南邮温度测量仪实验报告总结doc.docx
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南邮温度测量仪实验报告总结doc
摘要
本课题是利用A/D转换设计的一个温度测量仪,利用振荡器
的敏感特性,去检测展示的温度。
因此,我们必须用模数转换器即
A/D转换器把模拟信号转换成数字信号后送入28C64存储器中,再
利用显示电路把转换后的数字信号显示出来。
整个流程先通过LM35
温度传感器进行操作,实现温度采集。
在转换的过程中用到芯片
ADC0809;最后通过译码器显示出温度;本课程还利用到
7485比较
器,实现报警功能!
第一章技术指标--------------------
1.1系统功能要求--------------------
1.2系统结构要求--------------------
1.3技术指标------------------------
1.4设计条件------------------------
第二章整体方案设计----------------
2.1数据处理流程分析---------------
2.2整体方案-----------------------
第三章单元电路设计--------------------
3.1温度传感器及其放大电路的设计------
3.2A/D
转换电路及数字显示电路的设计
--
3.2.1
设计思路-----------------------
3.2.2
数模转换及显示电路
--------------
3.3
71KHz
方波信号发生器的设计------
3.4
超限比较报警电路的设计------------
3.5
整体电路图------------------------
第四章
测试与调试----------------------
4.1
数字显示电路的调试----------------
4.2
存储器和数字显示电路的调试--------
4.3
信号发生器电路的测试
-------------
4.4A/D
转换电路及数字显示电路的调试
---
4.5
超限比较报警电路的调试--------------
第五章
设计小结---------------------------
5.1
设计任务完成情况------------------
--
5.2
问题与改进---------------------------
5.3
心得体会--------------------------
---
第一章
技术指标
1.1系统整体功能要求
温度测量仪能够测量和显示测量的温度值,当温度超过设定的值
后,发出超温的指示或报警。
报警温度的设定可根据需要自定。
1.2系统结构要求
温度测量仪的整体框图如图1所示,其中S1为系统复位按键,
S2为报警温度设定。
温度测量仪的整体方框图
1.3技术指标
1、电压指标
(1)温度测量范围:
0℃~99℃
(2)显示精度:
1℃
(3)测温灵敏度:
20mV/℃
(4)显示采用四位数码管
(5)温度报警采用LED发光二极管或蜂鸣器
(6)报警温度可以任意设定
1.4设计条件
(1)电源条件:
稳压电源
0V~15V可调
(2)可供选择的元器件范围下表所示。
型号
名称及功能
数量
LM35
温度传感器
1只
TL084
运算放大器
1片
ADC0809
八路A/D转换器
1片
7448
七段显示译码器
2片
28C64
EEPROM存储器
74157
同相输出四2选1数
2片
据选择器
4511
BCD-七段译码器
2片
7485
四位数字比较器
2片
CD4029
可预置可逆计数器
2片
555
定时器
1片
7400
四2输入端与非门
1片
按键开关
1个
无锁开关
1个
自锁开关
1个
各种R、C阻容件及放光二极管自定
第二章整体方案设计
2.1、数据处理流程分析
温度测量仪顾名思义是通过温度传感器对被测对象的温度变化
情况进行测量和监视的,传感器输出的不同电流,经电流-电压变化
后放大成不同的模拟电压,再经A/D转换,送入数字电压表,将温
度数值显示出来。
温度传感器的原理方框图如下图所示:
温度传感器的原理方框图
温度传感器是温度监测仪的核心部件,它的作用是将温度值转
换为电流值。
按温度传感器与被测介质的接触方式分为:
接触式和
非接触式温度传感器两大类。
热电阻、热电偶、半导体集成温度传
感器都属于接触式温度传感器;红外测温传感器属于非接触式传感
器,它通过被测介质的热辐射或热对流达到测温目的。
温度传感器
的测量范围极广,从零下几百℃到零上几千℃,测温精度又各有不
同,要根据测温的具体要求(如测温范围、精度)合理选择合适的
温度传感器。
集成温度传感器的输出形式分为电压输出型和电流输出型两
种,电压输出型的灵敏度一般为10mV/K,温度为0K时的输出电压
为0V,温度为25℃时的输出为:
2.9815V。
电流输出型的灵敏度一
般为1μA/K,25℃时在1KΩ电阻上的输出电压为:
298.15mV。
2.2、整体方案
整个系统电路在面包板上实现,其中核心模块为A/D转换部
分及数字电压表部分,以下将做较详尽考虑。
第三章单元电路设计
(1)温度传感器及其放大电路的设计
LM35主要特性:
集成温度传感器LM35具有测温精度高、线性优良、体积小、
热容量小、稳定性好、输出电信号大及价格较便宜等优点,LM35灵
敏度为10mV/℃,即温度为20℃时,输出电压为:
200mV。
常温下测
温精度为±0.5℃以内,消耗电流最大也只有70μA,自身发热时测
量精度的影响在±0.1℃以内。
采用+4V以上的单电源供电时,测
量温度的影响范围为:
2℃~150℃;而采用双电源供电时,测量温
度范围为:
-55℃~+150℃,电压使用范围为4V~20V。
设计思路
因为用户要求测温灵敏度20mV/℃,而LM35的灵敏度为
10mV/℃的电压输出型温度传感器,因此传感器温度变换后应有一个
同相2倍的电压放大电路,这部分电路可简单地运用运算放大器
LM324来实现。
②温度变换及其电压放大模块电路图
说明:
图3中的跟随电路A1是为了避免后续电路对V(t)的过多影
响而增设的电压跟随器,以保证V(t)能真实地反映温度场的正确温
度。
(2)A/D转换电路及数字显示电路的设计
①设计思路
将V(t)的模拟电压送入A/D转换器的输入端,转换为二进制码,用该码作为存储器EEPROM的地址信号,将事先预置在存储单元的温度值取出,经译码显示电路将数字显示出来。
A/D转换器
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号,转换过程通过采样、
保持、量化和编码四个步骤完成。
采样和保持:
采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。
将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲,脉冲的
幅度取决于输入模拟量。
模拟信号经采样后,得到一系列样值脉冲。
采样脉冲宽度τ一
般是很短暂的,在下一个采样脉冲到来之前,应暂时保持所取得的
样值脉冲幅度,以便进行转换。
因此,在取样电路之后须加保持电
路。
保持电路
取样保持电路及输出波形
场效应管VT为采样门,电容C为保持电容,运算放大器为跟
随器,起缓冲隔离作用。
取样保持电路及输出波形
在采样脉冲S(t)到来的时间τ内,VT导通,UI(t)向电容C充
电,假定充电时间常数远小于τ,则有:
UO(t)=US(t)=UI(t)。
-
-采样
采样结束,VT截止,而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变,
直到下一个采样脉冲到来为止。
--保持
量化与编码:
输入的模拟电压经过采样保持后,得到的是阶梯波。
而该阶梯
波仍是一个可以连续取值的模拟量,但n位数字量只能表示2n个数
值。
因此,用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个近似问
题。
量化是指将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上,
这个过程就称为量化。
用二进制数码来表示各个量化电平的过程称
为编码。
取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等
的,其差值称为量化误差ε,即ε=Uo-Uq。
舍尾方法②四舍五入方法
本设计中采用ADC0809在同一芯片上设计了一个8位的A/D转
换器和8通道模拟开关,因此可以直接输入8个单端的模拟信号。
该器件主要性能如下:
(1)采用单+5V电源逐次逼近式A/D转换,工作时钟典型值为
640KHz,转换时间约为100μs。
(2)分辨率为8位二进制码,总失调误差:
ADC0809为±1LSB。
(3)当用+5V电源供电时,模拟量的输入电平范围0~5V,不需要零点和满度调节。
(4)具有8通道闩锁开关控制,可以直接接入8个单端模拟量。
(5)数字量输出采用三态逻辑,输出符合TTL电平。
(6)容易与各种微处理器连接,也可以独立工作。
ADC0809芯片管脚和内部结构图:
逐次逼近式ADC的工作原理介绍:
1.工作思想:
可用天平秤重过程作比喻来说明。
若有四个砝码共重
15克,
每个重量分别为8、4、2、1克。
设待秤重量Wx=13克,可以用下
表步骤来秤量:
组成:
(1)电压比较器
(2)D/A转换器(3)时序分配器(4)JKFF(5)
寄存器
时序分配器输出波形
电压比较器C:
将入u和D/A器出参考U'
REF
行比,当U'
I
REFI
,出F=1;当U'REF≥uI,出F=0。
序分配器:
