重要数字温度计设计和报告Word格式.docx
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由于研制项目中铂电阻这个关键字的限制,使得在测温方面没有什么更多的选择,所以方案主要围绕处理及显示展开。
下面是具体的方案:
方案一
利用铂热电阻的感温效应,将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,选用AT89C51型单片机作为主控制器件进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,通过4位共阳极LED数码管并口传送数据,实现温度显示。
此外在外加的报警电路方面控制也比较方便。
图1方案一设计框图
方案二
利用铂电阻探测温度,进行A/D转换,采用Motorola公司生产的A/D转换器MC14433为核心,其集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少,输入阻抗高,功耗低,电源电压范围宽,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器,装换后的信号直接采用译码器送给LED显示,省去中间的很多麻烦,可直接得到结果。
同样采用并行输出,而4只共阴极LED由反相驱动器驱动。
图2方案二设计框图
温度是过程检测与控制中的重要参量,对温度测量和控制的技术也是比较成熟的了,以上两个方案都是在现实生活中应用比较广泛的,可行性是毋庸置疑的了。
但比较起来各有长短,前者在控制方面比较优势,硬件实现方面较方案二要简单一些,程序的编写也不复杂。
后者属于直接型的,从探测到转换再到译码显示都做到了最简洁,如果从经济方面来看也属实惠型了,但是在实现功能方面是完全可以的,所以我选择的是第二方案,简洁、实惠、能完全实现功能是考虑的主要方面。
四、具体电路设计
1、总体设计框图
铂电阻数显温度计的总体设计框图如图3所示,分别由MC14433进行A/D转换,温度传感器用铂电阻,4511进行译码,用4位LED数码管实现温度显示。
图3、总体设计框图
2、温度传感器
如图所示的电路中,电阻R1-R3二极管,三极管,铂电阻构成温度传感器电路。
其中,铂电阻作为测温探头,R1-R3、VD3、V1构成恒流源电路,给测温探头提供恒定的正向电流。
常用的铂电阻有两种,一种是是PT100型,一种是PT1000,PT100表示在0℃时电阻位100欧,PT100的灵敏度可表示为
欧姆/℃
Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器,主要技术参数如下:
测量范围:
-200℃~+850℃;
允许偏差值△℃:
A级±
(0.15+0.002│t│),B级±
(0.30+0.005│t│);
最小置入深度:
热电阻的最小置入深度≥200mm;
允通电流≤5mA。
另外,Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
铂热电阻的线性较好,在0~100摄氏度之间变化时,最大非线性偏差小于0.5摄氏度。
3、A/D转换电路
测量探头把待测温度转换为相应的电压后,因为要实现温度的数字显示,就必须有模数转换。
在本电路中,是以Motorola公司生产的A/D转换器MC14433为核心。
MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器,其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少,输入阻抗高,功耗低,电源电压范围宽,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器,其主要功能特性如下:
精度:
读数的±
0.05%±
1字
⏹模拟电压输入量程:
1.999V和199.9mV两档
⏹转换速率:
2-25次/s
⏹输入阻抗:
大于1000MΩ
⏹电源电压:
±
4.8V—±
8V
⏹功耗:
8mW(±
5V电源电压时,典型值)
采用字位动态扫描BCD码输出方式,即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出,同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲,很方便实现LED的动态显示。
MC14433的引脚说明:
[1].
Pin1(VAG)—模拟地,为高科技阻输入端,被测电压和基准电压的接入地。
[2].
Pin2(VR)—基准电压,此引脚为外接基准电压的输入端。
MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。
此外,VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR),就能够复为至转换周期的起始点。
[3].
Pin3(Vx)—被测电压的输入端,MC14433属于双积分型A/D转换器,因而被测电压与基准电压有以下关系:
因此,满量程的Vx=VR。
当满量程选为1.999V,VR可取2.000V,而当满量程为199.9mV时,VR取200.0mV,在实际的应用电路中,根据需要,VR值可在200mV—2.000V之间选取。
[4].
