數(shù)電數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)說明書

新疆大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告所屬院系：電氣工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化課程名稱：數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師:完畢日期：.12.24課程設(shè)計(jì)題目：數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)規(guī)定完畢的內(nèi)容：一、技術(shù)指標(biāo)：1.基本范疇測(cè)溫0~100℃2.精度誤差不大于1℃3.LED數(shù)碼直讀顯示溫度大小。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及環(huán)節(jié)1.提出兩種方案，并對(duì)該兩種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)以選出最優(yōu)方案；2.完畢各單元電路的設(shè)計(jì)和繪制出各單元電路圖；3.設(shè)計(jì)出總體電路圖；4.對(duì)各單元電路及總體電路進(jìn)行仿真和調(diào)試；5.實(shí)訓(xùn)小結(jié)三、實(shí)訓(xùn)工作量：在一周內(nèi)和同組同窗設(shè)計(jì)出數(shù)字溫度計(jì)的電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：評(píng)定成績(jī)?yōu)椋褐笇?dǎo)教師簽名：年月日

數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)總體方案的選擇擬定系統(tǒng)方案框圖方案一：本方案采用AD590單片集成兩段式敢問電流源溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集，采集的電壓通過放大電路將信號(hào)放大，然后通過3.5位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的同時(shí),還可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示屏,將溫度顯示出來。系統(tǒng)方框圖以下：溫度采集（AD590）溫度采集（AD590）電壓放大數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)（譯碼器）LED顯示屏A/D轉(zhuǎn)換圖1.1系統(tǒng)方案框圖方案二：使用數(shù)字傳感器采集溫度信號(hào)，然后將被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來放大適宜的倍數(shù)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字進(jìn)行編碼，然后再通過譯碼器通過七段數(shù)字顯示屏將被測(cè)溫度顯示出來。數(shù)字式溫度傳感器數(shù)字式溫度傳感器信號(hào)解決放大電路A/D轉(zhuǎn)換（ADC0809）譯碼器（74HC4511）編碼器七段數(shù)字顯示屏圖1.2系統(tǒng)方案框圖2.方案的分析和比較方案一中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7107集A/D轉(zhuǎn)換和譯碼器于一體，能夠直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，不僅省去了譯碼器的接線，使電路精簡(jiǎn)了不少，并且成本也不是很高。ICL7107只需要極少的外部元件就能夠精確測(cè)量0到200mv電壓，AD590能夠?qū)囟染€性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。而方案二通過A/D轉(zhuǎn)換后，需要先通過編碼器再通過譯碼器才干將數(shù)字顯示出來。比較上述兩個(gè)方案，方案一明顯優(yōu)越于方案二，它用AD590采集溫度信號(hào)，用ICL7107驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)；省去了另加編碼器和譯碼器的設(shè)計(jì)，因此線路更簡(jiǎn)樸、直觀；即采用方案一。單元電路的設(shè)計(jì)通過AD590對(duì)溫度進(jìn)行采集，通過溫度與電壓近乎線性關(guān)系，以此來擬定輸出電壓和對(duì)應(yīng)的電流，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的電壓值，故我們能夠通過電壓電流值通過放大進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表達(dá)出來。2.1傳感電路AD590是半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)式溫度傳感器，PN結(jié)正向壓降的溫度系數(shù)為-2mV/℃,運(yùn)用硅熱敏晶體管PN結(jié)的溫度敏感特性測(cè)量溫度的變化測(cè)量溫度,其測(cè)量溫度范疇為-50～150。AD590輸出電流值(μA級(jí))等于絕對(duì)溫度(開爾文)的度數(shù)。使用時(shí)普通需要將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值,如圖2.1.1圖中,Ucc為激勵(lì)電壓,取值為4～40V;輸出電流I0以絕對(duì)溫度零度-273℃為基準(zhǔn),溫度每升高1℃,電流值增加圖2.1.1A溫度t對(duì)應(yīng)輸出電流Io為:Io(t)=273μA+t×1μA/℃（式1）式中:273μA為攝氏零度時(shí)輸出的電流值；t為測(cè)得的攝氏溫度。在室溫25℃時(shí),輸出電流Io(25)=(273+25)=298μAAD590構(gòu)成的電壓輸出電路如圖所示：圖2.1.2A電路含有偏置和增益調(diào)節(jié)裝置功效，為了改善輸出電壓的性能,電路中采用了電壓跟隨器。由于AD590輸出的是絕對(duì)溫度,而實(shí)際顯示的是攝氏溫度,設(shè)計(jì)差動(dòng)放大電路(U1,U2為輸入),調(diào)節(jié)電位器使U1=2.73V,則圖3輸出電壓值Uo與溫度傳感器測(cè)得的攝氏溫度呈線性關(guān)系,計(jì)算公式為:（式2）對(duì)于25℃的室溫,Uo=2.5V2.2溫度信號(hào)解決放大電路OP－07芯片是一種低噪聲，非暫波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP-07含有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP-07A最大為25μV），因此OP-07在諸多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零方法。OP-07同時(shí)含有輸入偏置電流（OP-07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP-07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OPOP－07含有下列特點(diǎn)：

