三位半数字显示温度计.docx
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三位半数字显示温度计.docx
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三位半数字显示温度计
成绩评定表
学生姓名
路功榜
班级学号
1003020122
专业
测控
课程设计题目
三位半数字显示温度计
评
语
组长签字:
成绩
日期
2013年7月5日
课程设计任务书
学院
信息科学与工程
专业
测控技术与仪器
学生姓名
路功榜
班级学号
1003020122
课程设计题目
三位半数字显示温度计
实践教学要求与任务:
《电子测量技术》是测控技术与仪器专业的专业基础课。
本设计是对该课程综合应用能力的检验,在鼓励学生熟悉基本原理的前提下,注重与实际应用相联系,提出自己的方案,完善设计。
1、熟悉被测对象的测量技术工作原理;
2、提出可行设计方案;
3、根据方案设计硬件电路,应用Protel绘制电路原理图;
4、软件编程并调试;
5、硬件焊接与调试;
6、完成课程设计报告。
工作计划与进度安排:
第18周(6月24日-6月28日):
布置设计任务,查资料,完成总体设计框架。
第19周(7月1日-7月5日):
完善设计内容,焊接调试,验收答辩。
指导教师:
2013年7月5日
专业负责人:
2013年7月5日
学院教学副院长:
2013年7月5日
目录
一、设计要求2
1、设计要求和设计指标2
2、技术指标2
二、设计方案与论证3
1、设计方案3
2、方案比较3
三、设计原理及电路图(设计原理及流程图)3
1、硬件设计3
2、软件设计4
四、元器件清单5
五、元器件识别与检测7
1、温度传感器7
2、A/D转换器9
3、数码管15
A.电位器:
RV1=5K17
六、硬件制作与调试(软件编程与调试)17
1、硬件制作与调试17
2、软件编程与调试18
七、设计心得18
八、参考文献19
一、设计要求
设计任务:
3位半数字显示温度计
1、设计要求和设计指标
设计任务:
采用温度传感器LM35,位A/D转换器、数码或液晶
显示器设计一个日常温度数字温度计。
产品指标及技术要求:
①温度显示范围:
0℃~45℃;
②数字显示分辨率:
0.1℃;
③精度误差≤0.5℃;
④电路工作电源可在5~9V范围内工作.
参考芯片:
3位半A/D转换器:
CC7106/CC7107、CC7126/CC7127
温度传感器:
LM35
LCD显示器:
数码显示管:
共阳或共阴极
2、技术指标
1.测温度传感器输出曲线,即V/℃曲线;
2.调整电路的参数以及参考电压;
3.用示波器测量A/D转换器的BP、POL管脚波形及输出驱动波形;
二、设计方案与论证
1、设计方案
1.方案一:
基于LM35和ICL7107的数字显示温度计
2.方案二:
基于单片机的数字显示温度计
2、方案比较
方案一的设计思路清晰、原理简单,容易实现。
而由于现阶段对单片机的知识掌握不多,用方案二实现有一定的难度,所以选择方案一更合适,也更好实现。
三、设计原理及电路图(设计原理及流程图)
1、硬件设计
(1)数字温度计电路原理系统方框图
电路原理系统方框图图1
通过温度传感器LM35采集到温度信号,经过整形电路送到A/D转换器,然后通过译码器驱动数码管显示温度。
ICL7107集A/D转换和译码器于一体,可以直接驱动数码管,省去了译码器的接线,使电路精简了不少,而且成本也不是很高。
ICL7107只需要很少的外部元件就可以精确测量0到200mv电压,LM35本身就可以将温度线性转换成电压输出。
综上所述,采用LM35采集信号,用ICL7107驱动数码管实现信号的显示。
2、软件设计
(1)软件环境
基于工业标准SPICE3F5,实现数字/模拟电路的混合仿真;超过27000个仿真器件:
可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件,在不断地发布新的仿真器件,还可导入第三方发布的仿真器件;多样的激励源:
包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频、指数信号、单频FM、和码流,还支持文件形式的信号输入;13种虚拟仪器,操作逼真,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、SPI调试器、I2C调试器等;生动的仿真显示:
用色点显示的数字电平,导线以不同颜色表示其对地电压大小,结合动态器件(如电机、显示器件、按钮)的使用可以使仿真更加直观、生动;高级图形仿真功能(ASF):
