大學(xué)2011年4月15日星期五哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 姓 名： 院 （系）： 專(zhuān) 業(yè)： 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 2011年 4 月15 日至 2011 年 6月5日 課程設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：根據(jù)給定主要功能要求和主要元器件，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的數(shù)字溫度計(jì)。(1) 自制穩(wěn)壓電源(2) 被測(cè)溫度的

2、范圍在0至200c(3) 用4位數(shù)碼管顯示溫度值 工作量：1. 查找資料2. 設(shè)計(jì)論證方案3. 具體各個(gè)電路選擇、元器件選擇和數(shù)值計(jì)算4. 具體說(shuō)明各部分電路圖的工作原理5. 繪制電路原理圖6. 繪制印刷電路圖7. 元器件列表8. 編寫(xiě)調(diào)試操作9. 打印論文 工作計(jì)劃安排：1. 查找資料、設(shè)計(jì)論證方案具體各個(gè)電路選擇、元器件選擇和數(shù)值計(jì)算繪制電路原理圖一周2. 繪制印刷電路圖、元器件列表一周3. 編寫(xiě)調(diào)試操作、打印論文 一周 同組設(shè)計(jì)者及分工：每人一組單獨(dú)完成 指導(dǎo)教師簽字_ 2011年 4月13日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字_ 2011年4月13日*注：此任務(wù)書(shū)由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫(xiě)。

3、哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）一、任務(wù)技術(shù)指標(biāo)主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)，測(cè)量范圍：0200 oc。溫度的實(shí)時(shí)led數(shù)字顯示。測(cè)量溫度信號(hào)為模擬量?；疽螅?.畫(huà)出數(shù)字溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖。2.畫(huà)出系統(tǒng)原理圖、印制版圖與仿真圖。3.計(jì)算所需器件數(shù)值，列寫(xiě)元器件清單4.進(jìn)行調(diào)試操作5.按要求完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，打印報(bào)告二、總體設(shè)計(jì)思想1.基本原理溫度的測(cè)量，在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程和科研工作中都非常重要。數(shù)字式溫度測(cè)量的特點(diǎn)是采用數(shù)碼管直接顯示出被測(cè)溫度值，這種數(shù)字顯示不僅直觀，測(cè)量精度高而且便于進(jìn)行自動(dòng)控制。所以，數(shù)字溫度計(jì)獲得了廣泛的應(yīng)用。（一）電路的功能和組成數(shù)字溫度計(jì)應(yīng)具有下列基本功能：1.

4、能把溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為成比例的模擬電信號(hào)（電流或電壓等）。 2.把模擬電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。3.最后通過(guò)數(shù)字電路（譯碼和顯示）直接指示出溫度值。（二）為了實(shí)現(xiàn)上述功能，可以有多種不同的方法，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求和具體情況進(jìn)行選擇。1.溫度變換電路目前廣泛使用的溫度傳感器主要包括熱電偶、熱敏電阻、測(cè)溫鉑電阻、集成電路(ic)溫度傳感器、晶體管溫度傳感器等幾種類(lèi)型的傳感器，這幾類(lèi)傳感器又各有優(yōu)缺點(diǎn)： 熱電偶的靈敏度較低，但它能在很寬的溫度范圍內(nèi)使用； 熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，但靈敏度高，有利于檢測(cè)微小溫差，但由于其輸出的特性量是非線(xiàn)性的，在檢測(cè)時(shí)要首先經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化變換，使用不方便； 廉價(jià)集成電

5、路(ic)溫度傳感器的性能離散度較大，必須經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后才可用于高精度測(cè)量； 測(cè)溫鉑電阻溫度系數(shù)的離散度很小，精確度較高，靈敏度也較好，特別適用于1 000以下溫度的測(cè)量，但價(jià)格比較貴； 晶體管溫度傳感器則是利用半導(dǎo)體材料pn 結(jié)電流電壓特性和溫度的相關(guān)性進(jìn)行測(cè)溫，它的最大優(yōu)點(diǎn)是輸出線(xiàn)性度好，測(cè)溫精度也比較高，而且價(jià)格便宜，是比較有前途的一類(lèi)溫度傳感器?；谝陨峡紤]，本文介紹的電路就采用pnp 三極管作為溫度傳感器。2.放大電路 在該測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器的輸出是放大器的信號(hào)源，然而改傳感器的等效電阻不是常量。根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式：可知，放大器的放大能力將隨信號(hào)大小而變。為了保證放大器對(duì)不同幅值信