(1)超低偏移：150μV最大。

(2)低輸入偏置電流：1.8nA。

(3)低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃。

(4)超穩(wěn)定，時(shí)間：2μV/month最大8765它的引腳圖如圖2.28765圖2.2.1OP-07芯片引腳功效闡明：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)算放大器含有極低的輸入失調(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)久穩(wěn)定等特點(diǎn)。由AD590和OP-07構(gòu)成的信號(hào)采集電路如圖2.2.2圖2.2.2由輸出短路法及輸入求和方式可判斷該電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路。因此可知If=-Vi/Rf，反饋系數(shù)F=If/Vo，因此F=-1/R3A=Vo/Ii，放大倍數(shù)AF=A/（1+AF）。A/D轉(zhuǎn)換電路ICL7107是一種高性能、低功耗的三位半A\D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較好的結(jié)合在一起，它有低于10uV的自動(dòng)校零功效，零漂不大于1uV/℃，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差不大于一種字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在多個(gè)系統(tǒng)中都很有用。在用于測(cè)量負(fù)載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時(shí)會(huì)有更突出的特點(diǎn)。ICL7107的特點(diǎn)：1.保持零電平輸入時(shí)，各量程的讀值均為零；2.1pA典型輸入電流；3.很低的噪聲（不大于15Vp-p）；4.片上自帶時(shí)鐘；5.低功耗；6.不需外接有源電路。7.真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考電源，直接LCD顯示驅(qū)動(dòng)。ICL7107的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示圖的部分電路原理圖以下：圖2.3.0ICL7107數(shù)字部分框圖ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.3.1所示。其中計(jì)數(shù)器對(duì)反向積分過程的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂七壿嬌婕胺诸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)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)筆畫的方波。圖2.3.1ICL7107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)，使各模擬開關(guān)接通或斷開，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"，其它碼全部熄滅。

釣鎖存器用來寄存A/D轉(zhuǎn)換的成果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動(dòng)LED。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2.3.2所示

圖2.3.2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效如圖2.3.3所示：圖2.3.3ICL7107引腳功效：V＋和V-分別為電源的正極和負(fù)極（或地）au-gu,aT-gT,aH-gH：分別為個(gè)位、十位、百位筆畫的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次接個(gè)位、十位、百位LED顯示屏的對(duì)應(yīng)筆畫電極。Bck：千位筆畫驅(qū)動(dòng)信號(hào)。接千位LEO顯示屏的對(duì)應(yīng)的筆畫電極。PM：液晶顯示屏背面公共電極的驅(qū)動(dòng)端，簡(jiǎn)稱背電極。

Oscl-OSc3：時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體構(gòu)成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據(jù)下列公式來決定：Fosl=0.45/RCCOM：模擬信號(hào)公共端，簡(jiǎn)稱“模擬地”，使用時(shí)普通與輸入信號(hào)的負(fù)端以及基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連。

