位半數(shù)字顯示溫度計上交版

1、3位半數(shù)字顯示溫度計設計報告設計時間： 2013.12.152013.12.27 班 級： 應電（2）班姓 名： 鄧澤培 報告頁數(shù)： 25 廣東工業(yè)大學課程設計報告設計題目 三位半數(shù)字顯示溫度計 學院 信息工程學院 專業(yè) 應用電子技術 班級 2班 學號 3112002532 姓名 鄧澤培(合作者：黃景濤 ) 成績評定_教師簽名_1、 設計任務與要求：設計任務：采用采用溫度傳感器LM35，3位半A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字顯示器設計一個日常溫度數(shù)字溫度計。設計要求：1、產(chǎn)品設計要求： 溫度顯示范圍：050； 數(shù)字顯示分辨率：0.1； 精度誤差0.5； 電路工作電源可在59V范圍內(nèi)工作. 2、實驗測試要求：

2、 1測溫度傳感器輸出曲線，即V/曲線； 2調(diào)整電路的參數(shù)以及參考電壓； 3用示波器測量A/D轉(zhuǎn)換器的BP、POL管腳波形及輸出驅(qū)動波形； 4記錄Vin與顯示的數(shù)值關系；二、設計方案與比較 方案一：基于單片機的數(shù)字溫度計設計。器件：單片機。18B20，LED數(shù)碼管，電阻，晶振，電容。優(yōu)點：溫度高低限可自由設定、讀出溫度后實時顯示溫度、可以增加報警功能等。缺點：單片機需要編程，以現(xiàn)有的單片機知識難以完成設計所需。 方案二：基于LM35與ICL7107數(shù)字顯示溫度計設計。器件：LM35芯片、ICL7107芯片、電阻、電容、數(shù)碼管等。優(yōu)點：符合現(xiàn)有知識（模電、數(shù)電及高頻知識）及實際設計要求（老師給出的

3、設計要求）、經(jīng)濟實惠、實施簡單。缺點：相對單片機設計方案來說幾乎沒有。經(jīng)綜合比較，方案一雖然功能強大，但較難實現(xiàn)，方案二最符合實際設計要求，所以決定選擇設計方案二。三、系統(tǒng)設計總體思路系統(tǒng)主體設計原理圖： 查找資料得：ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換電路，包含七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)，可以直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，是一塊應用非常廣泛的集成電路。而LM35具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，且該器件輸出電壓與攝氏溫度成比例。此外，LM35無需外部校準或微調(diào)，就可以提供正負0.25攝氏度的常用室溫精度。根據(jù)這兩種主要部件的參數(shù)及 構造，我們決定采用通過溫度傳感器LM

4、35采集溫度信號，經(jīng)過整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管。其中ICL7107集A/D轉(zhuǎn)換器與譯碼器于一體，可以直接驅(qū)動數(shù)碼管，省去了譯碼器的接線。因為ICL7107可以借助少量外部元件達到精確測量0到200mv的電壓，而LM35本身可以直接將溫度線性轉(zhuǎn)換成電壓輸出，由此可以用ICL7107驅(qū)動數(shù)碼管實現(xiàn)信號的顯示。4、 電路主要原理 通過LM35對溫度進行采集，有溫度與電壓近乎線性的關系，以此來確定輸出電壓和相應的電流，不同的溫度對應不同的電壓值，因此我們可以通過電壓電流值經(jīng)過放大進入到A/D轉(zhuǎn)換器和譯碼器，亦即ICL7107芯片，最后驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)字溫度。原理框圖：溫度傳感

5、器雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路計數(shù)器鎖存器譯碼器驅(qū)動電路控制邏輯電路4分頻電路LED或LCD顯示器振蕩器A/D轉(zhuǎn)換電路模擬部分數(shù)字部分顯示部分 原理分析：首先是溫度的采集，此過程由溫度傳感器LM35完成。溫度傳感器LM35采集到溫度信號，經(jīng)過整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，在通過譯碼器進行對數(shù)碼管的驅(qū)動。具體如下：（1）、LM35具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。這個特點比較符合我們?nèi)粘５臏囟茸x數(shù)習慣，其精度在我們測試的時候已經(jīng)得到很好的驗證，直接用電烙鐵在其周圍加熱會有很好的系數(shù)顯示出來，因此也方便了我們的實驗數(shù)據(jù)的測量。所以，從使用者的習慣以及測量者的方便性來看