基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标,包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶等,还可以进行一致性分析。
(2)软件原理
电路原理图2
温度传感器将感受到外界的温度经传感器内部电路处理后输出一个与外界摄氏温度成线性比例的电压信号。
此信号差动输入到A/D转换器,A/D转换器的双积分器输出信号通过控制逻辑电路向数据锁存器发出一个锁存信号,锁存器将计数器的数据锁存并经译码驱动电路驱动LED工作,显示感应的温度数值。
四、元器件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
LM35
工作电压:
直流4~30V;
•工作电流:
小于133μA
1
2
ICL7107
31/2位双积分型A/D转换器
1
3
数码管
七段共阳极
4
4
R2
200Ω
1
5
R3
100KΩ
1
6
R4
R2KΩ
1
7
R5
1MΩ
1
8
R7
47KΩ
1
9
C1
0.01uF
1
10
C2
0.47uF
1
11
C3
0.22uF
1
12
C4
0.1uF
1
13
C5
100pF
1
图3
五、元器件识别与检测
1、温度传感器
(1).温度传感器的类型及选择
在自动控制、机电整合的应用中,温度的测量为常见的需求,感测温度的产品有多种类型,依特性可概分为膨胀变化型、颜色变化型、电阻变化型、电流变化型、电压变化型、频率变化型…等,常用的有热敏电阻、热电偶、热电阻、双金属片传感器、集成温度传感器。
集成温度传感器是将传感器、信号处理电路集成一体,因而极大地提高了它得性能。
它具有测温精度高、线性优良、体积小、稳定性好、输出信号大、热容量小等优点而广泛被应用。
集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型。
常见的电压变化型的温度传感器有LM35、LM335,其不同点为LM35之输出电压是与摄氏温标呈线性关係,而LM335则是与凯氏温标呈线性关系。
由于摄氏温标较常使用,因此选用LM35做介绍。
(2).LM35集成温度传感器
a.LM35内部结构及原理
LM35是由NationalSemiconductor所生产的温度感测器,其输出电压与摄氏温标呈线性关係,转换公式如式下式,0°C时输出为0V,每升高1°C,输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封装型式,外观如图1所示。
在常温下,LM35不需要额外的校准处理即可达到±°1/4C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2所示,正负双电源的供电模式可提供负温度的量测;两种接法的静默电流-温度关系如图3所示,单电源模式在25°C下静默电流约50μA,非常省电。
LM35封装及引脚排列图5
b.LM35的主要参数
•工作电压:
直流4~30V;
•工作电流:
小于133μA
•输出电压:
+6V~-1.0V适合于远程应用
•输出阻抗:
1mA负载时0.1Ω;
•精度:
0.5℃精度(在+25℃时);
•漏泄电流:
小于60μA;
•比例因数:
线性+10.0mV/℃;
•非线性值:
±1/4℃;
•自热效应:
小于0.08℃
•校准方式:
直接用摄氏温度校准;
•封装:
密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装;
•使用温度范围:
-55~+150℃额定范围。
LM35应用范围于温度探头电子式直读温度计,汽车自动检测线上的温度测量。
一些数字万用表具有温度检测功能,狭小空间工业设备测温和控制。
冷冻库,粮仓,机房电缆线槽等测温和控制领域。
2、A/D转换器
模/数转换电路的作用是将输入连续变化的模拟信号变换为与其成正比的数字量信号输出。
在进行模/数(即A/D)转换时,通常按取样、保持、量化、编码四个步骤进行。
较常见和使用较多、市面上易找的有双积分型A/D转换器。
(1).双积分型A/D转换器的优点:
①转换精度高,成本低;
②转换精度与积分电阻,积分电容的精度无关。
③转换器精度与时钟频率的漂移无关;(表明其时钟振荡器不一定采用价格较贵的石英晶体,使用普通的R、C已满足要求)
④抗干扰能力强;
⑤外围电路简单。
(2).影响精度的因素:
①积分电容CINT和自动稳零电容CAz的介质损耗小聚丙乙烯电容,(电容的类型较重要)
②A/D转换的基准电源的变化直接影响转换精度(芯片内部的基准电压源一般受温度的影响较大,当精度要求较高时,应采用外接基准电压源)
(3).根据设计任务,选用3.5位双积分型A/D转换器.。
3.5位双积分型A/D转换器具有大规模集成的优点,其内部包含有模拟电路,数字电路和控制逻辑电路。
它只需要小量外围R、C元件就可完成A/D转换的工作。