它的作用是生有用的拍脉冲,它通常由形数器构成,
在CP的作用下生CP0~CP4的拍脉冲,其波形如下所示。
JK触器:
在拍脉冲CP0~CP4的作用下,每次比果,向D/A
器提供入数。
寄存器:
由D触器构成,在拍脉冲的作用下,最后比果,并行出二制代。
逐次逼近型A/D转换器的工作原理:
假D/A器的基准UREF=8,采保持信号uI=4.75V。
第一步:
开始前先将逐次逼近寄存器清“0”;
第二步:
第0个脉冲首先将寄存器最高位置成1,使出数字
100⋯0。
个数被D/A器成相的模uREF’,并送到比器中与uI行比。
若uI<u’REF,明数字大,故将最高位的1清除置零;若uI≥u’REF,明数字不大,将一
位保留。
具体分析:
QDQCQBQA=1000,则D/A转换器输出参考电压u'REF=4V。
u'REF 此,电压比较器输出F=1,G=0。 此时,4个JKFF的J=1,K=0。 第三步: 在节拍脉冲CP1下跳的作用下,QD=1,QC=1,QB与QA仍保持 “0”态。 这样在CP1作用后,JKFF的状态为: QDQCQBQA=1100。 D/A转 换器输出参考电压U'REF=6V。 由于U'REF>uI,因此,电压比较器输出 F=0,G=1,4个JKFF的J=0,K=1。 第四步: 在节拍脉冲CP2下跳的作用下,QD=1QC=0,QB=1,QA=0。 这样在CP2作用后,JKFF的状态为: QDQCQBQA=1010。 D/A转换器输出 参考电压U'REF=5V。 由于U'REF>uI,因此,电压比较器输出F=0, G=1,4个JKFF的J=0,K=1。 第五步: 在节拍脉冲CP3下跳的作用下,QB=0,QA=1。 这样在CP3 作用后,JKFF的状态为: QDQCQBQA=1001。 D/A转换器输出参考电压 U'REF=4.5V。 由于U'REF JKFF的J=1,K=0。 第六步: 在节拍脉冲CP4下跳的作用下,QA=1。 4个JKFF的状态 为: QDQCQBQA=1001。 CP4的上升沿将DFF的1001状态存入4个DFF,并 且保持下来,输出为D3D2D1D0=1001。 即: 输入模拟信号uI=4.75V,由 A/D转换后输出4位二进制代码1001。 逐次逼近式A/D转换器完成一次转换所需的节拍数为 (n+1),其中n为二进制代码位数,完成一次转换所需时间为 (n+1)TCP,其中TCP为时钟周期。 举例: 若UREF=8V,n=4。 当采样保持电路输出电压uI=4.75V时,试 列表说明逐次逼近型ADC电路|U的REFA/D|8转换过程。 =2n=16=0.5V 解: 量化单位为 转换的结果为: D3D2D1D0=1001。 逐近A/D转换器完成一次转换所需的时间(n+1)TCP。 28C64简介: 模数转换乃数字显示电路除用到ADC0809外,还用到28C64与两片 4511.28C64是一个含163=4096个单元的存储器,每个单元8bit, 单元地址从0000H——0FFFH。 28C64,13地址端输入,4地址端输 出,其具体功能表详见数字电路书。 本实验将28C64的0000H—— 0063H分别存储00——99的BCD码。 即: 0000H→00H 0001H→01H 0002H→02H .. .. 0009H→09H 000AH→10H 000BH→11H .. .. 0063H→99H 74157简介: 74157是一个A4——A1,B4——B1根据1号管脚电平,选择输出 的芯片。 本实验中切换当前感应温度与设定温度就是用到此器件, 其具体功能见数字电路书相关内容。 本实验将28C64输出的I/07——I/00连至两个74157的A4—— A1,再将脉冲置数器的两个Q1——Q4连到74157的两个B4——B1端。 改变1管脚电平值实现显示切换。 74157管脚图: U? GN SEL A1Y1 B1 A2Y2 B2 A3Y3 B3 A4Y4 B4 74157 说明: ADC0809的CLOCK端需要一个71K左右的方波信号,若不提供 信号发生器,我们可以采用555定时器制成自激多谐振荡器来实 现。 而输入端V(t)选择INO端口,地址为000。 71KHz方波信号发生器 用555定时器构成的多谐振荡器如图5所示,它无需加激励, 只要接通电源就可以输出方波。 关于555的功能表,详见数字电路书相关章节。 信号发生器电路: 其中Ra=1KΩ,Rb=100KΩ,则若取C=0.0001uF,则 T=0.7*2*100*0.1*10-6S=1.4*10-5S F=1/T=71KHZ 这个频率已经可以满足ADC0809的时钟要求了。 超限比较报警电路的设计 设计思路 设定一个报警温度Tg,将Tg折算成对应的比较电压Vg,即 Vg=Tg×20mV/℃。 要想使Vt〉Vg时,电路报警,可将两电压通过一 个电压比较器后经发光二极管显示是否报警。 ②报警电路图 7485简介: 要用以上方案就必须使用7485,7485是一个二进制4位数字比 较器通过比较A3——A0与B3——B0得出结果。 因为本方案的温度是十进制两位数,所以必须使用两片7485来 比较,即8位2进制比较。 其电路图如下: 用此电路可直接比较Vt7——Vt0与Vg7——Vg0. 置数电路: 本电路最终使用两个加法(减法)计数器,CD4029来置数,其 基本电路如下: S2为脉冲开关,,S1为加(减)切换开关。 整机电路图(最后另附) 第四章测试与调试 4.1数字显示电路的调试 再给4511的管脚号1、2、6、7中的一个施加电源时,其他的 接地就会分别显示0、1、2、4、8,当四个管脚号全部接地时译码 管显示的是0。 如下表: ①建表 输入十位 显示 输入个位 显示 0000 0 0000 0 0001 1 0001 1 0010 2 0010 2 0011 3 0011 3 0100 4 0100 4 0101 5 0101 5 0110 6 0110 6 0111 7 0111 7 1000 8 1000 8 1001 9 1001 9 ②结论: 达到设计要求。 4.2存储器和数字显示电路的调试 分别给28C64的管脚号3、4、5、6、7、8、9、10中的一个接 电源,其他的接地就会显示出下表的数值,值得注意的是: 当管脚 号全部接地时,译码管显示的是0.当管脚号3(高位)接电压时, 译码管不会显示,因为27已经超过了99,因此不会显示! 还有就是 有可能两个(或两个以上)接电压时,译码管显示相应的数值。 这 里就不一一列表了。 ①建表 地址 显示十位 显示个位 00000000 0 0 00000001 0 1 00000010 0 2 00000100 0 4 00001000 0 8 00010000 1 6 00100000 3 2 01000000 6 4 10000000 不显示 不显示 ②结论: 达到设计要求。 4.3信号发生器电路的测试 ①波形如下 T=1.4*10-5S ②结论: 达到设计要求。 4.4A/D转换电路及数字显示电路的调试 理想实测误差 V IN o 显 示 V IN o 显示 (℃) out out (mv) (mv)(℃) (mv) (mv)(℃) 250 500 25 246 492 24 1 200 400 20 200 400 20 0 225 450 23 220 440 22 1 结论: 达到设计要求。 4.5超限比较报警电路的调试 给LM35加温或降温(相当于改变VT),这时数码显示的数值在变化。 再给VG设定报价电压,是发光二级管点亮,该电路就可以工 作了。 设定值实际值是否报警 24 25 是 25 25 是 26 25 否 结论: 符合设计的要求。 第五章 设计小结 5.1设计任务完成情况 整个实验全部完成,基本达到了要求。 能够正常的测量温度,当给振荡器加热时,译码器的上的数字会正常的增加。 5.2问题与改进 首先出现的问题是: 芯片有可能是坏的,在烧28C64时,一定要确认是否烧制成功。 在连接555定时器时,确定电阻电容的大小,不能连接错误,尤其是管脚号2和6,它们是短路的。 在调测方波时,细心点就好了! 在放置LM35振荡器时,不 要接错正负极了,以免吧器件烧坏了! 还有就是线路的检查,一定要细心。 有时候一个线路就有可能导致实验的失败! 接在译码器上的电阻要小一点,否则译码器显示的数字不稳定。 译码器显示不稳定,需要在芯片的两端加一个电容就好了! 5.3心得体会 课程设计实习已经结束了,但心中的兴奋却依然存在,此时此刻心还沉浸在实习的气氛当中。 本以为实习会是枯燥无味的,但说实话,没想到实习这么快就结束了,还真有点意犹未尽的感觉。 通过这几天的亲身体会,虽说只是短短的几天的时间,但自己真的发现原来实习是那么的有趣。 并且也使自己认识到了理论学习与实践相结合的重要性。 在实习中,让我体会最深的就是: 做事情的认真态度。 实习让我明白,作任何事都要仔细认真,也许一个小 小的疏忽都将导致整个工作前功尽弃。 相反,认真可以发现“柳暗花明又一村”的效果。 遇到实际问题时,只要认真思考,用所学的知识,再一步步探索,是完全可以解决遇到的一般问题的。 就拿接线这个环节说吧,面对那错综发杂的线路,还有那针眼板的插孔,对初学者来说一不小心就会出错,但只要认真细心的对照原 理图和每个芯片的管脚号,就可以完美的把电路图接好,同时认真的观察设计可以在保证质量的同时提高自己的效率。 这几天的学习让我重新认识了自己,并且对自己身上的不 足之处有了更深的了解。 通过实际动手操作,才发现理论和现实事物 之间的差距,才明白不是只要学好课本上的知识就能胜任将来的工 作。 通过本次实习使我们对28C64元件一定的感性和
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