6、，LM35比用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越性。而且，LM35無需進行外部的校準與微調(diào)，方便實用，更是兼有很高的精度，當然它也是所買器件中是最貴的。 LM35具體的工作特點有如下幾點：（1） 工作電壓：直流430V（2） 工作電流：小于133uA（3） 輸出電壓：+6V-1.0V（4） 輸出阻抗：1mA負載時0.1歐（5） 精度：0.5攝氏度精度（在+25攝氏度時）；（6） 漏泄電流：小于60uA（7） 比例因數(shù)：線性+10.0mV/攝氏度（8） 非線性值：正負四分之一攝氏度；（9） 校準方式：直接用攝氏溫度校準；（10） 封裝：密封TO-46晶體管封裝或塑料TO-92晶體管封裝；（1

7、1） 使用溫度范圍：-55+150攝氏度額定范圍傳感器電路采用核心部件是LM35AH，供電電壓為直流15V時，工作電流為120mA，功耗極低，在全溫度范圍工作時，電流變化很小。電壓輸出采用差動信號方式，由2、3引腳直接輸出，電阻R為18K普通電阻，D1、D2為IN4148。傳感器電路原理如圖2.1. 采樣值的準確量化是溫控電路正常工作的關鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來進行量化。 設經(jīng)過信號調(diào)理后的電壓為Ui，則-10V<=Ui<=10V 已知-10V對應的溫度為-55攝氏度，10V對應的溫度為125攝氏度，已求得比例因數(shù)Kt=0.111V/攝氏度。Ui=-10V+溫度為0攝氏度時，T=

8、55（即相當于-55的變化量）Ui轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個數(shù)字量對應電壓值為4.883mV，（由12位AD，滿量程20V可得），用Ks表示?？汕蟮脭?shù)字量變化與溫度變化的對應關系：Kt/Ks=（0.111V/）/（4.883mV/數(shù)字量）=22.73數(shù)字量/ 當t=0時，AD輸出的數(shù)字量D0=0+55*22.73數(shù)字量/=1250004EH。A/D轉(zhuǎn)換電路ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換器，同時包含七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。ICL7107可以直接驅(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合在一起，它有低于10V的自動校零功能，零漂小于

9、1V/，低于10pA 輸入電源，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個字。其中雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如圖：數(shù)碼管顯示因為ICL7107的原因，本次設計只能選用共陽極數(shù)碼管。其內(nèi)部結構如圖：主要要注意各個管腳對應不同的字母，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。五、電路設計及參數(shù)計算總的電路設計原理圖如圖：ICL7107的工作原理:雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進而得出相應的數(shù)字性輸出。它的原理性框圖如圖2所示，它包括積分器、比較器、計數(shù)

10、器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準電壓進行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進行比較，比較的結果作為數(shù)字電路的控制信一號。時鐘信號源的標準周期Tc 作為測量時間間隔的標準時間。它是由內(nèi)部的兩個反向器以及外部的RC組成的。其振蕩周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC 。ICL7106A/D轉(zhuǎn)換器原理計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進行計數(shù)。控制邏輯包括分頻器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。分頻器用來對時鐘脈沖逐漸分頻，得到所需的計數(shù)脈沖fc和共陽極LED數(shù)碼管公共電極所需的方波信號fc。譯碼器為BCD-7段譯碼器，將

11、計數(shù)器的BCD碼譯成LED數(shù)碼管七段筆畫組成數(shù)字的相應編碼。驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應筆畫的方波?？刂破鞯淖饔糜腥齻€：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使各模擬開關接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進行。第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負號顯示。第二，當輸入電壓超量限時發(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)換的結果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動LED 。它的每個測量周期自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。第一階段：自動調(diào)零階段AZ 轉(zhuǎn)換開始前（轉(zhuǎn)換控制信號VL=0

12、) ，先將計時器清零，并接通開關S0 ，使積分電容C完全放電。第二階段：信號積分INT 令開關S1合到輸入信號V1一側，積分器對V1進行固定時間Tl的積分，積分結果為：上式說明，在Tl固定條件下V0與Vl成正比。第三階段：反向積分DE 令開關S1轉(zhuǎn)至參考電壓VREF一側，積分器反向積分。如果積分器的輸出電壓上升至必零時，所經(jīng)過的積分時間T2則可得，故可得到：可見，反向積分到V0=0這段時間T2與Vl成正比。令時鐘脈沖CD的周期為Tc，計數(shù)扔器在T2時間內(nèi)計數(shù)值為N得：T2=NTc 代入上式得：分析可知：T1,Tc，VREF固定不變，計數(shù)值N僅與VIN成正比，實現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)變。下面介紹

