温度采集器的课程设计Word文件下载.docx
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LED与LCD的功耗比大约为1:
10,而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现,可提供宽达160°
的视角,故采用方案一。
2.2.2数码管驱动
选用CD4511译码驱动芯片。
CD4511能够提供较大的上拉电流,可直接驱动数码管
利用单片机本身的上拉电阻,虽然外围电路简单,但灌电流和数码管驱动电流不可兼得,即流过数码管电流满足要求,则灌电流会超出单片机的承受极限;
灌电流在单片机允许范围内,则流过数码管电流过小。
故该方案驱动能力较弱。
为使数码管足够亮,选方案一。
2.3AD转换器的选择
DC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
ADC0808/ADC0809是单片、CMOS、逐次比较,a位模/数变换器。
片内包含s位模/数变换器、通道多路转换器与微制器兼容的控制逻辑。
8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中的仟何一个。
由于ADC0808/ADC0809设计时考虑到若干种模/数变换技术的长处,所以该芯片非常适用于过程控制、微控制器输人通道的接口电路、智能仪器和机床控制等领域。
ADC0804是属于连续渐进式(Successive
Approximation
Method)的A/D转换器,这类型的A/D转换器除了转换速度快(几十至几百us)、分辨率高外,还有价钱便宜的优点,普遍被应用于微电脑的接口设计上。
ADC0804与ADC0809都是8位A/D转换器.多数功能都一样.只不过ADC0804是单路的.ADC0809是8通道多路开关8位A/D转换器.根据不本次试验,选择方案二。
2.4放大器的选择
TL082是一通用的J-FET双运算放大器。
其特点是:
a.较低的办入偏置电压和偏置电流;
b.输出设有短路保护电路;
c.输入级具有较高的输入阻抗;
d.内建频率补偿电路;
e.较高的压摆率:
16V/us(典型值);
f.最大工作电压:
Vccmax=+/-18V.
故选择TL082为放大运算。
3.单元电路设计、参数计算和器件选择
3.1单元电路设计及参数计算
3.1.1LM35温度传感器电路
正负双电源的供电模式可提供负温度的量测;
由于本温度测量系统不需要测量负温度,故采用单电源模式,由于LM35的工作电流小于133uA,故需要在电源与LM35之间接入电阻,电阻阻值R=5/133×
10uA约为43K。
故LM35电路图如下所示
图3-1LM35电路图
3.1.2TL082放大电路
图3-2TL082电路图
3.1.3NE555
图3-3N5555电路图
多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器,它没有稳定的输出状态,只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后,经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
接通电源后,假定是高电平,则T截止,电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地,按指数规律上升,当上升到时(TH、端电平大于),输出翻转为低电平。
是低电平,T导通,C放电,放电回路为C—R2—T—地,按指数规律下降,当下降到时(TH、端电平小于),输出翻转为高电平,放电管T截止,电容再次充电,如此周而复始,产生振荡,经分析可得
输出高电平时间T=(R1+R2)Cln2
输出低电平时间T=R2Cln
振荡周期T=(R1+2R2)Cln
输出方波的占空比
3.1.4AD转换电路
图3-3ADC0804电路图
3.1.5ROM电路
图3-5ROM电路图
3.1.6译码显示电路
图3-5译码显示电路图
电路设计中数码管采用共阴极数码管,在数码管与CD4511之间加入电阻保护数码管,以防数码管被烧坏,并且确保数码管的亮度最佳。
因为是共阴极数码管,所以公共端接地。
3.2器件选择
3.2.1温度传感器的选择
LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。
由于它采用内部补偿,所以输出可以从0℃开始。
LM35有多种不同封装型式。
在常温下,LM35不需要额外的校准处理即可达到±
1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种,其引脚如图一所示,正负双电源的供电模式可提供负温度的量测;
工作电压4~30V,在上述电压范围以内,芯片从电源吸收的电流几乎是不变的(约50μA),所以芯片自身几乎没有散热的问题。
这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合,比如在电池供电的场合中,输出可以由第三个引脚取出,根本无需校准。
目前,已有两种型号的LM35可以提供使用。
LM35DZ输出为0℃~100℃,而LM35CZ输出可覆盖-40℃~110℃,且精度更高,两种芯片的精度都比LM35高,不过价格也稍高。
图3-1LM35封装
规格参数
1、工作电压:
直流4~30V;
2、工作电流:
小于133μA
3、输出电压:
+6V~-1.0V
4、输出阻抗:
1mA负载时0.1Ω;
5、精度:
0.5℃精度(在+25℃时);
6、漏泄电流:
小于60μA;
7、比例因数:
线性+10.0mV/℃;
8、非线性值:
±
1/4℃;
9、校准方式:
直接用摄氏温度校准;
10、额定使用温度范围:
-55~+150℃。
11、引脚说明:
①电源负GND;
②电源正VCC;
③信号输出S;
传感器参数
供电电压35V到-0.2V
输出电压6V至-1.0V
输出电流10mA
指定工作温度范围
LM35A-55℃to+150℃
LM35C,LM35CA-40℃to+110℃
LM35D0℃to+100℃
表3-1LM35电气特性表45555特别y表
Parameter参数
Conditions
条件
LM35A
LM35CA
Units(Max.)
