数字温度计设计Word格式文档下载.docx

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6参考文献11

1设计任务与要求

温度计是工农业消费及科学研究中最常用的测量仪表。

本课题要求用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，即用数字显示被测温度。

详细要求如下：

〔1〕测量范围0～100度。

〔2〕测量精度度。

〔3〕3位LED数码管显示。

掌握线性系统的根轨迹、时域和频域分析与计算方法；

〔2〕掌握线性系统的超前、滞后、滞后-超前、一二阶最正确参数、PID等校正方法；

〔3〕掌握MATLAB线性系统性能分析、校正设计与检验的根本方法。

2方案设计与论证

数字温度计的原理是：

通过控制传感器进展温度采集，将温度的变化转化为电压的变化；

然后设计电压电路，将变化的电压通过放大系统转化为需要的电压；

再通过A/D转换器将模拟的电压转换为数字量后驱动数码管对实时温度进展动态显示。

原理框图如图2-1所示：

图2-1数字温度计原理框图

由设计任务与要求可知道，本设计实验主要分为四个局部，即传感器、放大系统、模数转换器以及显示局部。

经过分析，传感器可以选择对温度比拟敏感的器件，做好是在某参数与温度成线性关系，比方用温敏晶体管构成的集成温度传感器或热敏电阻等；

放大系统可以由集成运放组成或反相比例运算放大器；

A/D转换器需要选择有LED驱动显示功能的，而可供选择的参考元件有ICL7107，ICL7106，MC14433等；

显示局部用3位LED数码管显示。

方案一：

用一个热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM324运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入MC14433〔A/D转换器）进展数模转换和数字显示。

方案二：

用集成温度传感器把温度转化为电压，在把每一度的电压变化值通过LM324集成运放进展放大，使其放大的信号应能满足ICL7107数模转换的要求进展数字显示。

由于MC14433模数转换器的显示局部需要驱动器CD4511，基准电压又需要一个MC1403，也就是需要外接的电路和元件相对复杂和费事。

而31/2位双积分型A/D转换器ICL7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路局部和数字电路局部，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路局部，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换和数码显示。

因此选用方案二。

设计初稿中的元器件大多是通过参考书和网上的资料定下来的，Multisim是最常用的仿真软件。

首次选用Multisim进展仿真，可是在Multisim里始终找不到需要的仿真模型，最后选用Proteus进展仿真。

到了Proteus仿真软件里，很多元器件还是没有仿真模型，只能折中选用仿真模型里有的。

比方放大电路由LM324取代了LM741,A/D转换器由TC7107取代了ICL7107等等。

主要参考元器件有：

LM35，LM324，TC7107，电阻及电容假设干。

3单元电路的设计及仿真 

集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器，这种传感器最大优点是：

直接给出正比于热力学温度的理想的线性输出，另外体积小，本钱低廉。

因此，它是现代半导件温度传感器的主要开展方向之一。

目前，已广泛应用于-55～150℃温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。

由于本设计要求，测温范围为0～100℃，故此集成温度传感器满足要求。

放大系统是把温度传感器输出的弱信号放大，将每一摄氏度对应的电压以整数输出，可以利用集成运放LM324组成两个反相比例放大电路，由于温度传感器输出的电压与温度的线性关系为10mv/℃，即温度每升高1℃电压升高10mv,因此可以使得电压通过反相比例运算电路放大10倍，即1℃对应电压为100mv。

〔1〕反相运算器电路构造：

图3-1反相运算放大器的电路构造图

如图3-1所示，该图为反相运算放大器的电路构造图。

图中的

R1：

输入电阻

Rf：

反应电阻，引入电压并联负反应

R2：

平衡电阻，要求R2=R1//Rf

〔2〕电压放大倍数：

V0和Vi成比例关系，比例系数为-Rf/Ri，负号表示V0和Vi反相比例系数的数值可以是大于、等于或小于1的任何值。

通用型低功耗集成四运放LM324，内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用（3～30v），也可接双电源使用（±

1.5～±

15v），驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。

应选用LM324进展放大系统。

参数计算：

U3：

A〔反相比例运算放大器〕用电压放大倍数选择输入电阻和反应电阻，选用输入电阻R4=1k，故反应电阻R3。

平衡电阻R6=R4//R3。

放大后的电压为负电压，所以还需要级联一个U3：

B〔同比例反相器〕，选用输入电阻R8=10k，反应电阻R9=10k，平衡电阻R7=R8//R9=5k，使它由负电压变为正电压。

放大系统电路，如下列图所示：

图3-2两个反相器构成的放大系统

如图3-2所示，给放大电路一个初始电压，例：

V1=0.36v时，经一个10倍的反相运算放大器放大后，电压为-3.59v，经一个同比例反相运算放大器后，电压为+3.59v。

仿真与理论存在微小误差（在可允许范围类）,故放大系统局部设计成功。

3.3A/D转换器及数字显示

TC7107是一块应用非常广泛的集成电路，它包含31/2位数字A/D转换器可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。

31/2位双积分型A/D转换器TC7107的引脚图和管教图以及功能简介31/2位双积分型A/D转换器TC7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路局部和数字电路局部，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路局部，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。

