南郵溫度測量儀實驗報告

1、摘要本課題是利用A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計的一個溫度測量儀，利用振蕩器的敏感特性，去檢測展示的溫度。因此，我們必須用模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入28C6 4存儲器中，再利用顯示電路把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號顯示出來。整個流程先通過LM35溫度傳感器進行操作，實現(xiàn)溫度采集。在轉(zhuǎn)換的過程中用到芯片ADC0809最后通過譯碼器顯示出溫度；本課程還利用到7485比較器，實現(xiàn)報警功能!目錄第二章整體方案設(shè)計2.1數(shù)據(jù)處理流程分析22整體方案第三章單元電路設(shè)計3.1溫度傳感器及其放大電路的設(shè)計第一章技術(shù)指標1.1系統(tǒng)功能要求1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求1.3技術(shù)指標1.4設(shè)計條件3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字顯

2、示電路的設(shè)計3.2.1 設(shè)計3.2.2數(shù)模轉(zhuǎn)換及顯示電路3.3 71KHZ方波信號發(fā)生器的設(shè)計3.4超限比較報警電路的設(shè)計3.5整體電路圖第四章測試與調(diào)試4.1數(shù)字顯示電路的調(diào)試4.2存儲器和數(shù)字顯示電路的調(diào)試4.3信號發(fā)生器電路的測試4.4 A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字顯示電路的調(diào)試4.5超限比較報警電路的調(diào)試第五章設(shè)計小結(jié)5.1設(shè)計任務(wù)完成情況5.2問題與改進5.3心得體會第一章1.1 系統(tǒng)整體功能要求溫度測量儀能夠測量和顯示測量的溫度值，當溫度超過設(shè)定的 值后，發(fā)出超溫的指示或報警。報警溫度的設(shè)定可根據(jù)需要自定。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求溫度測量儀的整體框圖如圖1所示，其中S1為系統(tǒng)復位按鍵, S2為

3、報警溫度設(shè)定。溫度測量儀的整體方框圖1.3技術(shù)指標1、電壓指標(1)溫度測量范圍：0C99 C顯示精度：1 C測溫靈敏度：20mV/C 顯示采用四位數(shù)碼管 溫度報警采用LED發(fā)光二極管或蜂鳴器報警溫度可以任意設(shè)定1.4設(shè)計條件(1)電源條件：穩(wěn)壓電源0V15V可調(diào)(2)可供選擇的元器件范圍下表所示。型號名稱及功能數(shù)量LM35溫度傳感器1只TL084運算放大器1片ADC0809八路A/D轉(zhuǎn)換器1片7448七段顯示譯碼器2片28C64EEP R0存儲器74157同相輸出四2選1數(shù) 據(jù)選擇器2片4511BCD七段譯碼器2片7485四位數(shù)字比較器2片CD4029可預置可逆計數(shù)器2片555定時器1片74

4、00四2輸入端與非門1片按鍵開關(guān)1個無鎖開關(guān)1個自鎖開關(guān)1個各種R C阻容件及放光二極管自定第二早 整體方案設(shè)計2.1、數(shù)據(jù)處理流程分析溫度測量儀顧名思義是通過溫度傳感器對被測對象的溫度變化 情況進行測量和監(jiān)視的，傳感器輸出的不同電流，經(jīng)電流 -電壓變化 后放大成不同的模擬電壓，再經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換，送入數(shù)字電壓表，將溫 度數(shù)值顯示出來。溫度傳感器的原理方框圖如下圖所示:an損置報警電路溫度傳感器的原理方框圖溫度傳感器是溫度監(jiān)測儀的核心部件，它的作用是將溫度值轉(zhuǎn) 換為電流值。按溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為：接觸式和 非接觸式溫度傳感器兩大類。熱電阻、熱電偶、半導體集成溫度傳 感器都屬于接觸式

5、溫度傳感器；紅外測溫傳感器屬于非接觸式傳感 器，它通過被測介質(zhì)的熱輻射或熱對流達到測溫目的。溫度傳感器 的測量范圍極廣，從零下幾百C到零上幾千C,測溫精度又各有不 同，要根據(jù)測溫的具體要求（如測溫范圍、精度）合理選擇合適的 溫度傳感器。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出型和電流輸出型兩 種，電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K溫度為0K時的輸出電壓 為0V,溫度為25C時的輸出為：2.9815V。電流輸出型的靈敏度一般為 m A/K, 25 C時在1KQ電阻上的輸出電壓為：298.15mA2.2、整體方案整個系統(tǒng)電路在面包板上實現(xiàn)，其中核心模塊為A/D轉(zhuǎn)換部分及數(shù)字電壓表部分，以下將做較詳盡