单位
Typical典型
TestedLimit测试极限(注4)
DesignLimit设计极限(注5)
Typical典型
TestedLimit测试极限(注4)
Accuracy精度(注7)
TA=+25℃
0.2
0.5
-
℃
TA=−10℃
0.3
1.0
TA=TMAX
0.4
TA=TMIN
1.5
Nonlinearity非线性(注8)
TMIN≤TA≤TMAX
0.18
0.35
0.15
SensorGain传感器增益(AverageSlope)平均斜率
+10.0
+9.9,
+9.9
mV/℃
+10.1
LoadRegulation负载调节(注3)0≤IL≤1mA
mV/mA
3.0
LineRegulation线路调整(注3)
0.01
0.05
mV/V
4V≤VS≤30V
0.02
0.1
QuiescentCurrent静态电流(注9)
VS=+5V,+25℃
56
67
μA
VS=+5V
105
131
91
114
VS=+30V,+25℃
56.2
68
VS=+30V
105.5
133
91.5
116
ChangeofQuiescentCurrent变化静态电流(注3)
4V≤VS≤30V,+25℃
2.0
TemperatureCoefficienofQuiescentCurrent静态电流/温度系数
+0.39
+0.5
μA/℃
MinimumTemperatureforRatedAccuracy最低温度额定精度
IncircuitofFigure1,IL=0
+1.5
+2.0
LongTermStability长期稳定性
TJ=TMAX,for1000hours
0.08
该系统说采用的温度传感器是用NationalSemiconductor所生产的LM35,其输出电压与摄氏温标呈线性关系,转换公式如式
(1)。
0℃时输出为0V,每升高1℃,输出电压增加10mV。
在常温下,LM35不需要额外的校准处理即可达到±
1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源2种,其接脚如图2,图3所示,正负双电源的供电模式可提供负温度的量测,单电源模式在25℃下静止电流约50μA,工作电压较宽,可在4~20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
可以提供±
1/4℃的室温常用精度。
Vout_LM35(T)=10×
T
(1)
接下来实际对LM35进行测试,测试使用单电源模式,并且将输出已非反相放大器放大10倍,以10Hz的频率记录放大后的电压值,得到如图4的温度时间图。
3.2.2AD转换的选择
1、A/D转换概念:
即模数转换(AnalogtoDigitalConversion),输入模拟量(比如电压信号),输出一个与模拟量相对应的数字量(常为二进制形式)。
例如参考电压VREF为5V,采用8位的模数转换器时,当输入电压为0V时,输出的数字量为00000000,当输入的电压为5V时,输出的数字量为11111111。
当输入的电压从从0V到5V变化时,输出的数字量从00000000到11111111变化。
这样每个输入电压值对应一个输出数字量,即实现了模数转换。
2、分辨率概念:
分辨率是指使输出数字量变化1时的输入模拟量,也就是使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟量的变化值。
分辨率与A/D转换器的位数有确定的关系,可以表示成FS/2n。
FS表示满量程输入值,n为A/D转换器的位数。
例如,对于5V的满量程,采用4位的ADC时,分辨率为5V/16=0.3125V(也就是说当输入的电压值每增加0.3125V,输出的数字量增加1);
采用8位的ADC时,分辨率为5V/256=19.5mV(也就是说当输入的电压值每增加19.5mV,则输出的数字量增加1);
当采用12位的ADC时,分辨率则为5V/4096=1.22mV(也就是说当输入的电压值每增加1.22mV,则输出的数字量增加1)。
显然,位数越多,分辨率就越高。
ADC0804主要技术指标如下:
(1)高阻抗状态输出
(2)分辨率:
8位(0~255)
(3)存取时间:
135ms
(4)转换时间:
100ms
(5)总误差:
-1~+1LSB
(6)工作温度:
ADC0804C为0度~70度;
ADC0804L为-40度~85度
(7)模拟输入电压范围:
0V~5V
(8)参考电压:
2.5V
(9)工作电压:
5V
(10)输出为三态结构
图3-7
3、
ADC0804引脚功能:
图3-8ADC0804引脚图
CS:
芯片片选信号,低电平有效。
即=0时,该芯片才能正常工作,高电平时芯片不工作。