TEST：測(cè)試端，該端通過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”。

VREF＋VREF-：基準(zhǔn)電壓正負(fù)端。

CREF：外接基準(zhǔn)電容端。

INT：27是一種積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件

IN＋和IN-：模擬量輸入端，分別接輸入信號(hào)的正端和負(fù)端。

AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動(dòng)調(diào)零電容CAz。如果應(yīng)用在200mV滿刻度的場(chǎng)合是使用0.47μF，而2V滿刻度是0.047μF。

BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。其輸出級(jí)的無(wú)功電流(idlingcurrent)是100μA，而緩沖器與積分器能夠供應(yīng)20μA的驅(qū)動(dòng)電流，從此腳接一種Rint至積分電容器，其值在滿刻度200mV時(shí)選用47K，而2V滿刻度則使用470K。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(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后運(yùn)用脈沖時(shí)間間隔，進(jìn)而得出對(duì)應(yīng)的數(shù)字性輸出。838電子

它的原理性框圖如圖2所示，它涉及積分器、比較器、計(jì)數(shù)器，控制邏輯和時(shí)鐘信號(hào)源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一種測(cè)量周期內(nèi)，積分器先后對(duì)輸入信號(hào)電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號(hào)與零電平進(jìn)行比較，比較的成果作為數(shù)字電路的控制信一號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)源的原則周期Tc作為測(cè)量時(shí)間間隔的原則時(shí)間。它是由內(nèi)部的兩個(gè)反向器以及外部的RC構(gòu)成的。其振蕩周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。數(shù)碼管顯示數(shù)碼管能夠分為共陽(yáng)極與共陰極兩種，共陰極是把全部LED的陽(yáng)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)部構(gòu)造圖如圖2.7所示。aGbaGbcdefgSP圖2.4.1共陽(yáng)極數(shù)碼管內(nèi)部構(gòu)造在本次設(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，并且在管腳之前要接上電阻，以免燒壞芯片和數(shù)碼管?？傠娐穲D將傳感電路、信號(hào)采集解決放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、七段數(shù)碼顯示電路這四個(gè)單元電路級(jí)聯(lián)起來能夠得到以下總電路圖：圖3.1總體電路圖仿真與調(diào)試4.1調(diào)試與測(cè)量數(shù)據(jù)按照以上各個(gè)部分的原理圖，對(duì)電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并焊接電路板。接好電源，進(jìn)行調(diào)試。由于所用的集成片(例如A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107)在EDA仿真軟件上諸多都沒有，進(jìn)行模擬仿真很困難，所覺得了通過連接實(shí)際元件進(jìn)行仿真和調(diào)試：（1）按照電路圖對(duì)有關(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)上環(huán)節(jié)完畢后，接通電源，觀察數(shù)碼管和二極管與否亮，若不亮?xí)r，要對(duì)電路電源進(jìn)行檢測(cè)，看與否線路接觸不良或者電路短路。（3）（2）完畢之后，觀察數(shù)碼管與否顯示數(shù)值，然后變化LM35的溫度值，觀察數(shù)碼管與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(hào)采集電路中各元件值與否對(duì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的對(duì)的性以及它的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們對(duì)實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。用水銀溫度計(jì)和本次設(shè)計(jì)的電路對(duì)相似溫度下物體進(jìn)行對(duì)應(yīng)的測(cè)量并繪成表格進(jìn)行比較。如表4.1。表4.1水銀溫度計(jì)與設(shè)計(jì)電路數(shù)據(jù)的比較測(cè)測(cè)量工具測(cè)量環(huán)境水銀溫度計(jì)數(shù)字溫度計(jì)室溫21.021.1冷水袋15.115.2溫水袋52.052.1經(jīng)對(duì)照，由上表的數(shù)據(jù)能夠得出，本系統(tǒng)的誤差<1℃,分辨率為0.14.2元器件清單表4.2元器件明細(xì)表元件名稱元件型號(hào)及參數(shù)個(gè)數(shù)電阻10K3100K124K11M1470K11K1可調(diào)電阻100K120K1電容0.1uF10.01uF10.047uF10.22uF1100pF1芯片AD5901OP-071ICL71071數(shù)碼管共陽(yáng)極數(shù)碼管3小結(jié)采用AD590、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管。通過溫度傳感器AD590采集到溫度信號(hào)，通過放大電路送A/