6、號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，就必須使得放大器的輸入電阻rirs，ri愈大，因信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差就愈小。此外，放大器應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。3. a/d轉(zhuǎn)換電路（1）a/d轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)常用的a/d轉(zhuǎn)換器有雙積分型、逐次比較型、并行比較型等。不同類(lèi)型的adc轉(zhuǎn)換器在性能指標(biāo)上也有很大差異。類(lèi)型并行比較型逐次比較型積分型主要特點(diǎn)超高速速度、精度、價(jià)格等綜合性?xún)r(jià)比高高精度、低成本高抗干擾能力輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)6108161216轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms幾十幾十幾百幾十幾百主要用途超高速視頻處理數(shù)據(jù)采集工業(yè)控制數(shù)字儀表（2） a/d轉(zhuǎn)換器的選用依據(jù) a/d轉(zhuǎn)換器用于什么系統(tǒng)、輸出的數(shù)據(jù)位數(shù)、系統(tǒng)的精

7、度、線(xiàn)性。輸入的模擬信號(hào)類(lèi)型，包括模擬輸入信號(hào)范圍、信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力、信號(hào)的變化快慢。對(duì)a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間、取樣速率的要求等。后續(xù)電路對(duì)a/d轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字邏輯電平的要求、驅(qū)動(dòng)電路等。成本及芯片來(lái)源等因素。4. 譯碼顯示電路為了節(jié)省資源，使用led的動(dòng)態(tài)顯示方式。由于刷新速率較高，以及人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，我們看到的是四個(gè)led同時(shí)點(diǎn)亮，穩(wěn)定顯示沒(méi)有閃爍的效果。2. 基本框圖溫度傳感器精密放大器a/d轉(zhuǎn)換器譯碼顯示電路圖1 數(shù)字溫度計(jì)框圖3、 具體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)主要構(gòu)成部分應(yīng)該是由模擬傳感器、線(xiàn)性放大電路、a/d轉(zhuǎn)換分析、驅(qū)動(dòng)電路及顯示五部分組成。下面主要詳細(xì)介紹各個(gè)電路的具體功能。1.溫度取樣

8、電路設(shè)計(jì)溫敏三極管在溫度發(fā)生變化時(shí)be結(jié)的溫度系數(shù)為2mv/c，利用這個(gè)特性可以測(cè)出環(huán)境溫度的變化。圖2 溫度取樣電路 由圖可知，u0處即為-ube和r2處的偏置電壓之和。所以r2可作調(diào)零功能之用，使溫敏三極管在0c時(shí)的u0為零，使顯示器的讀數(shù)也為零。2. 放大電路三運(yùn)放構(gòu)成的精密放大電路電路圖如圖所示：圖3 三運(yùn)放構(gòu)成的精密放大電路根據(jù)運(yùn)算電路的基本分析方法 即 所以輸出電壓：則： 當(dāng)時(shí)， 其中為可變電阻，可調(diào)整放大器放大倍數(shù)，以便調(diào)整200的滿(mǎn)度數(shù)。3. a/d轉(zhuǎn)換器本設(shè)計(jì)選用為積分式a/d轉(zhuǎn)換器mc14433。mc14433是美國(guó)motorola公司推出的單片位a/d轉(zhuǎn)換器，它將模擬部分

9、和數(shù)字部分的電路集成在同一芯片內(nèi)，結(jié)果以bcd碼形式輸出。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。使用時(shí)僅需外接兩只電阻和兩只電容，即可構(gòu)成一個(gè)完整的a/d轉(zhuǎn)換器。mc14433最主要的用途是作為數(shù)字電壓表、數(shù)字溫度計(jì)等各類(lèi)數(shù)字化儀表及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的a.d轉(zhuǎn)換借口。其主要功能特性如下：1 精度：讀數(shù)的0.05%1字。2 模擬電壓輸入量程：1.999v和199.9mv兩檔。3 轉(zhuǎn)換速率：225次/s。4 輸入阻抗：大于1000 m。5 電源電壓：4.88v。6 功耗：8mw（5v電源電壓時(shí)，典型值）。mc14433的引腳圖如圖