在外接多个ADC0804芯片时,该信号可以作为选择地址使用,通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片,从而可以实现多个ADC通道的分时复用。
WR:
启动ADC0804进行ADC采样,该信号低电平有效,即信号由低电平变成高电平时,触发一次ADC转换。
RD:
低电平有效,即=0时,DAC0804把转换完成的数据加载到DB口,可以通过数据端口DB0~DB7读出本次的采样结果。
VIN(+)和VIN(-):
模拟电压输入端,单边输入时模拟电压输入接VIN(+)端,VIN(-)
端接地。
双边输入时VIN(+)、VIN(-)分别接模拟电压信号的正端和负端。
当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时,可在VIN(-)接一等值的零点补偿电压,变换时将自动从VIN(+)中减去这一电压。
VREF/2:
参考电压接入引脚,该引脚可外接电压也可悬空,若外接电压,则ADC的参考电压为该外界电压的两倍,如不外接,则VREF与Vcc共用电源电压,此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。
CLKIN和CLKR:
外接RC振荡电路产生模数转换器所需的时钟信号,时钟频率CLK=1/1.1RC,一般要求频率范围100KHz~1460KHz。
AGND和DGND:
分别接模拟地和数字地。
INTR:
转换结束输出信号,低电平有效,当一次A/D转换完成后,将引起=0,实际应用时,该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连(如51单片机的,脚),当产生信号有效时,还需等待=0才能正确读出A/D转换结果,若ADC0804单独使用,则可以将引脚悬空。
DB0~DB7:
输出A/D转换后的8位二进制结果。
补充说明:
ADC0804片内有时钟电路,只要在外部“CLKIN(引脚4)”和“CLKR(引脚19)”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟,其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为:
R=10KΩ,C=150PF,fCLK≈640KHz,转换速度为100μs。
若采用外部时钟,则外部fCLK可从CLKIN端送入,此时不接R、C。
允许的时钟频率范围为100KHz~1460KHz。
4、ADC0804工作过程
图3-9ADC0804的工作时序图(TimingDiagrams)
由图可见,实现一次ADC转换主要包含下面三个过程:
1.启动转换:
由图6中的上部“FIGURE10A”可知,在信号为低电平的情况下,将引脚先由高电平变成低电平,经过至少tW(WR)I延时后,再将引脚拉成高电平,即启动了一次AD转换。
注:
ADC0804使用手册中给出了要正常启动AD转换的低电平保持时间tW(WR)I的最小值为100ns,即拉低后延时大于100ns即可以,具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay()延时函数实现,不用太精确,只要估计插入的延时大于100ns即可。
2.延时等待转换结束:
依然由图6中的上部“FIGURE10A”可知,由拉低信号启动AD采样后,经过1到8个Tclk+INTERNALTc延时后,AD转换结束,因此,启动转换后必须加入一个延时以等待AD采样结束。
注:
手册中给出了内部转换时间“INTERNALTc”的时间范围为62~73个始终周期,因此延时等待时间应该至少为8+73=81个时钟周期。
比如,若R为150K,C为150pF,则时钟频率为Fclk=1/1.1RC=606KHz,此时钟周期约为Tclk=1/Fclk=1.65us。
所以该步骤
至少应延时81*Tclk=133.65us.具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay()延时函数
实现,不用太精确,只要估计插入的延时大于133.65us即可。
3.读取转换结果:
由图3-8的下部“FIGURE10B”可知,采样转换完毕后,在信号为低的前提下,将脚由高电平拉成低电平后,经过tACC的延时即可从DB脚读出有效的采样结果。
手册中给出了tACC的典型值和最大值分别为135ns和200ns,因此将引脚拉低后,等待大于200ns后即可从DB读出有效的转换结果。
具体做法可通过插入NOP指令或者调用delay()延时函数实现,不用太精确,只要估计插入的延时大于200ns即可。
