课程设计---数字温度计设计.doc

课程设计(论文)题 目 名 称 数字温度计设计 课 程 名 称 电子技术课程设计 学 生 姓 名 涂海彬 学 号 1141201072 系 、专 业 电气工程系 电气工程及其自自化 指 导 教 师 李海娜 2013 年 12 月 5 日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业11级电气工程及其自动化学生姓名涂海彬学 号1141201072题目名称数字温度计设计设计时间2013.11.252013.12.6课程名称 电子技术课程设计课程编号121202306设计地点电工电子实验室408、409一、课程设计（论文）目的电子技术课程设计是电气工程及自动化专业的一个重要的实践性教学环节，是对已学模拟电子技术、数字电子技术知识的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成，着重培养学生工程实践的动手能力、创新能力和进行综合设计的能力，并要求能设计出完整的电路或产品，从而为以后从事电子电路设计、研制电子产品奠定坚实的基础。二、已知技术参数和条件用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，具体要求如下：1、温度范围0-150度。2、测量精度0.1度。3、四位LED数码管显示温度。三、 任务和要求1. 按学校规定的格式编写设计论文。2. 论文主要内容有：课题名称。设计任务和要求。方案选择与论证。方案的原理框图，系统电路图，以及运行说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。必须用proteus或其它仿真软件对设计电路仿真调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）胡宴如 主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2011年张克农 主编.数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2010年彭介华 主编.电子技术课程设计指导.高教出版社出版.第一版.2002年电子电工实验指导书电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：示波器型号规格VP-5220、电子学习机型号规格WL-V、万用表MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。五、进度安排2013年11月25-26日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求2013年11月27-28日：总体方案设计，方案比较，选定方案；2013年11月29-12月3日：单元电路设计，参数计算，元器件选择，系统电路图，仿真调试改进； 2013年12月4-5日：整理撰写设计论文；2013年12月6日：答辩六、教研室审批意见设计目的明确，要求合理，难度适中，符合课程设计教学要求。教研室主任（签字）： 2013年11月20日七|、主管教学主任意见符合课程设计要求 主管主任（签字）： 2013年11月20日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 涂海彬 学 号 1141201072 系 电气工程系 专业班级 电气工程及其自动化 题目名称 数字温度计设计 课程名称 电子技术课程设计 一、学生自我总结通过课程设计，使得我对模电和数电的一些相关知识掌握得更好一些，同时增强对设计性实验的兴趣，认识到模拟数字电子技术在实际生活中的广泛应用，也认识到团队精神的重要性。 学生签名： 2013年 12月 5 日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语：指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘要数字温度计与传统温度计相比，具有结构简单、可靠性高、成本低、测量范围广、体积小、功耗低、显示直观等特点。通过本次设计能够更加了解数字温度计工作原理和熟悉单片机的发展与应用，巩固所学的知识，为以后工作与学习打下坚实的基础。数字温度计主要运用在工业生产和实验研究中，如电力、化工、机械制造、粮食存储等领域。温度是表征其对象和过程状态的重要参数之一。比如：发电厂锅炉温度必须控制在一定的范围之内，许多化学反应必须在适当的温度下才能进行。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作。因此，温度的测量和控制是非常重要的。通过对目前各种温度传感器的分析与研究，对温度传感器做出合理选择，并根据实际需要选择合适的主芯片和LED显示器，达到优化整体结构，提高温度检测精度，同时使系统具有测温范围广、体积小、功耗低、精度高、显示直观等优点，并保证系统结构简洁。关键字：数字温度计；LED显示；精度。目录1 设计任务与要求.1.1 设计要求.41.2 原理框图.41.3 主要参考原件.42方案设计与论证.43 单元电路设计与参数计算.53.1 传感器部分.53.2 放大系统.53.3 数字显示部分设计.104总原理图及原件清单.5安装与调试.6性能测试与分析.7结论与心得.参考文献.1、设计任务与要求1.1、设计要求温度计是工农业生产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。具体要求如下：1）测量范围0150度。2）测量精度0.1度。3）4位LED数码管显示。1.2、原理框图 图1-2 原理框图1.3、主要参考元器件硅热敏晶体管，LM324，CC7107，电阻及电容若干。2、方案设计与论证由设计和任务要求可知道，本设计实验主要分为四个部分，即传感器、放大系统、模数转换器以及显示部分。经过分析，传感器可以选择对温度比较敏感的器件，做好是在某参数与温度成线性关系，比如硅热敏晶体管、热敏电阻等；放大系统可以由集成运放组成：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CC7107，CC7117，MC14433等；显示部分用4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MC14433A/D转换器进行数模转换和数字显示.。方案二：用硅热敏晶体管做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集成运放进行放大，使其放大的信号应能满足CC7107数模转换的要求，进行数字显示由于MC14433模数转换器的显示部分需要驱动器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麻烦。