Pin4-Pin6(R1/C1,C1)—外接积分元件端。
次三个引脚外接积分电阻和电容,积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容,如果需每秒转换4次,时钟频率选为66kHz,在2.000V满量程时,电阻R1约为470kΩ,而满量程为200mV时,R1取27kΩ。
[5].
Pin7、Pin8(C01、C02)—外接失调补偿电容端,电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容
[6].
Pin9(DU)—更新显示控制端,此引脚用来控制转换结果的输出。
如果在积分器反向积分周期之前,DU端输入一个正跳变脉冲,该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器,经多路开关选择后输出。
否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。
这个作用可用于保存测量数据,若不需要保存数据而是直接输出测量数据,将DU端与EOC引脚直接短接即可。
[7].
Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)—时钟外接元件端,MC14433内置了时钟振荡电路,对时钟频率要求不高的场合,可选择一个电阻即可设定时钟频率,时钟频率为66kHz时,外接电阻取300kΩ即可。
若需要较高的时钟频率稳定度,则需采用外接石英晶体或LC电路,参考附图。
[8].
Pin12(VEE—负电源端。
VEE是整个电路的电压最低点,此引脚的电流约为0.8mA,驱动电流并不流经此引脚,故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。
[8].
Pin13(Vss)—数字电路的负电源引脚。
Vss工作电压范围为VDD-5V≥Vss≥VEE。
除CLK0外,所有输出端均以Vss为低电平基准。
[9].
Pin14(EOC)—转换周期结束标志位。
每个转换周期结束时,EOC将输出一个正脉冲信号。
[10].
Pin15(
)—过量程标志位,当|Vx|>
VREF时,
输出为低电平。
[11].
Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)—多路选通脉冲输出端。
DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。
当某一位DS信号有效(高电平)时,所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出,两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期,以保证数据有充分的稳定时间。
[12].
Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)—BCD码数据输出端。
该A/D转换器以BCD码的方式输出,通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。
同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息,这些信息所代表的意义见下表。
[13].
Pin24(VDD)—正电源电压端。
MC14433输出8421BCD代码,经译码后实际LED动态扫描显示。
MC14433的第2脚为外接基准电压Vref输入端;
第3脚为被测电压Vin输入端;
第1脚为模拟地,此端为高阻输入端,是被测电压和基准电压的地;
第15脚为过量程输出标志端OR,平时OR为高电平,当|Vin|>
Vref即超过量程时,OR为低电平。
被测电压Vin与其准电压Vin与基准电压Vref成下列比例关系(当小数点定位于4个LED数码管的十位数时):
输出读数=Vin/Vref×
199.9
因为MC14433以扫描方式输出数据,所以只需要用一个译码器就能驱动4只共阴极LED数码管。
4、显示电路
显示采用4只共阴极LED数码管,其中千位数的数码管只接“b、c”两段。
4个LED数码管的公共阴级分别由MC1413中的4个达林顿复合晶体管驱动。
MC4511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,特点如下:
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。
MC1413是反相驱动器,他的功能是用各种电路的后级驱动设备,对前级电路的影响很小,mc1413引脚图等相关资料如下
五、总体电路设计及原理
测温显示原理:
温度的采集采用铂电阻温度传感器,因为要实现温度的数字显示,就必须有A/D转换。