13、A/D轉(zhuǎn)化過程的時間分配。假設時鐘脈沖頻率為40KHz，每個周期為4000Tc, 如圖3所示，每個測量周期中三個階段工作自動循環(huán)。圖3 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖各階段時間分配如下信號積分時間Tl用1000Tc 。信號反向積分時間T2用0一2000Tc ，這段時間的長短是由VIN的大小決定的。自動調(diào)零時間T0用10003000Tc 。從上面的分析可知，Tl 侍定不變的，但T2隨VIN的大小而改變。因為，選基準電壓VRFF = 100.0mv , 由：得：VIN=0.1N滿量程時N=2000，同樣由上式可導出滿量程時VIN與基準電壓的關系為：VIN=2VREF 。為了提高儀表的抗干擾能力，

14、通常選定的采樣時間Tl 為工頻周期的整數(shù)倍。我國采用50Hz交流電網(wǎng)，其周期為20ms，應選T1=n×20ms。n= l,2,3n越大，對串模干擾的抑制能力越強，但n越大，A/D轉(zhuǎn)換的時間越長。因此，一般取Tl=100ms，即f040KHz 。由T0=2RC105=2.2RC，得式中T0為振蕩周期。由上式可知，當f0=40KHz時，阻容元件的選取并不唯一，只要滿足要求即可。ICL7107主要參數(shù)： 電源電壓ICL7107 V+ to GND6V溫度范圍0 to 70ICL7107 V- to GND-9V熱電阻PDIP封裝qJA(/W)50 MQFP封裝80 模擬輸入電壓V+ to

15、V-最大結溫150 參考輸入電壓 V+ to V-最高儲存溫度范圍-65 to 150 時鐘輸入GND to V+六、主要原器件介紹及元器件的選擇1、ICL7107芯片介紹2、LM35溫度傳感器介紹：a .LM35內(nèi)部結構及原理 LM35是由National Semiconductor所生產(chǎn)的溫度感測器，其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關係，轉(zhuǎn)換公式如式下式，0°C時輸出為0V，每升高 1°C，輸出電壓增加10mV。   LM35 有多種不同封裝型式，外觀如圖 1 所示。在常溫下，LM35 不需要額外的校準處理即可達到± °1/4C的準確率

16、。其電源供應模式有單電源與正負雙電源兩種，其引腳如圖 2 所示，正負雙電源的供電模式可提供負溫度的量測；兩種接法的靜默電流-溫度關系如圖 3所示，單電源模式在25°C下靜默電流約50A，非常省電。    圖1：LM35封裝及引腳排列 b. LM35的主要參數(shù)工作電壓：直流430V； 工作電流：小于133A   輸出電壓：+6V-1.0V適合于遠程應用    輸出阻抗：1mA負載時0.1；   精度：0.5精度（在+25時）；    漏泄

17、電流：小于60A；   比例因數(shù)：線性+10.0mV/；   非線性值：±1/4；    自熱效應         小于0.08校準方式：直接用攝氏溫度校準；   封裝：密封TO-46晶體管封裝或塑料TO-92晶體管封裝；    使用溫度范圍：-55+150額定范圍。LM35應用范圍于溫度探頭電子式直讀溫度計，汽車自動檢測線上的溫度測量。一些數(shù)字萬用表具有溫

18、度檢測功能，狹小空間工業(yè)設備測溫和控制。 冷凍庫，糧倉，機房電纜線槽等測溫和控制領域。c.典型的應用電路 圖2：LM35接線圖圖（a）使用單電源工作時，測量溫度范圍在0150的應用電路；圖（b）使用雙電源（±電源）工作時，測量溫度范圍在-55150的應用電路；3、共陽極數(shù)碼管介紹：共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。4、電阻、電容等器件：電路的一般元件七、電路板制作經(jīng)過前面的準備，再用軟件仿真

19、后，我們最終做出了自己的數(shù)字顯示溫度計。根據(jù)ICL7107的管腳AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖所示：電路布線圖如下：八實驗結果與數(shù)據(jù)處理為了驗證設計電路的正確性以及它的實驗數(shù)據(jù)，我們對實物進行驗證，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：參考電壓=1VLM35輸出壓mV204224243261282293302317322數(shù)碼管顯示值20.322.424.226.228.229.430.331.632.2LM35輸出壓mV331341350361370382390401411數(shù)碼管顯示值33.234.334.936.237.138.138.940.041.2LM35輸出壓mV424431443452465471485494506數(shù)碼管顯示值 42.543.244.345.346.347.348.449.550.8九心得體會 經(jīng)過這次課程設計，我學到了很多單看課