课程设计（论文）-数字温度计的设计.doc

harbin institute of technology课程设计说明书（论文）课程名称： 课程设计 设计题目： 数字温度计的设计 院 系： 电子与信息工程学院 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间：2011年4月15日至2011年6月6日哈尔滨工业大学2011年4月15日星期五哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期： 2011年 4 月15 日至 2011 年 6月5日 课程设计题目： 数字温度计的设计 已知技术参数和设计要求：根据给定主要功能要求和主要元器件，设计一个完整的数字温度计。(1) 自制稳压电源(2) 被测温度的范围在0至200c(3) 用4位数码管显示温度值 工作量：1. 查找资料2. 设计论证方案3. 具体各个电路选择、元器件选择和数值计算4. 具体说明各部分电路图的工作原理5. 绘制电路原理图6. 绘制印刷电路图7. 元器件列表8. 编写调试操作9. 打印论文 工作计划安排：1. 查找资料、设计论证方案具体各个电路选择、元器件选择和数值计算绘制电路原理图一周2. 绘制印刷电路图、元器件列表一周3. 编写调试操作、打印论文 一周 同组设计者及分工：每人一组单独完成 指导教师签字_ 2011年 4月13日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 2011年4月13日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）一、任务技术指标主要内容：设计一个数字温度计，测量范围：0200 oc。温度的实时led数字显示。测量温度信号为模拟量。基本要求：1.画出数字温度计的结构框图。2.画出系统原理图、印制版图与仿真图。3.计算所需器件数值，列写元器件清单4.进行调试操作5.按要求完成课程设计报告，打印报告二、总体设计思想1.基本原理温度的测量，在工业生产的过程和科研工作中都非常重要。数字式温度测量的特点是采用数码管直接显示出被测温度值，这种数字显示不仅直观，测量精度高而且便于进行自动控制。所以，数字温度计获得了广泛的应用。（一）电路的功能和组成数字温度计应具有下列基本功能：1.能把温度测量转换为成比例的模拟电信号（电流或电压等）。 2.把模拟电信号变换成数字信号。3.最后通过数字电路（译码和显示）直接指示出温度值。（二）为了实现上述功能，可以有多种不同的方法，设计时应根据不同的设计要求和具体情况进行选择。1.温度变换电路目前广泛使用的温度传感器主要包括热电偶、热敏电阻、测温铂电阻、集成电路(ic)温度传感器、晶体管温度传感器等几种类型的传感器，这几类传感器又各有优缺点： 热电偶的灵敏度较低，但它能在很宽的温度范围内使用； 热敏电阻的工作温度范围较窄，但灵敏度高，有利于检测微小温差，但由于其输出的特性量是非线性的，在检测时要首先经过线性化变换，使用不方便； 廉价集成电路(ic)温度传感器的性能离散度较大，必须经过校准后才可用于高精度测量； 测温铂电阻温度系数的离散度很小，精确度较高，灵敏度也较好，特别适用于1 000以下温度的测量，但价格比较贵； 晶体管温度传感器则是利用半导体材料pn 结电流电压特性和温度的相关性进行测温，它的最大优点是输出线性度好，测温精度也比较高，而且价格便宜，是比较有前途的一类温度传感器。基于以上考虑，本文介绍的电路就采用pnp 三极管作为温度传感器。2.放大电路 在该测量系统中，传感器的输出是放大器的信号源，然而改传感器的等效电阻不是常量。根据电压放大倍数的表达式：可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻rirs，ri愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外，放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。3. a/d转换电路（1）a/d转换器的分类常用的a/d转换器有双积分型、逐次比较型、并行比较型等。不同类型的adc转换器在性能指标上也有很大差异。类型并行比较型逐次比较型积分型主要特点超高速速度、精度、价格等综合性价比高高精度、低成本高抗干扰能力输出二进制数的位数6108161216转换时间/ms几十几十几百几十几百主要用途超高速视频处理数据采集工业控制数字仪表（2） a/d转换器的选用依据 a/d转换器用于什么系统、输出的数据位数、系统的精度、线性。输入的模拟信号类型，包括模拟输入信号范围、信号的驱动能力、信号的变化快慢。对a/d转换器的转换时间、取样速率的要求等。后续电路对a/d转换器输出数字逻辑电平的要求、驱动电路等。成本及芯片来源等因素。4. 译码显示电路为了节省资源，使用led的动态显示方式。由于刷新速率较高，以及人眼的视觉暂留效应，我们看到的是四个led同时点亮，稳定显示没有闪烁的效果。2. 基本框图温度传感器精密放大器a/d转换器译码显示电路图1 数字温度计框图3、 具体设计 本设计主要构成部分应该是由模拟传感器、线性放大电路、a/d转换分析、驱动电路及显示五部分组成。下面主要详细介绍各个电路的具体功能。1.温度取样电路设计温敏三极管在温度发生变化时be结的温度系数为2mv/c，利用这个特性可以测出环境温度的变化。图2 温度取样电路 由图可知，u0处即为-ube和r2处的偏置电压之和。所以r2可作调零功能之用，使温敏三极管在0c时的u0为零，使显示器的读数也为零。2. 放大电路三运放构成的精密放大电路电路图如图所示：图3 三运放构成的精密放大电路根据运算电路的基本分析方法 即 所以输出电压：则： 当时， 其中为可变电阻，可调整放大器放大倍数，以便调整200的满度数。3. a/d转换器本设计选用为积分式a/d转换器mc14433。mc14433是美国motorola公司推出的单片位a/d转换器，它将模拟部分和数字部分的电路集成在同一芯片内，结果以bcd码形式输出。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。使用时仅需外接两只电阻和两只电容，即可构成一个完整的a/d转换器。