采集到的信号由A/D转换器(Pin3(Vx)—被测电压的输入端)输入,转换后的BCD码由A/D转换器(Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)—BCD码数据输出端)分别送到译码器的4个输入端,译码器的译码后送入LED数码管的各个字形口。
字位由A/D转换器
Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)—多路选通脉冲输出端送到反相驱动器MC1413,再由MC1413中的4个达林顿复合晶体管驱动。
负号由千位数的LED数码管“g段”来显示,显示负号的“g段”由MC14433的Q2控制,当输入负电压时(对应温度为0℃以下),Q2=“0”,显示负号的“g段”通过R15欧电阻点亮;
当输入正电压时(对应温度为0℃以上),Q2=“1”使MC1413的另一个达林顿复合晶体管把流过R15的电流旁路到地,使显示负号的“g段”熄灭。
铂电阻数字温度计电路图
小数点固定在十位数的LED数码管,通过R16给小数点“dp”提供电流,使小数点“dp”点亮。
电源才用三端稳压IC7809,最后的显示结果将是+-00.0,同时可以通过电位器调试以获得更精确的测量。
表一:
元器件清单
名称
规格
数量
二极管
IN4007
1
三极管
9013
电位器
10K
2
电阻
3K
510K
4.7K
1K
9
铂热电阻
PT100
20K
3
电容
0.1u
470uf
2200uf
三端稳压
7809
A/D转换器
MC14433B
译码器
MC4511
驱动
MC1413
LED数码管
4
六、电路检测及调试方法
在制作主板前,先制作小模块电路,在单元电路全部实现功能符合要求在合并制作总的电路板,这样在出错的情况下可以分别查验单元电路,减小调试的范围及难度。
调试前先准好0℃冰水各100℃的沸水。
调试方法如下:
1将调沸点的电位器调最上端,使Vref为最高电压,把二极管测温探头置于0℃的冰水中,调节调沸冰点电位器,使四只LED数码管显示的读数为“00.0”
2将二极管测温探头置于100℃的沸水中,调节调点电位器,使得四只LED数码管显示的读数为“100.0”,且MC14433的第15脚的0R为高电平。
七、使用方法简介
铂电阻有很长的导线,可做延伸很长测量,测量时只需将铂电阻置于要测量的位置,即可从LED数码管上读出具体的温度值。
八、心得体会
在本次设计的过程中,我发现很多的问题,虽然以前还做过类似的设计但这次设计真的让我学到了很多东西,因为是第一次自己去想去做这么一个东西,跟以前的那些照着电路焊焊电路板大不同了。
老师只给我们一个题目,剩下的要自己去发挥,所以刚开始还是头绪乱的很,最后查了两天的资料才有了些眉目,图书馆的书都被借了差不多了,害我去清华书屋抄小抄,做这样的实训比上课有意思我觉得。
设计中遇到了很多问题,有些知识生疏了,有的根本就没学过,这可惨了最后只有埋着头翻书,这次用的那些芯片就一是一个一个翻书找资料的,做完了来想想还不错,学到了。
而且这也很好的巩固了以前学的知识,刚开始那几天都是背一堆书惨啊,模电,数电,单片机,电子设计方面的指导书什么的。
还有在这么多的书中,资料中找到自己想要的也还是比较重要呢。
虽然学的不是很好,但是我还是努力的坚持去做这些,自己去做感觉效果比较好,有好多的东西,只有我们去试着做了,才能真正的掌握,只学习理论有些东西是很难理解的,更谈不上掌握。
从这次的课程设计中,我真真正正的意识到,在以后的学习中,要理论联系实际,把我们所学的理论知识用到实际当中,电子设计更是如此,只有在经常的实践的过程中才能提高,这就是我在这次课程设计中的最大收获。
九、参考文献
1)胡建主编《单片机原理及接口技术》(第一版)机械工业出版社2005年8月第一版
2清华大学电子系也教研组编华成英童诗白主编《模拟电子技术基础》(第四版)高等教育出版社2006年5月第四版
3)王松武等编著《电子创新设计与实践》国防工业出版社2005年1月第一版
4)清华大学电子系也教研组编余孟尝主编《数字电子技术基础》(第三版)高等教育出版社2006年7月第三版
目录
1.设计题目……………………………………………………………………1
2.功能分析设计………………………………………………………………1
3.电路方案设计论证…………………………………………………………2
4.具体电路设计………………………………………………………………4
5.总体电路设计及原理………………………………………………………8
6.电路检测及调试方法………………………………………………………10
7.使用方法简介………………………………………………………………11
8.心得体会……………………………………………………………………11
9.参考文献……………………………………………………………………11
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