數(shù)字式溫度時鐘儀器設(shè)計-陸愛國

1、數(shù)字式溫度時鐘儀器設(shè)計摘 要隨著全球一體化的加劇，人們已進入了微利時代，怎樣提高企業(yè)的競爭力是每個企業(yè)管理者面臨的最大考驗，數(shù)字電子鐘以及數(shù)字溫度的電路在電子行業(yè)中占了很大的作用。數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。測溫電路利用溫度傳感器監(jiān)測外界溫度的變化,通過振蕩器將溫度傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換為頻率信號的變化,實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,然

2、后利用數(shù)字信號處理方法計算得出溫度值,實現(xiàn)溫度的測量。 關(guān)鍵詞：數(shù)字 溫度時鐘 儀器設(shè)計目 錄第一章 引言1第二章 數(shù)字鐘的設(shè)計221 設(shè)計的任務(wù)與要求2211設(shè)計指標(biāo)2212 設(shè)計要求222 數(shù)字鐘工作原理223 設(shè)計方案3231晶體振蕩器電路3232 時間計數(shù)電路4233譯碼驅(qū)動及顯示單元電路5234校時電路5235整點報時電路6第三章 數(shù)字溫度電路設(shè)計631數(shù)字溫度電路簡述632測溫原理733 電路的設(shè)計8331頻率測量電路8332數(shù)據(jù)處理電路9333 溫度映射電路9參考文獻12附1：設(shè)計心得體會12附2：調(diào)研報告13第一章 引言20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子

3、產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。 時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當(dāng)前的時間。忘記了要做的事情，當(dāng)事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是，一旦重要事情，一時的耽誤可能釀成大禍。例如，許多火災(zāi)都是由于人們一時忘記了關(guān)閉煤氣或是忘記充電時間。尤其在醫(yī)院，每次護士都會給病人作皮試，測試病人是否對藥物過敏。注射后，一般等待5分鐘，一旦超時，所作的皮試試驗就會無效。手表當(dāng)然是一個好的選擇，但是，隨著接受皮試的人數(shù)增加，到底是哪個人的皮試到時間卻難以判斷。所

4、以，要制作一個定時系統(tǒng)。隨時提醒這些容易忘記時間的人。 提出一種內(nèi)嵌時鐘功能的溫度測量電路的設(shè)計方案。測溫電路利用溫度傳感器監(jiān)測外界溫度的變化,通過振蕩器將溫度傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換為頻率信號的變化,實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,然后利用數(shù)字信號處理方法計算得出溫度值,實現(xiàn)溫度的測量。 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、定時啟閉電路、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。第二章 數(shù)字鐘的

5、設(shè)計21 設(shè)計的任務(wù)與要求數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，我們此次設(shè)計數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘。而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法。且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路。通過它可以進一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。211設(shè)計指標(biāo) 1. 時間以12小時為一個周期；2. 顯示時、分、秒；3. 具有校時功

6、能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間；4. 計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時；5. 為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時間基準(zhǔn)信號。212 設(shè)計要求1. 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；2. 編寫設(shè)計報告 寫出設(shè)計的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。22 數(shù)字鐘工作原理數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1 數(shù)字電子鐘方案框圖23 設(shè)計方案231晶體振蕩器電路晶體振

7、蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768HZ的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用TTL門電路構(gòu)成；另一類是通過CMOS非門構(gòu)成的電路，本次設(shè)計采用了后一種。如圖（2）所示，由CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了

8、一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。圖2 CMOS 晶體振蕩器（仿真電路）232 時間計數(shù)電路74HC290、74HC390等來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。本次設(shè)計中選擇74HC390。由其內(nèi)部邏輯框圖(如圖3)可知，其為雙2-5-10一般采用十進制計數(shù)器如異步計數(shù)器，并每一計數(shù)器均有一個異步清零端（高電平有效）。 秒個位計數(shù)單元為十進制計數(shù)器，無需進制轉(zhuǎn)換，只需將與（下降沿有效）相連即可。（下降沒效）與Z秒輸入信號相連，可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的相連。圖3 74HC390內(nèi)部功能圖

9、秒十位計數(shù)單元為六進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將十進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為六進制計數(shù)器的電路連接方法如圖4所示，其中可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的相連。圖4 十進制-六進制轉(zhuǎn)換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的作為向上的進位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的相連，分十位計數(shù)單元的作為向上的進位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為十二進制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行十二進制轉(zhuǎn)換。利用片74HC390實現(xiàn)十二進制計數(shù)功能的電路如圖5所

10、示。圖5 十二進制計數(shù)器電路另外，圖5所示電路中，尚余個二進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器2Z輸出信號轉(zhuǎn)化為1Z信號之用。233譯碼驅(qū)動及顯示單元電路選擇CD4511作為顯示譯碼電路；選擇LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。由CD4511把輸進來的二進制信號翻譯成十進制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。這里的LED數(shù)碼管是采用共陰的方法連接的。計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421BCD碼的形式輸送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槠叨螖?shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。234校時電路數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路