TC7107内部电路含有模拟电路和数字电路两大局部。

TC7107的管脚图，如下所示：

图3-3TC7107

如图3-3所示，介绍TC7107各管脚的功能：

1端：

V+ 

为电源正极。

26端：

V- 

为电源负极。

19端：

AB4，千位数笔段驱动输出端，由于31/2位的计数满量程显示为“1999〞，

所以AB4输出端应接千位数显示器显示“1〞字的b和c笔段。

20端：

POL，极性显示端〔负显示〕，与千位数显示器的g笔段相连接〔或另行设置的负极性笔段〕。

当输入信号的电压极性为负时，负号显示，如“〞；

当输入信号的电压极性为正时，极性负号不显示如“〞。

21端：

POL，液晶显示器背电极，与正负电源的公共地端相连接。

27端：

VINT，积分器输出端，外接积分电容C〔一般取C=μF〕。

28端：

VBUFF，缓冲放大器输出端，外接积分电阻R〔其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度那么使用470K〕。

29端：

CAZ，积分器和比拟器的反相输入端，接自校零电容C〔假如应用在200mV满刻度的场合是使用，而2V满刻度是。

〕。

30、31端：

VIN-、VIN+，输入电压低、高端。

由于两端与高阻抗CMOS运算放大器相连接，可以忽略输入信号的注入电流，输入信号应经过1000k电阻组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。

2~8端：

个位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与个位数显示器对应的笔段a~g相连接。

9~14、25端：

十位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与十位数显示器对应的笔段a~g相连接。

15~18、22~24端：

百位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与百位数显示器对应的笔段a~g相连接。

32端：

ACOM，模拟公共电压设置端，一般与输入信号的负端，负基准电压端相接。

33、34端：

CREF-、CREF+，基准电容负压、正压端，它被充电的电压在反相积分时，成为基准电压，通常取μF。

35、36端：

VREF-、VREF+，外接基准电压低、高位端，由电源电压分压得到。

37端：

TEST，数字地设置端及测试端，经过芯片内部的500电阻与GND相连。

38、39、40端：

OSC3~1，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接阻容元件。

振荡器主振频率f与R、C的关系。

因为芯片TC7107采用双电源供电，能输出较大的电流，合适于驱动发光二极管〔LED〕数码显示器，并且TC7107芯片内部包括7段译码，可以用硬件译码的方法直接驱动发光二极管〔LED〕数码显示器，所以显示方式采用共阳极数码管LED显示，由于TC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳级数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。

数码显示局部由3个数码管显示数据。

4总电路设计及其仿真调试过程

根据设计任务知，本系统由传感器、放大系统、A/D转换器和数码显示四局部组成，按照要求将四局部在Proteus仿真软件上级连起来绘出总的电路原理图。

总电路原理图，如下列图4-1所示：

图4-1总电路原理图

特别注意：

1）Proteus里的7107有点问题，30、32这两个引脚不能与电源共地。

意思是说电压输入电路自己构成回路即可。

不可添加电源地的符号。

〔注意理解‘地’的含义〕

2）参考电压局部通过滑动变阻器调制到10v。

3）电源局部注意标号，例如：

+15和+15v〔v不区分大小写〕不同，应为后者。

改变温度传感器的温度；

观察输出变化的温度信号电压〔即放大电路输出电压〕；

检查控制是否符合要求；

LED显示是否正确。

任选三个温度值〔例：

0℃、36℃、100℃〕对总电路进展调试分析。

1.温度计为0℃，如下列图所示：

图4-2温度计为0℃时

如图4-2所示，当温度传感器温度为0℃时，放大输出电压为0v，数码显示局部为0℃，故该数字温度计电路设计成功。

2.温度计为36℃，如下列图所示：

图4-3温度为36℃时

如图4-3所示，当温度传感器温度为36℃℃，仿真与理论存在微小误差（在可允许范围类），故该数字温度计电路设计成功。

3.温度计为100℃，如下列图所示：

图4-4温度为100℃时

如图4-4所示，当温度传感器温度为100℃时，放大输出电压为10v，数码显示局部为℃，仿真与理论存在微小误差（在可允许范围类），故该数字温度计电路设计成功。

5结论与心得

温度计广泛应用于实际消费和人们的生活中。

然后通过控制LM35进展温度采集，将温度的变化转为电压的变化；

其次设计电压电路，将变化的电压量通过放大系统转化为所需要的电压，调试时，发现放大电路的放大倍数不正确，为0.05倍，经检查电路发现，反应电阻和平衡电阻阻值不正确，由图3-1运算放大器的电路构造、电压放大系数和平衡电阻的要求修改其阻值，得出放大倍数正确为10倍〔有微小误差〕；

再通过TC7107将模拟的电压转化为数字量后直接驱动数码管LED对实时温度进展动态显示；

最后通过对各个可以仿真的电路图在Proteus软件上进展必要的仿真和调试，对一些电阻和电容的参数进展适当的修改，在Proteus仿真软件中构建了数字温度计仿真电路图，仿真结果说明：

在温度