數(shù)字溫計(jì)設(shè)計(jì)

1、福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化11級(jí)電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電氣（8）班 學(xué) 號(hào) 011100838 姓 名 張強(qiáng) 指導(dǎo)教師 涂娟 2013年6月一、設(shè)計(jì)要求溫度計(jì)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中最常用的測(cè)量?jī)x表，本實(shí)驗(yàn)要求用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)并制作一數(shù)字式溫度計(jì)，即用數(shù)字顯示被測(cè)溫度。具體要求如下：溫度測(cè)量范圍為；測(cè)量精度；4位LED數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的溫度值（000.0100.0）；每秒更新數(shù)據(jù)2次以上。二、方案選擇與確定（含各部分電路原理圖、工作原理和參數(shù)計(jì)算）1電路的設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)電路原理系統(tǒng)方框圖，如圖1.1. 溫度采集電壓放大AD轉(zhuǎn)換數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)溫度顯示 圖2.1 電路原理方框圖通過(guò)溫

2、度傳感器LM35采集到溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過(guò)譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度。ICL7107集A/D轉(zhuǎn)換和譯碼器于一體，可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，省去了譯碼器的接線，使電路精簡(jiǎn)了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要很少的外部元件就可以精確測(cè)量0到200mv電壓，LM35本身就可以將溫度線性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。綜上所述，采用LM35采集信號(hào)，用ICL7107驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)信號(hào)的顯示。 2電路原理及其電路組成 數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)附錄1。它通過(guò)LM35對(duì)溫度進(jìn)行采集，通過(guò)溫度與電壓近乎線性關(guān)系，以此來(lái)確定輸出電壓和相應(yīng)的電流，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的電壓值，故我們可以通過(guò)電壓電流

3、值經(jīng)過(guò)放大進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表示出來(lái)。2.1傳感電路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。因而，從使用角度來(lái)說(shuō)，LM35與用開(kāi)爾文標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，LM35無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4的常用的室溫精度。LM35具有以下特點(diǎn)：（1）工作電壓：直流430V；（2）工作電流：小于133A（3）輸出電壓：+6V-1.0V（4）輸出阻抗：1mA 負(fù)載時(shí)0.1；（5）精度：0.5精度（在+25時(shí)）；（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

4、）校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；（10）封裝：密封TO-46 晶體管封裝或塑料TO-92 晶體管封裝；（11）使用溫度范圍：-55+150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(shí)，工作電流為120mA，功耗極低，在全溫度范圍工作時(shí)，電流變化很小。電壓輸出采用差動(dòng)信號(hào)方式，由2、3 引腳直接輸出，電阻R 為18K 普通電阻，D1、D2 為1N4148。傳感器電路原理如圖2.1.采樣值的準(zhǔn)確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來(lái)進(jìn)行量化。設(shè)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的電壓為Ui，則已知10V 對(duì)應(yīng)的溫度為55，10V 對(duì)應(yīng)的溫度為125，易求得比例因數(shù)Kt0.11

5、1V/。溫度為0時(shí)，T55（即相對(duì)于55的變化量）。圖2.1傳感器電路原理圖 Ui 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)關(guān)系：（0.111V/）/（4.883mV/數(shù)字量）22.73 數(shù)字量/當(dāng)0時(shí)，AD 輸出的數(shù)字量D0 = 0+55×22.73 數(shù)字量/125004E2H。溫控電路由傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D 采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)、輸出控制電路、加溫電路構(gòu)成。電路基本工作原理：傳感器電路將感受到的溫度信號(hào)以電壓形式輸出到信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后輸入到A/D 采樣電路，

6、由A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量值送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)的溫度要求判斷是否需要接通加溫電路。2.2 溫度信號(hào)采集電路Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP-07A最大為25V），所以O(shè)P-07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP-07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP-07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP-07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。OP07具有以下特點(diǎn)： 超低偏移： 150V最大 。  (1)低輸入偏置

7、電流： 1.8nA 。  (2)低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。  (3)超穩(wěn)定，時(shí)間： 2V/month最大   (4)高電源電壓范圍： ±3V至±22V它的引腳圖如圖2.2所示。1 8 2 73 64 5 圖2.2OP-07引腳圖OP-07芯片引腳功能說(shuō)明：1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+。OP-07高精度運(yùn)算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)。由LM35和OP-07組成的信號(hào)采集電路如圖2.3所示：圖2.3信號(hào)采集電路

8、由輸出短路法及輸入求和方式可判斷該電路是電壓并流負(fù)反饋放大電路。因此可知If=-Vi/Rf，反饋系數(shù)F=If/Vo，所以F=-1/R3A=Vo/Ii，放大倍數(shù)AF=A/（1+AF）2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 ICL7107是高性能、低功耗的三位半AD轉(zhuǎn)換器，同時(shí)包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)。ICL7107可直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)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(jié)合在一起，它有低于10uV的自動(dòng)校零功能，零漂小于1uV/，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測(cè)量負(fù)載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感