11、接入其中。即為用COMS與或非門實現(xiàn)的時或分校時電路，In1端與低位的進位信號相連；In2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時個位計時輸入端相連。當(dāng)開關(guān)打向下時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向上時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。實際使用時，因為電路開關(guān)存在抖動問題，所以一般會接一個RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消抖動電路，所以整個較時電路就如圖6。圖6 帶有消抖電路的校正電路235整點報時電路電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，

12、即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。報時電路可選74HC30來構(gòu)成。74HC30為8輸入與非門。圖7 整點報時電路第三章 數(shù)字溫度電路設(shè)計31數(shù)字溫度電路簡述測溫電路利用溫度傳感器監(jiān)測外界溫度的變化,通過振蕩器將溫度傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換為頻率信號的變化,實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,然后利用數(shù)字信號處理方法計算得出溫度值,實現(xiàn)溫度的測量。 用傳統(tǒng)的水銀或酒精溫度計來測量溫度,不僅測量時間長、讀數(shù)不方便、而且功能單一,已經(jīng)不能滿足人們在數(shù)字化時代的要求。本文提出了一種新型的數(shù)字式溫度測量電路的設(shè)計方案,該方案集成了溫度測量電路和實時日歷時鐘電路。 溫度測量電路的測溫

13、范圍在-2050之間,分辨率為1,測溫時間小于1秒。電路中采用凌特公司的電阻可編程振蕩器LT1799來實現(xiàn)電阻值到頻率的轉(zhuǎn)換,然后根據(jù)預(yù)先存儲在ROM中的參數(shù)值進行比較映射得到待測溫度值。實時日歷時鐘電路能顯示年、月、日、星期、時、分、秒七種時鐘信號,用戶可以對時間進行設(shè)定或修改。整個電路用Altera 公司的ACEX1K系列的FPGA進行了硬件仿真實現(xiàn),電路設(shè)計靈活,便于修改。 32測溫原理 溫度監(jiān)測主要是利用溫度傳感器來實現(xiàn)。本設(shè)計的溫度傳感器采用的是NTC熱敏電阻,即具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻,其電阻值(RT)隨溫度(T)的升高而迅速減小。阻值溫度關(guān)系表達式為: 式中,A、B是由半導(dǎo)體材料

14、和加工工藝所決定的兩個常數(shù),B值為熱敏指數(shù)。設(shè)計中選用的是R25為100k的MF58高精度測溫?zé)崦綦娮?熱敏指數(shù)為3 650K。 LTC1799是一種電阻可編程振蕩器1,可以產(chǎn)生占空比為50%的方波,并具有溫度穩(wěn)定和電源電壓穩(wěn)定的特性,是一種低功率器件,外圍僅需一個元件,即設(shè)置電阻和旁路電容。LTC1799標(biāo)準(zhǔn)電路如圖1所示,圖中0.1F的電容接在電源引腳與地之間,可以將電源噪聲降至最低。第1、3引腳之間連接設(shè)置電阻,用來控制輸出頻率,本設(shè)計中用熱敏電阻替代設(shè)置電阻。第4引腳是一個三態(tài)分頻引腳,決定主控時鐘在輸出前是被1、10或100分頻,設(shè)計中將該引腳接地,即輸出分頻系數(shù)為1。第5引腳為輸出

15、引腳,輸出頻率與設(shè)置電阻之間的關(guān)系為: 由于熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而改變,這樣便可以通過LTC1799建立溫度和頻率之間的關(guān)系,以實現(xiàn)對溫度的測量。 由(1)、(2)式可知電路設(shè)計中存在兩種非線性關(guān)系:一是熱敏電阻的阻值和溫度之間的非線性關(guān)系,二是阻值頻率轉(zhuǎn)換時的非線性。對非線性問題,可以用數(shù)學(xué)方法進行處理,但算法比較繁瑣,而且要占用大量的硬件資源。因此設(shè)計中采用了另外一種方法進行處理,即利用ROM預(yù)先存儲頻率溫度的數(shù)據(jù),通過查表法進行溫度映射。這樣既避免了非線性問題的影響又節(jié)省了硬件資源。圖8 LTC1799標(biāo)準(zhǔn)電路33 電路的設(shè)計 331頻率測量電路 頻率測量電路主要是采用頻率計數(shù)的方

16、法,外部晶體振蕩器分頻后通過門控電路得到周期為2T的采樣基準(zhǔn)信號count_en和計數(shù)復(fù)位信號count_clr,在采樣基準(zhǔn)信號正半周計數(shù)器計數(shù)使能,計數(shù)模塊開始對輸入信號的頻率進行測量,測量時間恰為T,并在采樣基準(zhǔn)信號的下降沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存。若在時間T內(nèi)計數(shù)器測得信號脈沖個數(shù)為N,則被測信號的頻率為:FX=N/T。 計數(shù)復(fù)位信號用于每一次測量開始時對計數(shù)模塊進行復(fù)位,以清除上次測量的結(jié)果。各信號之間的時序關(guān)系如圖9所示。 圖9 采樣控制信號之間的時序關(guān)系另外,由于測量過程中被測頻率信號與采樣控制信號之間沒有同步鎖定關(guān)系,在計數(shù)的末尾將產(chǎn)生±1的附加誤差,即參考文獻2中所提到的