6、考慮。第三章單元電路設(shè)計(1) 溫度傳感器及其放大電路的設(shè)計LM35主要特性:集成溫度傳感器LM35具有測溫精度高、線性優(yōu)良、體積小、 熱容量小、穩(wěn)定性好、輸出電信號大及價格較便宜等優(yōu)點，LM35靈敏度為10mV/C ,即溫度為20C時，輸出電壓為：200mV常溫下測 溫精度為士 0.5 C以內(nèi)，消耗電流最大也只有 70卩A,自身發(fā)熱時測 量精度的影響在士 0.1 C以內(nèi)。采用+4V以上的單電源供電時，測 量溫度的影響范圍為：2C150 C;而采用雙電源供電時，測量溫 度范圍為：-55 C+150 C,電壓使用范圍為 4V20V。Voui"Hr(a)饋視圖+ V3GNDVoQt(b)

7、-實物囲LM35的菅腳圖 設(shè)計因為用戶要求測溫靈敏度20mV/C，而LM35的靈敏度為 10mV/C的電壓輸出型溫度傳感器，因此傳感器溫度變換后應(yīng)有一個 同相2倍的電壓放大電路，這部分電路可簡單地運用運算放大器 LM324來 實現(xiàn)。溫度變換及其電壓放大模塊電路圖說明：圖3中的跟隨電路A1是為了避免后續(xù)電路對V(t)的過多影 響而增設(shè)的電壓跟隨器，以保證 V(t)能真實地反映溫度場的正確溫 度。(2) A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字顯示電路的設(shè)計設(shè)計思路將V(t)的模擬電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，轉(zhuǎn)換為二進制 碼，用該碼作為存儲器EEP RO的地址信號，將事先預置在存儲單元 的溫度值取出，經(jīng)譯碼顯示電路

8、將數(shù)字顯示出來。A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程通過采樣、 保持、量化和編碼四個步驟完成。采樣和保持：采樣是將時間上連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號。050)1采樣開關(guān)50)MP將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的 幅度取決于輸入模擬量。模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度 T 般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的 樣值脈沖幅度，以便進行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電 路。保持電路取樣保持電路及輸出波形場效應(yīng)管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟 隨器，起緩沖隔離作用。皿)ASit取樣保持電路

9、及輸出波形在采樣脈沖S(t)到來的時間電，假定充電時間常數(shù)遠小于UI(t)。采樣T內(nèi)，VT導通，U(t)向電容C充T,則有：UO(t) = US(t)=C上電壓保持充電電壓 U(t)不保持 采樣結(jié)束，VT截止，而電容變，直到下一個采樣脈沖到來為止。量化與編碼：輸入的模擬電壓經(jīng)過采樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯 波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但 n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù) 值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個近似問 題。量化是指將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上， 這個過程就稱為量化。用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱 為編碼。取樣保持后未量化的 U值與量化電平

10、uq值通常是不相等 的，其差值稱為量化誤差 £，即卩£二U-U。舍尾方法四舍五入方法舍尾法編碼廠 量化W P編 Em電平7/8血110A-1/8V1016/85/81004/81彌61007160110113/80102/8£= 1A 0011/8000舍免入法”黠編碼=2門65門旬10M60011/16 O'OO8= 1/2A14/15 1111245 11010/15 101S/154/152/15皆 2/15 V1000110100010V0V本設(shè)計中采用ADC0809在同一芯片上設(shè)計了一個8位的A/D轉(zhuǎn) 換器和8通道模擬開關(guān)，因此可以直接輸入 8個

11、單端的模擬信號。 該器件主要性能如下：(1)采用單+5V電源逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換，工作時鐘典型值為 640KHZ轉(zhuǎn)換時間約為100 a s。(2)分辨率為8位二進制碼，總失調(diào)誤差：ADC0809為士 1LSB(3) 當用+5V電源供電時，模擬量的輸入電平范圍 05V,不需要 零點和滿度調(diào)節(jié)。(4) 具有8通道閂鎖開關(guān)控制，可以直接接入 8個單端模擬量。(5) 數(shù)字量輸出采用三態(tài)邏輯，輸出符合 TTL電平。(6) 容易與各種微處理器連接，也可以獨立工作。ADC0809芯片管腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖:hJ-.hi + I'lIM17-M一IV-IWlSl ARl - HX -UE-C1/K：K-ht