(4).ICL7107的介绍
ICL7107的特点:
①ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器,属于CMoS大规模集成电路,它的最大显示值为士1999,最小分辨率为100uV,转换精度为0.05士1个字。
、
②能直接驱动共阳极LED数码管,不需要另加驱动器件,使整机线路简化,采用士5V两组电源供电,并将第21脚的GND接第30脚的IN。
③在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源,通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。
④能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。
⑤输入阻抗高,对输入信号无衰减作用。
⑥整机组装方便,无需外加有源器件,配上电阻、电容和LED共阳极数码管,就能构成一只直流数字电压表头。
⑦噪音低,温漂小,具有良好的可靠性,寿命长。
⑧芯片本身功耗小于15mw(不包括LED)。
⑨不设有一专门的小数点驱动信号。
使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.
⑩可以方便的进行功能检查。
ICL7107转化器原理图如下图所示。
其中计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。
ICL7107原理图:
图6
控制器的作用有三个:
第一,识别积分器的工作状态,适时发出控制信号,使各模拟开关接通或断开,A/D转换器能循环进行。
第二,识别输入电压极性,控制LED数码管的负号显示。
第三,当输入电压超量限时发出溢出信号,使千位显示“1",其余码全部熄灭。
锁存器用来存放A/D转换的结果,锁存器的输出经译码器后驱动LED。
它的每个测量周期自动调零(AZ)、信号积分(INT)和反向积分(DE)三个阶段。
双积分型A/D转换器的电压波形图如下图所示
双积分型A/D转换器的电压波形图图7
ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图所示。
ICL7107AD转换器引脚图图8
(2)ICL7107引脚功能
V+和V-分别为电源的正极和负极。
au-gu,aT-gT,aH-gH:
分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号,依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。
Bck:
千位笔画驱动信号。
接千位LEO显示器的相应的笔画电极。
PM:
液晶显示器背面公共电极的驱动端,简称背电极。
Oscl-OSc3:
时钟振荡器的引出端,外接阻容或石英晶体组成的振荡器。
第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定:
Fosl=0.45/RC
COM:
模拟信号公共端,简称“模拟地”,使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST:
测试端,该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地,故也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF+VREF-:
基准电压正负端。
CREF:
外接基准电容端。
INT:
27是一个积分电容器,必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件
IN+和IN-:
模拟量输入端,分别接输入信号的正端和负端。
AZ:
积分器和比较器的反向输入端,接自动调零电容CAz。
如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF,而2V满刻度是0.047μF。
BUF:
缓冲放大器输出端,接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流(idlingcurrent)是100μA,而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流,从此脚接一个Rint至积分电容器,其值在满刻度200mV时选用47K,而2V满刻度则使用470K。
ICL7107是集A/D转换和译码器为一体的芯片,而且这芯片能够驱动三个数码管工作而不需要更多的译码器,这给我们连接电路或者分析电路提供了一定的方便。