10、4所示。圖4 mc14433的引腳圖mc14433的引腳使用說(shuō)明如下。1腳（vag）：模擬地，為輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓的公共地端。2腳（vref）：基準(zhǔn)電壓，此引腳為外界基準(zhǔn)電壓的輸入端。mc14433只要一個(gè)正基準(zhǔn)電壓即可測(cè)量正負(fù)極性的電壓。3腳（vx）：被測(cè)量的輸入端，mc14433屬于雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器，因而被測(cè)電壓與基準(zhǔn)電壓有以下關(guān)系：因此，滿(mǎn)量程時(shí)vx = vref。當(dāng)滿(mǎn)量程選為1.999v，vref可取2.000v，而當(dāng)滿(mǎn)量程為199.9mv時(shí)，vref取200.0mv。在實(shí)際的應(yīng)用電路中，根據(jù)需要，vref值可在200mv2.000v之間選取。46腳（r1，r1/c1，c1）：

11、外接積分元件端。此三個(gè)引腳外接積分電阻和電容，積分電容一般選0.1f聚酯薄膜電容，如果需每秒轉(zhuǎn)換4次，時(shí)鐘頻率選為66 khz，在2.000v滿(mǎn)量程時(shí)，電阻r1約為470k，而滿(mǎn)量程為200mv時(shí)，r1取27k。7、8腳（c01、c02）:外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，電容一般選0.1f聚酯薄膜電容即可。9腳（du）：更新顯示控制端，此引腳用來(lái)控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。如果在積分器反向計(jì)分周期之前，du端輸入一個(gè)正跳變脈沖，該轉(zhuǎn)換周期所得到的結(jié)果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)選擇后輸出。否則繼續(xù)輸出上一個(gè)轉(zhuǎn)換周期所測(cè)量的數(shù)據(jù)。這個(gè)作用可用于保存測(cè)量數(shù)據(jù)，若不需要保存數(shù)據(jù)而是直接輸出測(cè)量數(shù)據(jù)，將du端與eoc引

12、腳直接短接即可。10、11腳（clk1、clk0）：時(shí)鐘外接元件端，mc14433內(nèi)置了時(shí)鐘振蕩電路，對(duì)時(shí)鐘頻率要求不高的場(chǎng)合，可選擇一個(gè)電阻即可設(shè)定時(shí)鐘頻率。12腳（vee）：負(fù)電源端。vee是整個(gè)電路的電壓最低點(diǎn)，一般vee=-5v。13腳（vss）：接地端，正負(fù)電源公共端。14腳（eoc）：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志位。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，eoc將輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)。15腳（）：過(guò)量程標(biāo)志位。當(dāng)時(shí)，輸出為低電平。16、17、18、19腳（ds4、ds3、ds2、ds1）：多路選通脈沖輸出端。ds4、ds3、ds2、ds1分別對(duì)應(yīng)于個(gè)位、十位、百位、千位選通信號(hào)。當(dāng)某一位ds信號(hào)有效（高電平）時(shí)，所

13、對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)q0、q1、q2和q3輸出，兩個(gè)選通脈沖之間的間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期，以保證數(shù)據(jù)有充分的穩(wěn)定時(shí)間。20、21、22、23腳（q0、q1、q2、q3）：bcd碼輸出端。該a/d轉(zhuǎn)換器以bdc碼的方式輸出，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)分時(shí)選通輸出個(gè)位、十位、百位和千位的bdc數(shù)據(jù)。采用字位動(dòng)態(tài)掃描掃描bcd碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位bcd碼分時(shí)在q0q3輪流輸出，同時(shí)在ds1ds4端輸出同步字位選通脈沖，可以很方便實(shí)現(xiàn)led的動(dòng)態(tài)顯示。24腳（vdd）：正電源電壓端。5. 顯示電路。為了節(jié)省資源，使用led的動(dòng)態(tài)顯示方式。即將mc14433芯片設(shè)為選通工作方式，輪流依次點(diǎn)亮四個(gè)led數(shù)碼管，各個(gè)led共