mc14433最主要的用途是作为数字电压表、数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统中的a.d转换借口。其主要功能特性如下：1 精度：读数的0.05%1字。2 模拟电压输入量程：1.999v和199.9mv两档。3 转换速率：225次/s。4 输入阻抗：大于1000 m。5 电源电压：4.88v。6 功耗：8mw（5v电源电压时，典型值）。mc14433的引脚图如图4所示。图4 mc14433的引脚图mc14433的引脚使用说明如下。1脚（vag）：模拟地，为输入模拟电压和基准电压的公共地端。2脚（vref）：基准电压，此引脚为外界基准电压的输入端。mc14433只要一个正基准电压即可测量正负极性的电压。3脚（vx）：被测量的输入端，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，满量程时vx = vref。当满量程选为1.999v，vref可取2.000v，而当满量程为199.9mv时，vref取200.0mv。在实际的应用电路中，根据需要，vref值可在200mv2.000v之间选取。46脚（r1，r1/c1，c1）：外接积分元件端。此三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1f聚酯薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66 khz，在2.000v满量程时，电阻r1约为470k，而满量程为200mv时，r1取27k。7、8脚（c01、c02）:外接失调补偿电容端，电容一般选0.1f聚酯薄膜电容即可。9脚（du）：更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向计分周期之前，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。10、11脚（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。12脚（vee）：负电源端。vee是整个电路的电压最低点，一般vee=-5v。13脚（vss）：接地端，正负电源公共端。14脚（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。15脚（）：过量程标志位。当时，输出为低电平。16、17、18、19脚（ds4、ds3、ds2、ds1）：多路选通脉冲输出端。ds4、ds3、ds2、ds1分别对应于个位、十位、百位、千位选通信号。当某一位ds信号有效（高电平）时，所对应的数据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。20、21、22、23脚（q0、q1、q2、q3）：bcd码输出端。该a/d转换器以bdc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bdc数据。采用字位动态扫描扫描bcd码输出方式，即千、百、十、个位bcd码分时在q0q3轮流输出，同时在ds1ds4端输出同步字位选通脉冲，可以很方便实现led的动态显示。24脚（vdd）：正电源电压端。5. 显示电路。为了节省资源，使用led的动态显示方式。即将mc14433芯片设为选通工作方式，轮流依次点亮四个led数码管，各个led共用显示译码电路cc4511和并连在一起的总线（数码管ag，dp脚）。各个led依次由mc1413驱动，分时点亮相关的led。mc1413是显示驱动专用电路，在步进电机驱动、发光led显示等场合使用广泛，可以替代多组分离的三极管，线路简单，可靠性好。其内部有7个反相驱动单元，每个单元采用了达林顿管解构的驱动电路，起输出端均为集电极开路结构，每路输出可提供100ma的驱动电流。因为mc14133输出的位选通信号为高电平有效，经mc1413反相后，正好与4只共阴极的发光二极管显示器的千位、百位、十位及个位的接地端相连。mc14433a/d转换器的转换结果以bcd码的形式从q0、q1、q2和q3输出，分别与cc4511的数据输入端ad相连，cc4511的输出端接7个几百欧的限流电阻。当ds=1时，对应的显示位便显示出09的十进制数字。当输入电压过载时，=0，控制cc4511的灭灯端，使显示灯熄灭。将个位数码管的小数点点亮，使其与实际测量温度量程一致。a/d转换电路和显示电路连接图如图5所示。其中vx端信号来自放大器电路的输出端信号。mc1403为输出可调的稳压源集成电路，调节输出电位器rp可以改变mc14433的基准电压vref。当基准电压为2v时，满量程为1.999v。图5 a/d转换电路和显示电路连接图6. 稳压电路该稳压电路可产生+5v电压。图6 直流稳压电源4、 总电路图图7 总电路图5、 pcb图图8 印制电路板图6、 元器件清单列表 编号名称规格大小数量芯片w7805、mc14433、mc1403、mc1413、cc4511各1片r、r1、r3、r6、rf电阻1k共8片r5电阻100共7片r7、rc电阻470k各1片r2、r4、rp微调电阻2k各1片c0、c1、c2、 c4电容0.1uf共5片pnp温敏三极管1片dpy_7-seg_dp147段式led数码管led共4片a1a4运算放大器共4片bridge1电桥共1片7、 调试操作(1) 单元电路调试单元电路调试就是进行分部分调试，分部分调试之前应先将各个子部分之间的信号连线断开。调试时应先调试各个子部分电路，而不要立即进行整体综合调试。分部分调试可以将故障局限于一个小范围内，有利于查找和排除故障，对各个子部分进行调试时一定要按照各个子部分的功能及指标要求进行调试，逐步排除故障。首先调试店员，然后再调试其他部分。(2) 综合调试各单元电路全部调试完毕后，再进行综合调试。给温敏三极管加温或降温，这时七段led数码显示管的显示值应相应变化。这说明整个电路是可以工作的。(3) 定标传感器放入冰水混合物中，观察led数字显示。若不为000.0，调节微调电阻r2使得读数为零。之后将传感器置于沸水中，观察led数字显示。若不为100.0，综合调节放大电路r4使得读数在100.0，之后回到0度并反复调节r2和r4，直到精确度达到要求即可。至此，可以认为定标结束。定标结束后，我们可以在0200的温