12、> I r Io 1 己 511 巧，！ rT- J 11 11 h" 11-比I |一 Aim -A>L1E _ AOLK ME I).Ufl【hf1>tAnnAAnneALC/SIAKTE0C3<黠L啟動0E轉(zhuǎn)換時阿/DCH-D7逐次逼近式ADC的工作原理介紹：1.工作思想:可用天平秤重過程作比喻來說明。若有四個砝碼共重 15克, 每個重量分別為 8 4、2、1克。設(shè)待秤重量 WJ = 13克，可以用下 表步驟來秤量：fife碼重結(jié)論暫時結(jié)果第一次8克狂碼總重吒待測重量人，故保留'8克第二次加4克怯碼總重仍U待測重,故保留12克第三次加2克袪碼總重

13、>待測重量故撤除12克第四次加1克磁碼總重=持測重量故保留13克uI組成:（1）電壓比較器（2） D/A轉(zhuǎn)換器（3）時序分配器（4） JKFF （5） 寄存器CP-TurLrLrLrLrLjrLjnLrLrLfeh卜F1hfh:tCP廠Ui* h+ IP 1rlH4 P b CP|iLJ i I E :ILjn1i iICP.LJiLJ1CP,LJIuiCP.時序分配器輸出波形電壓比較器C:將輸入UI和D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓U'ref進行比較，當U'RE<UI 時，輸出F=1;當U'ref> ui時，輸出F=0。時序分配器:它的作用是產(chǎn)生較有用的節(jié)拍

14、脈沖，它通常由環(huán)形計數(shù)器構(gòu)成, 在CP的作用下產(chǎn)生CPCP的節(jié)拍脈沖，其波形如下圖所示。JK觸發(fā)器:在節(jié)拍脈沖CPCP的作用下，記憶每次比較結(jié)果，向 D/A轉(zhuǎn) 換器提供輸入數(shù)碼。寄存器:由D觸發(fā)器構(gòu)成，在節(jié)拍脈沖的作用下，記憶最后比較結(jié)果, 并行輸出二進制代碼。表83. 1D/A轉(zhuǎn)換器輸出Qd Qc Qb QaUsirU16TJ盞u砂IF UjEpuIB .RIFIJ16 U KEF -IS. IT16 MP -i!- ITIG UriF u16 U皿16 UrEF u16 UkEF 2Ln逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理:假設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的基準電壓 Uef=8,采樣保持信號為Ui=4.75V

15、。第一步：轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器清“ 0”第二步：第0個時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成 1,使輸出數(shù)字 為1000。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓Ure', 并送到比較器中與Ul進行比較。若Ul < u' REF,說明數(shù)字過大，故將 最高位的1清除置零；若UlA U' REF,說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一 位保留。具體分析為：QDCCQQ=1000,則D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓 u're=4V。u're<ui，因 此，電壓比較器輸出F=1, G=(。此時，4個JKFF的J=1, K=(。第三步：在節(jié)拍脈沖CR下跳的作用下，QDh

16、, Q=1, QB與Q仍保持“0”態(tài)。這樣在 CR作用后，JKFF的狀態(tài)為：QQQQ=1100。D/A轉(zhuǎn) 換器輸出參考電壓U'ref=6A由于U'ref>u，因此，電壓比較器輸出 F=0, G=1, 4 個 JKFF的 J=0, K=1。第四步：在節(jié)拍脈沖CP下跳的作用下，Qd=1 Qc=O, QB =1，Qa=O。 這樣在CP作用后，JKFF的狀態(tài)為：Q)QQQ=1010。D/A轉(zhuǎn)換器輸出 參考電壓U'ref=5乂由于U're>ui，因此，電壓比較器輸出 F=0,G=1, 4 個 JKFF的 J=0，K=1。第五步：在節(jié)拍脈沖CF3下跳的作用下，Q