对采样值进行运算变换,换算出实际的滑动变阻器输入电压值。
对于任何一个A/D采样器而言,其转换公式如上:
:
输入ADC的模拟电压值。
:
ADC转换后的二进制值。
本试验的ADC0804为八位。
ADC能够表示的刻度总数。
ADC0804为八位ADC,因此
ADC参考电压值,本试验ADC0804的
被设置为5V
因此,对于本试验,转换公式为:
3.2.3程序存储器ROM的选择
2KB的EEPROM,存储器,主要用于存储程序和表格数据。
图3-10AT28C16引脚图
IntelAT28C16的容量为2KB,是24引脚双列直插式芯片,最大读出时间为250ns,单一+5V电源供电,其引脚信号如图3-11所示。
A11~A0(addressinputs):
地址线,可寻址4KB的存储空间,输入,与系统地址总线相连。
D7~D0(databus):
数据线,8位,双向,编程时做数据输入线,读出时做数据输出线,与系统数据总线相连。
/VPP(outputenable/programmingvoltage):
当该引脚是低电平时,为读出允许信输入,与统读信号
相连;
当该引脚是高电平时,为编程电压输入端,+12.5V。
(chipenable):
片选信号,输入,低电平有效,与地址译码器输出相连。
VCC:
+5V电源。
GND:
信号地。
AT28C16的操作方式:
有读出、待用、编程、编程禁止、输出禁止和Intel标识符六种操作方式
①读出:
将芯片内指定单元的内容输出。
此时
和
为低电平,VCC接+5V,数据线处于输出状态。
②待用:
为高电平,数据线呈现高阻状态,2732A处于待用状态,且不受
的影响。
在待用方式下,工作电流从125mA降到35mA。
③编程:
将信息写入芯片内。
此时,/VPP接+21V的编程电压,
输入宽度为50ms的低电平编程脉冲信号,将数据线上的数据写入指定的存储单元。
编程之后应检查编程的正确性,当
/VPP和
都为低电平时,可对编程进行检查。
④编程禁止:
当
/VPP引脚接+21V电压,
为高电平时,处于不能进行编程方式,数据输出为高阻状态。
⑤Intel标识符:
当A9引脚为高电平,
引脚为低电平时,处于Intel标识符方式,可从数据线上读出制造厂和器件类型的编码
3.2.4数码管的选择
CD4511是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码—七段码译码器,特点:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器,引脚排列如图2所示。
其中abcd为BCD码输入,a为最低位。
LT为灯测试端,加高电平时,显示器正常显示,加低电平时,显示器一直显示数码“8”,各笔段都被点亮,以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端,低电平时使所有笔段均消隐,正常显示时,B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点,当输入数据越过十进制数9(1001)时,显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端,高电平时锁存,低电平时传输数据。
a~g是7段输出,可驱动共阴LED数码管。
另外,CD4511显示数“6”时,a段消隐;
显示数“9”时,d段消隐,所以显示6、9这两个数时,字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路,若要多位计数,只需将计数器级联,每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。
所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的,在应用中应接地。
限流电阻要根据电源电压来选取,电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
用CD4511实现LED与单片机的并行接口方法如下图:
图3-11
图3-12CD4511引脚图
BI:
4脚是消隐输入控制端,当BI=0时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT:
3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何,七段均发亮,显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。
L
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