而321位双积分A/D转换器CC7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。3、单元电路设计与参数计算3.1、传感器部分热敏晶体管，在温度发生变化时，热敏晶体管的b-e结正向的温度系数为-2mV/，即温度每升高1，b-e结电压降低2mv,利用这个特性可以测量温度。设置电路图如图2所示，采用9V的电源供电，be间的电压全部反馈的输入到同相输入端，运放引入了电压负反馈，在理想运放的条件下，输出电阻为零，所以可以认为电路的输出Vo为恒压源。 图3-1 传感图3.2、放大系统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组成一个同相比例放大电路，由于温度传感器输出的电压与温度的线性关系为-2mV/，即温度每升高1电压降低2mV,因此可以使得电压通过同相比例运算电路放大5倍，即1对应电压为10mV。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(330V)，也可接双电源使用(1.515V)，驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。 图3-2 管脚连接图3.3、A/D转换器1）凋零电路 图3-3 凋零电路当硅热敏晶体管置于0摄氏度的温度下时由于B-E管压降可能使得A/D转换器的数字显示不为零，因此要设计一个调零电路。本实验设计了一个电桥电路，通过调节可变电阻可以使得电桥平衡，即输出为零。电路图如图5所示。2）模数转换部分321位双积分A/D转换器CC7107的引脚图和管教图以及功能简介321位双积分A/D转换器CC7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。CC7107内部电路含有模拟电路和数字电路两大部分。 图3-4 引脚接线1端：U+=5V，电源正端。26端：U-=5V，电19端：ab4，千位数笔段驱动输出端，由于213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“-19.99”；当输入信号的电压极性为正时，极性负号不显示如“19.99”。21端：BP，液晶显示器背电极，与正负电源的公共地端相连接。27端：INT，积分器输出端，外接积分电容C（一般取C=0.22Fm）。28端：BUFF，输入缓冲放大器的输出端，外接积分电阻R（一般取R=47Wk）。29端：AZ，积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容AZC（取AZC=0.47F）。30、31端：INLO、INHI，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1MW电阻和0.01F电容组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。28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ag相连接。914、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ag相连接。1518、2224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ag相连接。32端：COM，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：REFC、REFC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REFC=0.1Fm。35、36端：REFLO、REFHI，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：31OSC，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R1、C1元件。振荡器主振频率OSCf与R1C1的关系。根据CC7107的内部电路结构，可以分析A/D转换的工作过程。设其转换过程分三个阶段，即采样阶段、积分阶段和休止阶段，各阶段的工作过程如下：a.采样阶段在逻辑控制电路的作用下，设新的采样阶段开始，设开关SIN闭合，Saz1短开，被测信号Ux从IN+端输入，经缓冲器进行定时积分，设积分时间（或称采样时间）定为1000个时钟脉冲。当N1=1000时定时积分阶段或称采样阶段结束。b.积分阶段积分阶段是指积分器时基准电压UREF进行定值积分。由于在休止阶段基准电容CREF已被充电(UREF=|UREF|),所以积分阶段一开始，对输入电压作极性判别后，基准电容有开关S+和S-接入缓冲放大器，使积分器进行反向定值积分，计数器开始计数。可求出定值积分阶段内，积分器的输出电压与计数脉冲N2的关系。当积分器的输出电压Uo回到初使状态时，定值积分阶段结束，设计数器的脉冲数N2=02000。c.休止阶段休止阶段的任务是使信号输入端IN+与公共模拟端COM短接，积分器和比较器的输出为零，基准电压对基准电容充电，这些都是通过控制开关SAZ1、SIN、S+、S-等完成的。设完成该阶段的工作所需要的时间为10003000个时钟脉冲三个阶段的工作波形。ICL7107一次A/D转换经过三个阶段所需时钟脉冲数为N，则一次转换所需的时间为T=N/fcp=4N/fosc。3.4、数字显示部分的设计因为芯片CC7107采用双电源供电，能输出较大的电流，适合于驱动发光二极管（LED）数码显示器，并且CC7107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，引脚图见图9。CC7107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。4、总原理图及元器件清单1） 元件清单5、安装与调试把各设计部分进行安装连接温度数字显计安装和调试，调节调零电路使热敏晶体管在0C的环境中温度计输出为零，也就是显示器的读数显示为零。温度计满度读数为149.9(1500C)，调节时，热敏晶体管放置在150C的环境中，由于热敏晶体管的温度系数为-2mV/C，所以在150C的环境下，热敏晶体管的be结压降增量为-4000mV，根据式（1）可知，调节参考电压，使UREF=-4000mV时，输出读数为149.9（即150C），这样，就使数字温度计实现0150C的测量，其精度为0.1C。一般般系统只要把0和满标度两点调好，输出读数与温度成对应关系，输出读数与UREF和Uin之间仍保持式(1)的关系。小数点取第二个数码管的D.P.段显示。调试0C时，应使显示器的显示为“0000”；调试100C时