17、b =0，QA =1。這樣在CP 作用后，JKFF的狀態(tài)為：QDQCQBCA=1001o D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓 U're=4.5V。由于U'reKui,因此，電壓比較器輸出 F=1, G=0 4個 JKFF的 J=1, K=tt第六步：在節(jié)拍脈沖CR下跳的作用下，Q=1。4個JKFF的狀態(tài) 為：QQQBQfIOOI。CR的上升沿將 DFF的1001狀態(tài)存入4個DFF,并 且保持下來，輸出為DDDD)=1001。即：輸入模擬信號Ui=4.75V,由 A/D轉(zhuǎn)換后輸出4位二進制代碼1001。(n+1)(n+1)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的節(jié)拍數(shù)為 ,其中n為二進制代

18、碼位數(shù)，完成一次轉(zhuǎn)換所需時間為 Tcp,其中Tcp為時鐘周期。舉例:若U.ef= 8V, n= 4。當采樣保持電路輸出電壓 UI=4.75V時，試 列表說明逐次逼近型 ADC電路的A/D轉(zhuǎn)換過程。解：量化單位為詈=16皿一出寄存器的藪碼值DAC輪出n.rf-fc.tfc較誥輪入比較判別邏輯操作清0£ a00Qo0tiuf叫Uicr010004V4.75 V4VUnirM Uj保g111006V4.75 V6VUJtD> U去除210105V175 V5V去除310014.5V4.75V4.5 VUaxr Cdj保留41fr 11 014.5 V鏑出輸出/取樣轉(zhuǎn)換的結(jié)果為：D3D

19、2DiC0= 1001。逐近A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間（n+1）Tcp。28C64簡介:模數(shù)轉(zhuǎn)換乃數(shù)字顯示電路除用到 ADC0809外，還用到28C64與兩片 4511.28C64是一個含163=4096個單元的存儲器，每個單元 8bit， 單元地址從0000 0FFFH 28C64 13地址端輸入，4地址端輸 出，其具體功能表詳見數(shù)字電路書。本實驗將28C64的0000H0063H分別存儲0099的BCD碼。即： 0000HK 00H 0001HK 01H 0002H 02H0009H 09H 000AH 10H 000BH 11H0063H7 99H74157簡介:74157是一個

20、AAi, & B根據(jù)1號管腳電平，選擇輸出 的芯片。本實驗中切換當前感應(yīng)溫度與設(shè)定溫度就是用到此器件， 其具體功能見數(shù)字電路書相關(guān)內(nèi)容。本實驗將28C64輸出的I/07 1/00 連至兩個74157的幾一A1,再將脈沖置數(shù)器的兩個 QQ連到74157的兩個B B端。 改變1管腳電平值實現(xiàn)顯示切換。74157管腳圖:U?GN SELA1Y1B1A2Y2B2A3Y3B3A4Y4B474157說明:ADC0809的CLOC端需要一個71K左右的方波信號，若不提供 信號發(fā)生器，我們可以采用555定時器制成自激多諧振蕩器來實 現(xiàn)。而輸入端V(t)選擇INO端口，地址為000。71KHZ方波信號發(fā)

21、生器用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖5所示，它無需加激勵, 只要接通電源就可以輸出方波。關(guān)于555的功能表，詳見數(shù)字電路書相關(guān)章節(jié)。信號發(fā)生器電路:其中 Ra=1© ,Rb=100KQ，則若取 C=0.0001uF,則-6-5T=0.7*2*100*0.1*10S=1.4*10 SF=1/T=71 khz這個頻率已經(jīng)可以滿足 ADC0809勺時鐘要求了。超限比較報警電路的設(shè)計設(shè)計思路設(shè)定一個報警溫度Tg，將Tg折算成對應(yīng)的比較電壓Vg,即 Vg=Tgx 20mV/C。要想使VtVg時，電路報警，可將兩電壓通過一 個電壓比較器后經(jīng)發(fā)光二極管顯示是否報警。報警電路圖H7485簡介:要用

22、以上方案就必須使用7485,7485是一個二進制4位數(shù)字比 較器通過比較 A A與& Bo得出結(jié)果。因為本方案的溫度是十進制兩位數(shù)，所以必須使用兩片7485來比較，即8位2進制比較。其電路圖如下:Vo 與 Vg7 Vg0.用此電路可直接比較 乂置數(shù)電路:本電路最終使用兩個加法（減法）計數(shù)器，CD402睞置數(shù)，其基本電路如下：S2為脈沖開關(guān)，S1為加（減）切換開關(guān)。整機電路圖（最后另附）第四章測試與調(diào)試4.1數(shù)字顯示電路的調(diào)試建表再給4511的管腳號1、2、6、7中的一個施加電源時，其他的 接地就會分別顯示0、1、2、4、8,當四個管腳號全部接地時譯碼 管顯示的是0。如下表：輸入十位顯示