9、器時(shí)會(huì)有更突出的特點(diǎn)。ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.4所示。其中計(jì)數(shù)器對(duì)反向積分過(guò)程的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動(dòng)器、控制器和鎖存器。驅(qū)動(dòng)器是將譯碼器輸出對(duì)應(yīng)于共陽(yáng)極數(shù)碼管七段筆畫(huà)的邏輯電平變成驅(qū)動(dòng)相應(yīng)筆畫(huà)的方波。圖2.4 ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖控制器的作用有三個(gè)：第一，識(shí)別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，使各模擬開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。第二，識(shí)別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號(hào)顯示。第三，當(dāng)輸入電壓超量限時(shí)發(fā)出溢出信號(hào)，使千位顯示“1" ，其余碼全部熄滅。 釣鎖存器用來(lái)存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動(dòng)LED

10、。它的每個(gè)測(cè)量周期自動(dòng)調(diào)零（AZ）、信號(hào)積分（INT）和反向積分（DE）三個(gè)階段。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如圖2.5所示圖2.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖 ICL7107AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖2.6所示。 1 V+ OSC1 402 D1 OSC2 393 C1 OSC3 384 B1 TEST 375 A1 REF HI 366 F1 REF LO 357 G1 CREF+ 348 E1 CREF 339 D2 COMMON 3210 C2 I CL7107 IN HI 3111 B2 IN LO 3012 A2 A-Z 2913 F2 BUFF 2814 E

11、2 INT 2715 D3 V- 2616 B3 G2 25 17 F3 C3 2418 E3 A3 2319 AB4 G3 2220 POL GND 21 圖2.6 ICL7107管腳排列ICL7107是集A/D轉(zhuǎn)換和譯碼器為一體的芯片，而且這芯片能夠驅(qū)動(dòng)三個(gè)數(shù)碼管工作而不需要更多的譯碼器，這給我們連接電路或者分析電路提供了一定的方便。ICL7107芯片的管腳比較多，每一個(gè)管腳所代表的功能也各不相同，能夠組成各種電路，比如說(shuō)有積分電路。這要求我們?cè)诮与娐窌r(shí)要小心，不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。2.4 數(shù)碼管顯示數(shù)碼管可以分為共陽(yáng)極與共陰極兩種，共陰極是把所有LED的陽(yáng)極連接到共同接點(diǎn)com，而每一LED的陰

12、極分別為a,b,c,d,e,f,g及sp（小數(shù)點(diǎn)），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示。 a GbcdefgSP 圖2.7 共陽(yáng)極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于ICL7107的特點(diǎn)，它只能驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極數(shù)碼管，故我們要選用共陽(yáng)極七段數(shù)碼管。在連接數(shù)碼管時(shí)，我們要注意數(shù)碼管各個(gè)管腳所對(duì)應(yīng)的字母，不能接錯(cuò)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。三、總線路圖與實(shí)物圖四、元器件選擇（含明細(xì)表）元件名稱(chēng)元件型號(hào)及參數(shù)個(gè)數(shù)電阻10K3100K124K11M1240K21K1可調(diào)電阻100K120K1電容0.1 uF10.01 uF10.047 uF10.22 uF1100 pF1芯片LM351

13、OP-071ICL71071數(shù)碼管共陽(yáng)極數(shù)碼管4五、實(shí)驗(yàn)調(diào)試 第一次調(diào)試的時(shí)候，數(shù)碼管無(wú)法正常顯示數(shù)字，第一個(gè)管顯示一個(gè)負(fù)號(hào)，第三個(gè)管顯示數(shù)字1，第二和第四個(gè)管無(wú)顯示。起初是認(rèn)為可能是數(shù)碼管的管腳有焊接錯(cuò)誤，在拆芯片與溫度傳感器準(zhǔn)備進(jìn)一步檢查的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)溫度傳感器發(fā)燙，溫度特別高。因此又有可能是因?yàn)殡娫唇臃椿蛘咂骷b反了的原因。在利用萬(wàn)用表檢查各個(gè)線路的連接沒(méi)問(wèn)題后，我再次裝上元件進(jìn)行第二次調(diào)試，在裝溫度傳感器的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)第一次裝的時(shí)候真的把電源和地的管腳接反了。于是在正確安裝溫度傳感器之后，數(shù)碼管得顯示就正常了，得到了正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。六、心得體會(huì)經(jīng)過(guò)這次的電子技術(shù)綜合實(shí)踐，加深了我對(duì)數(shù)字電路的理解。一學(xué)期來(lái)我都只是學(xué)到的課本上的知識(shí)，對(duì)于枯燥的原理以及各種器件的真值表和管腳圖，并不了解這些芯片器件是怎么真正工作的。而這次可以理論聯(lián)系實(shí)踐，使我越加有干勁。我覺(jué)得焊接電路之前，需要畫(huà)好布局電路圖，尤其要分布好芯片的位置，這一步是焊接的開(kāi)始，也是焊接的關(guān)鍵。然后