17、量化誤差。所以采樣時間T和計數(shù)器的位數(shù)一定要選擇合理。在本設(shè)計中,測量的頻率在10kHz300kHz的范圍內(nèi)變化,在待測的溫度范圍內(nèi)溫度每變化1,則阻值最小變化0.5828k。當(dāng)取T=20ms,R=100k時,N=1000,則±1的量化誤差的影響幾乎可以忽略不計。 332數(shù)據(jù)處理電路 由于在頻率測量電路中必然會存在測量誤差,所以必須對這些測量數(shù)據(jù)結(jié)果進行處理。本設(shè)計針對數(shù)據(jù)處理提出了一種新的思路,其數(shù)據(jù)處理流程如圖10所示。如圖中所示,將頻率測量電路中的數(shù)據(jù)結(jié)果N先通過若干個寄存器移位寄存,然后利用比較器對寄存的數(shù)據(jù)進行比較,去除最大和最小值后將剩下的中間值相加,最后通過除法器得到平

18、均值N。 圖10 數(shù)據(jù)處理流程框圖采用該處理方法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點為: (1) 有效降低了測量誤差的影響。通過比較器可以將突發(fā)的偶然錯誤數(shù)據(jù)排除。根據(jù)隨機誤差的補償性原理,對于有限次測量,可以近似認為多次測量的算術(shù)平均值即為真值的最佳估計值。 (2) 可以動態(tài)地反映被測信號變化趨勢。這種方法適用于很多對實時性測量要求較高的場合中。 333 溫度映射電路 溫度映射電路框圖如圖11所示。由圖4可知,地址計數(shù)器和溫度值計數(shù)器都是通過有限狀態(tài)機來控制的。狀態(tài)1:計數(shù)器清空;狀態(tài)2:計數(shù)器計數(shù);狀態(tài)3:鎖存計數(shù)結(jié)果;狀態(tài)4:計數(shù)器結(jié)果輸出。反復(fù)執(zhí)行以上四種狀態(tài)可實現(xiàn)溫度的實時測量控制。 圖11 溫度映射電路

19、框圖由于溫度測量范圍是-2050,分辨率僅為1,所以ROM中只需存儲70個數(shù)據(jù),選用128×12位的ROM即可滿足要求。同時,ROM中存儲的不是如1、2、3等整數(shù)點的值,而是1.5、2.5、3.5時的值3,這樣既可以保證精度的要求又可以起到四舍五入的作用。初始狀態(tài),溫度計數(shù)器中存儲的是-20的最低溫度值,地址計數(shù)器的值清零。來一次CLK信號,地址計數(shù)器和十進制計數(shù)器的值都加1;然后取得ROM中相應(yīng)地址的標(biāo)準(zhǔn)脈沖值,與輸入的實際采樣脈沖值N進行比較。若小于實際輸入值則比較器輸出S=1,2個計數(shù)器繼續(xù)計數(shù);反之,計數(shù)器停止計數(shù)。此時溫度計數(shù)器的值即為實際測量的溫度值。 采用ROM進行溫度

20、映射除了具有前面提到的優(yōu)點以外,還使其設(shè)計靈活通用,在此電路中只需更改ROM中存儲的數(shù)據(jù)就可以適用于多種類型的溫度傳感器。 圖12 時鐘計時顯示框圖圖13 時鐘工作模式參考文獻1閻石 數(shù)字電子電路 北京 中央廣播電視大學(xué)出版社1993年2 實用電子電路手冊 北京高等教育出版社 1992年3任為明：電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)4趙建領(lǐng). 51系列單片機開發(fā)寶典M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.5邊春元等. C51單片機典型模塊設(shè)計及應(yīng)用M. 北京: 機械工業(yè)出版社,2008.6彭為等. 單片機典型系統(tǒng)設(shè)計實例精講M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.7王廷才. 電力電子技術(shù). 北京：機械

21、工業(yè)出版社，2000.8何宏. 單片機與接口技術(shù)，國防工業(yè)出版社 2007 9余錫存 曹國華.單片機原理及接口技術(shù)M.陜西:西安電子科技大學(xué)出版社,2000. 710雷麗文 等.微機原理與接口技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，1997.2附1：設(shè)計心得體會通過這次對數(shù)字式溫度時鐘儀器設(shè)計，讓我了解了電路設(shè)計的基本步驟，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘測溫電路的原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一個電路先進行軟件模擬仿真再進行實際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法。通過這次學(xué)習(xí)，讓我對各種電路都