ICL7107芯片的管脚比较多,每一个管脚所代表的功能也各不相同,能够组成各种电路,比如说有积分电路。
这要求我们在接电路时要小心,不能出现错误。
3、数码管
在本次设计当中,由于ICL7107的特点,它只能驱动共阳极数码管,故我们要选用共阳极七段数码管。
在连接数码管时,我们要注意数码管各个管脚所对应的字母,不能接错或接漏,而且在管脚之前要接上电阻,以免烧坏芯片和数码管。
LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似,只是正向压降较大,正向电阻也较大。
在一定范围内,其正向电流与发光亮度成正比。
由于常规的数码管起辉电流只有1~2mA,最大极限电流也只有10~30mA,所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时,一定要串加限流电阻,以免损坏器件。
数码管使用条件:
a、段及小数点上加限流电阻
b、使用电压:
段:
根据发光颜色决定; 小数点:
根据发光颜色决定
c、使用电流:
静态:
总电流80mA(每段10mA);动态:
平均电流4-5mA 峰值电流100mA
数码管使用注意事项说明:
a、数码管表面不要用手触摸,不要用手去弄引角;
b、焊接温度:
260°度;焊接时间:
5s
c、表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。
图9
4、电阻电容的识别
电阻的识别:
色环电阻是应用于各种电子设备的最多的电阻类型,无论怎样安装,维修者都能方便的读出其阻值,便于检测和更换。
但在实践中发现,有些色环电阻的排列顺序不甚分明,往往容易读错,在识别时,可运用如下技巧加以判断:
先找标志误差的色环,从而排定色环顺序。
最常用的表示电阻误差的颜色是:
金、银、棕,尤其是金环和银环,一般绝少用做电阻色环的第一环,所以在电阻上只要有金环和银环,就可以基本认定这是色环电阻的最末一环。
电容的识别:
数学计数法:
标值104,容量就是:
10X10000pF=0.1uF
A.电位器:
RV1=5K
B.电容:
C1=0.01uF,C2=0.47uF,C3=0.22uF,C4=0.1uF,C5=100pF
C.电阻:
R2=200ΩR3=100KΩR4=2KΩ
R5=1MΩR7=47KΩ
六、硬件制作与调试(软件编程与调试)
1、硬件制作与调试
产品的调试可以及时发现产品所存在的问题,然后根据问题想出相应的解决方案,对产品进行修复完善,最后得出一个完美的成功的作品。
(1)按照电路图检查相关元器件接入及连线是否正确
(2)用万用表蜂鸣端检查焊接中是否存在虚焊或者不必要的短路和断路,检查七段数码管是否能正常工作
(3)当上步骤完成后,接通电源,观察数码管和二极管是否亮,若不亮时,要对电路电源进行检测,看是否线路接触不良或者电路短路
(4)数码管能正常显示示数且不闪动后,用电烙铁等工具改变LM35的温度值,观察数码管是否随着温度变化而变化,若示数没有改变,则应当检查线路连接情况或元器件能否正常工作
(5)若数码管数值与温度值相差太大,则要检查信号采集电路中各元件值是否正确
(6)为了使实验结果更精确完美,最后应当调节电位器RV1改变LM35电压与数码管示数的关系从而改变基准电压使之接近标准值1V,再调节电位器RV2使数码管示数显示亮度合适。
2、软件编程与调试
在protues中选择相应仿真原件,正确连接电路图,以电位器代替代替温度传感器,调节电位器数值,观测数码管显示数字并记录。
七、设计心得
经过这次课程设计,我学到了很多单看课本不能学到的知识。
在设计实验中,我们发现了许多问题,不断地寻找解决问题的方法,这些问题唯有亲自动手实验才能发现的,也唯有亲自动手实验才能解决的。
我深刻的体会到了“纸上得来终觉浅,源知此事须躬行”。
只有当理论与实践相结合时,才能发挥知识的最大作用。
其中,在实验中,我们发现在电路板焊接完成后,在测试时显示器只停留在一个温度,调节不了,于是我们重新多次检测每个元件的性能,检测每条焊接线路,还进行了多次模拟实验,甚至重新设计了部分线路,期间还上网查询了不少,请教了一些同学。
在这次课程设计中,我们不但学到了新的理论知识,还提高了动手实践的能力,更重要的是它让我们学会了永不言弃的精神,砥砺了我们坚韧的品质。
8、参考文献
[1]陈尚松电子测量与仪器(第2版)电子工业大学出版社
[2]古天祥电子测量原理机械出版社
[3]周润景基于protues电路仿真北京航空航天大学
[4]陈杰传感器与检测技术(第2版)高等教育出版社
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- 关 键 词:
- 三位 半数 显示 温度计
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