LM35與ICL7107數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)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)動溫度顯示 圖1.1 電路原理方框圖通過溫度傳感器LM35采集到溫度信號，經(jīng)過整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過譯碼器驅(qū)動數(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)動數(shù)碼管，省去了譯碼器的接線，ICL7107只需要很少的外部元件就可以精確測量0到200mv電壓，LM35本身就可以將溫度線性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由此可知用ICL7107驅(qū)動數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)信號的顯示。 電路原理及其電路組成 數(shù)字溫度計(jì)通過LM35對溫度進(jìn)行采集，通過溫度與電壓近乎線性關(guān)系，以此來確定輸出電壓和

2、相應(yīng)的電流，不同的溫度對應(yīng)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(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表示出來。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，從使用角度來說，LM35與用開爾文標(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0.1；（5）精度：0.5精度（在+25時）；（6）漏泄電流：小于60A；（7）比例因數(shù)：

3、線性+10.0mV/；（8）非線性值：±1/4；（9）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，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算辦法來進(jìn)行量化。設(shè)經(jīng)過信號調(diào)理后的電壓為Ui，則已知10V 對應(yīng)的溫度

4、為55，10V 對應(yīng)的溫度為125，易求得比例因數(shù)Kt0.111V/。溫度為0時，T55（即相對于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，每個數(shù)字量對應(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應(yīng)關(guān)系：（0.111V/）/（4.883mV/數(shù)字量）22.73 數(shù)字量/當(dāng)0時，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以電壓

5、形式輸出到信號調(diào)理電路，信號經(jīng)過調(diào)理后輸入到A/D 采樣電路，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） 溫度信號采集電路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（對于OP-07A最大為25V），所以O(shè)P-07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP-07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP-07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP-07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07具有以下特點(diǎn)：

6、  超低偏移： 150V最大 。  (1)低輸入偏置電流： 1.8nA 。  (2)低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。  (3)超穩(wěn)定，時間： 2V/month最大  (4)高電源電壓范圍： ±3V至±22VOP-07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期穩(wěn)定等特點(diǎn)。

7、由LM35和OP-07組成的信號采集電路如圖2.3所示：圖2.3信號采集電路 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）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，同時包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。ICL7107可直接驅(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(jié)合在一起，它有低于10uV的自動校零功能，零漂小于1uV/，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個字。真正的差動輸入和

8、差動參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測量負(fù)載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時會有更突出的特點(diǎn)。ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.4所示。其中計(jì)數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應(yīng)筆畫的方波。圖2.4 ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖控制器的作用有三個：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(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號顯示。第三，當(dāng)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

9、滅。 釣鎖存器用來存放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。 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

10、IN LO 3012 A2 A-Z 2913 F2 BUFF 2814 E2 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)動三個數(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，每一個管腳所代表的功能也各不相同，能夠組成各種電路，比如說有積分電路。這要求我們在接電路時要小心，不能出現(xiàn)錯誤。4） 數(shù)碼管顯示數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰

11、極兩種，共陰極是把所有LED的陽極連接到共同接點(diǎn)com，而每一LED的陰極分別為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)動共陽極數(shù)碼管，故我們要選用共陽極七段數(shù)碼管。在連接數(shù)碼管時，我們要注意數(shù)碼管各個管腳所對應(yīng)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。調(diào)試與總結(jié)1 ）調(diào)試與測量數(shù)據(jù)我們要通過調(diào)試電路來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路的相關(guān)內(nèi)容。（1）按照電路圖對相關(guān)元件進(jìn)行連接，其中注意芯片各管腳的作用以及該如何進(jìn)行接線。（2）當(dāng)上步驟完成后

12、，接通電源，觀察數(shù)碼管和二極管是否亮，若不亮?xí)r，要對電路電源進(jìn)行檢測，看是否線路接觸不良或者電路短路。（3）（2）完成之后，觀察數(shù)碼管是否顯示數(shù)值，然后改變LM35的溫度值，觀察數(shù)碼管是否隨著溫度變化而變化。（4）若數(shù)碼管數(shù)值與溫度值相差太大，則要檢查信號采集電路中各元件值是否對。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性以及它的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們對實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。用帶有溫度測量的數(shù)字萬用表和本次設(shè)計(jì)的電路對相同溫度下物體進(jìn)行相應(yīng)的測量并繪成表格進(jìn)行比較。如表3.1。測量工具測量環(huán)境數(shù)字萬用表數(shù)顯溫度計(jì)室溫21.021.1冷水袋15.115.2溫水袋52.052.1 表3.1 萬用表與設(shè)計(jì)電路數(shù)據(jù)的比較 由上表的數(shù)據(jù)

13、可以得出，本系統(tǒng)的誤差<1,分辨率為0.1。a) 設(shè)計(jì)總結(jié)采用LM35、A/D轉(zhuǎn)換器、譯碼器和數(shù)碼管。通過溫度傳感器LM35采集到溫度信號，經(jīng)過整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管顯示溫度。在這次設(shè)計(jì)當(dāng)中，初步了解了AD轉(zhuǎn)換器的工作原理以及數(shù)碼管的連接方法。在這個設(shè)計(jì)中，信號采集電路比較重要，要對電路中各個元件數(shù)值進(jìn)行精確的計(jì)算，防止電路輸出變化太大，對測量不利。2） 心得體會數(shù)電課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，可以說是十分復(fù)雜又枯燥的，但是從中卻學(xué)到很多的東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，還學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次數(shù)電課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，才能提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。因?yàn)槭堑谝淮巫鰯?shù)電課程設(shè)計(jì)，遇到問題是再所難免的，但是從遇