23、輸入個位顯示0000000000000110001100102001020011300113010040100401015010150110601106011170111710008100081001910019結(jié)論：達到設(shè)計要求。4.2 存儲器和數(shù)字顯示電路的調(diào)試分別給28C64的管腳號3、4、5、6、7、8、9、10中的一個接 電源，其他的接地就會顯示出下表的數(shù)值，值得注意的是：當管腳 號全部接地時，譯碼管顯示的是 0.當管腳號3 （高位）接電壓時， 譯碼管不會顯示，因為27已經(jīng)超過了 99,因此不會顯示！還有就是 有可能兩個（或兩個以上）接電壓時，譯碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值。這 里就不一一列表

24、了。建表地址顯示十位顯示個位0000 0000000000 0001010000 0010020000 0100040000 1000080001 0000160010 0000320100 0000641000 0000不顯示不顯示結(jié)論：達到設(shè)計要求。4.3 信號發(fā)生器電路的測試波形如下V八、TT=1.4*1O-5S結(jié)論：達到設(shè)計要求。4.4A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字顯示電路的調(diào)試理想實測誤差VOut(mVINo(mV顯示（C ）VOut (mVINo (mV顯示（C）(C )250500252464922412004OO202004OO20022545O2322044O221結(jié)論：達到設(shè)計要求。

25、4.5 超限比較報警電路的調(diào)試給LM35加溫或降溫（相當于改變 Vt）,這時數(shù)碼顯示的數(shù)值在 變化。再給Vg設(shè)定報價電壓，是發(fā)光二級管點亮，該電路就可以工作了。設(shè)定值實際值是否報警2425是2525是2625否結(jié)論：符合設(shè)計的要求。第五章5.1設(shè)計任務(wù)完成情況整個實驗全部完成，基本達到了要求。能夠正常的測量溫度, 當給振蕩器加熱時，譯碼器的上的數(shù)字會正常的增加。5.2問題與改進首先出現(xiàn)的問題是：芯片有可能是壞的，在燒28C64時，一定要確認是否燒制成功。在連接555定時器時，確定電阻電容的大小，不能連接錯誤，尤其是管腳號2和6,它們是短路的。在調(diào)測方波時，細心點就好了！在放置 LM35振蕩器時

26、，不 要接錯正負極了，以免吧器件燒壞了！還有就是線路的檢查， 一定要細心。有時候一個線路就有可能導致實驗的失?。〗釉?譯碼器上的電阻要小一點，否則譯碼器顯示的數(shù)字不穩(wěn)定。譯 碼器顯示不穩(wěn)定，需要在芯片的兩端加一個電容就好了！5.3心得體會課程設(shè)計實習已經(jīng)結(jié)束了，但心中的興奮卻依然存在，此 時此刻心還沉浸在實習的氣氛當中。本以為實習會是枯燥無味 的，但說實話，沒想到實習這么快就結(jié)束了，還真有點意猶未 盡的感覺。通過這幾天的親身體會，雖說只是短短的幾天的時 間，但自己真的發(fā)現(xiàn)原來實習是那么的有趣。并且也使自己認 識到了理論學習與實踐相結(jié)合的重要性。在實習中，讓我體會 最深的就是：做事情的認真態(tài)度。實習讓我明白，作任何事都要仔細認真，也許一個小小的疏忽都將導致整個工作前功盡棄。相反，認真可以發(fā)現(xiàn)“柳暗花明又一村”的效果。遇到實際問題時，只要認真思考，用 所學的知識，再一步步探索，是完全可以解決遇到的一般問題的 就拿接線這個環(huán)節(jié)說吧，面對那錯綜發(fā)雜的線路，還有那針眼板的 插孔，對初學者來說一不小心就會出錯，但只要認真細心的對照原 理圖和每個芯片的管腳號，就可以完美的把電路圖接好，同時認真 的觀察設(shè)計可以在保證質(zhì)量的同時提高自己的效率。這幾天的學習讓我重新認識了自己，并且對自己身上的不