14、用顯示譯碼電路cc4511和并連在一起的總線(xiàn)（數(shù)碼管ag，dp腳）。各個(gè)led依次由mc1413驅(qū)動(dòng)，分時(shí)點(diǎn)亮相關(guān)的led。mc1413是顯示驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用電路，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)光led顯示等場(chǎng)合使用廣泛，可以替代多組分離的三極管，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，可靠性好。其內(nèi)部有7個(gè)反相驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)單元采用了達(dá)林頓管解構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路，起輸出端均為集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，每路輸出可提供100ma的驅(qū)動(dòng)電流。因?yàn)閙c14133輸出的位選通信號(hào)為高電平有效，經(jīng)mc1413反相后，正好與4只共陰極的發(fā)光二極管顯示器的千位、百位、十位及個(gè)位的接地端相連。mc14433a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果以bcd碼的形式從q0、q1、q2和q3輸出，

15、分別與cc4511的數(shù)據(jù)輸入端ad相連，cc4511的輸出端接7個(gè)幾百歐的限流電阻。當(dāng)ds=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的顯示位便顯示出09的十進(jìn)制數(shù)字。當(dāng)輸入電壓過(guò)載時(shí)，=0，控制cc4511的滅燈端，使顯示燈熄滅。將個(gè)位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，使其與實(shí)際測(cè)量溫度量程一致。a/d轉(zhuǎn)換電路和顯示電路連接圖如圖5所示。其中vx端信號(hào)來(lái)自放大器電路的輸出端信號(hào)。mc1403為輸出可調(diào)的穩(wěn)壓源集成電路，調(diào)節(jié)輸出電位器rp可以改變mc14433的基準(zhǔn)電壓vref。當(dāng)基準(zhǔn)電壓為2v時(shí)，滿(mǎn)量程為1.999v。圖5 a/d轉(zhuǎn)換電路和顯示電路連接圖6. 穩(wěn)壓電路該穩(wěn)壓電路可產(chǎn)生+5v電壓。圖6 直流穩(wěn)壓電源4、 總電路圖圖7 總電

16、路圖5、 pcb圖圖8 印制電路板圖6、 元器件清單列表 編號(hào)名稱(chēng)規(guī)格大小數(shù)量芯片w7805、mc14433、mc1403、mc1413、cc4511各1片r、r1、r3、r6、rf電阻1k共8片r5電阻100共7片r7、rc電阻470k各1片r2、r4、rp微調(diào)電阻2k各1片c0、c1、c2、 c4電容0.1uf共5片pnp溫敏三極管1片dpy_7-seg_dp147段式led數(shù)碼管led共4片a1a4運(yùn)算放大器共4片bridge1電橋共1片7、 調(diào)試操作(1) 單元電路調(diào)試單元電路調(diào)試就是進(jìn)行分部分調(diào)試，分部分調(diào)試之前應(yīng)先將各個(gè)子部分之間的信號(hào)連線(xiàn)斷開(kāi)。調(diào)試時(shí)應(yīng)先調(diào)試各個(gè)子部分電路，而不要

17、立即進(jìn)行整體綜合調(diào)試。分部分調(diào)試可以將故障局限于一個(gè)小范圍內(nèi)，有利于查找和排除故障，對(duì)各個(gè)子部分進(jìn)行調(diào)試時(shí)一定要按照各個(gè)子部分的功能及指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)試，逐步排除故障。首先調(diào)試店員，然后再調(diào)試其他部分。(2) 綜合調(diào)試各單元電路全部調(diào)試完畢后，再進(jìn)行綜合調(diào)試。給溫敏三極管加溫或降溫，這時(shí)七段led數(shù)碼顯示管的顯示值應(yīng)相應(yīng)變化。這說(shuō)明整個(gè)電路是可以工作的。(3) 定標(biāo)傳感器放入冰水混合物中，觀察led數(shù)字顯示。若不為000.0，調(diào)節(jié)微調(diào)電阻r2使得讀數(shù)為零。之后將傳感器置于沸水中，觀察led數(shù)字顯示。若不為100.0，綜合調(diào)節(jié)放大電路r4使得讀數(shù)在100.0，之后回到0度并反復(fù)調(diào)節(jié)r2和r4，直到精確度達(dá)到要求即可。至此，可以認(rèn)為定標(biāo)結(jié)束。定標(biāo)結(jié)束后，我們可以在0200的溫