数字电子基础课程设计——数字体温计(温度计).wps

武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 电信 班 指导教师：指导教师： 刘运苟 工作单位：工作单位： 信息工程学院 题 目：题 目：16 16 数字体温计 初始条件：初始条件： 具备数字电子电路的理论知识；具备数字电路基本电路的设计能 力；具备数字电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用 实验室仪器调试。 要求完成的主要任务：要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及 说明书撰写等具体要求） 1、3 位 led 显示； 2、检测温度045摄氏度； 3、绝对误差0.1度； 4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书； 5、设计电源； 6、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。 时间安排：时间安排： 第十九周一周，其中3 天硬件设计，2天硬件调试 指导教师签名： 指导教师签名： 20132013 年 年 5 5 月 月 3030日日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 摘摘 要要 本次课设题目是数字温度计电路，本说明书围绕数字电子技术基础中模数转换电路、 相应芯片的管脚功能，以及模电中的电压比较器进行了简要的分析，为设计建立了理论基 础。 其次，从实验设计电路出发，对仿真的过程及结果进行了简述与分析，与实验要求进行 比对，最后进行了实物的制作与调试，给出了相应的焊接工艺，结果分析，材料列表。 并在 报告书的结尾部分，给出了本次课程设计的心得感受，相应的总结体会。 关键词关键词：模数转换、proteus 仿真、电压比较器、温度传感器 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 abstracts in this design，i was asked to design a device that can detect the temperature .the report mainly describes the basic knowledges about the theoretical treatment and the thought of the design .also,we used the proteus to simulate the real part.the report gives the analysis,the photos of the results,the finished product ,and the compare between the theory and realism .at the end of the report,i give some personal feeling and the experience i got in these days. keywords:voltage comparator proteus digital analog converter 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 目 录目 录 1. 概论 1.1 设计目的及意义 1 1.2 设计任务及要求 . 错误：引用源未找到 2. 总体方案的选择与论证 . 错误：引用源未找到 2.1 温度采集模块的方案及选择 1 2.2 信号转换模块的方案及选择 1 2.3 显示模块的方案及选择 1 3. 电路设计 错误：引用源未找到 3.1 直流稳压电源的设计 1 3.2 温度采集模块的电路设计及原理 1 3.3 信号转换模块的电路设计及原理 . 10 3.4 显示模块的电路设计及原理 . 10 3.5 电路中参数的设置 . 11 3.6 总电路图 . 11 4. 电路仿真及分析 错误：引用源未找到 5. 电路的安装与调试 14 6. 误差分析 错误：引用源未找到 7. 实物展示 16 8. 总结 错误：引用源未找到 9. 参考文献 19 1 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 1.概论 1.1 设计目的及意义 1.巩固数电知识的学习，熟练分立元件的实际应用； 2.进一步巩固简熟悉数字体温计的电路结构及电路原理； 3.掌握proteus的使用方法； 4.学会用简单的元器件及芯片制作简单的数字体温计，增强动手能力； 5.学会调试电路并根据结果分析影响实验结果的各种可能的因素。 1.2 设计任务及要求 1.2.1 设计任务 利用所学知识，自选相关电子器件，设计一个数字体温计。 1.2.2 要求 1、3位led 显示； 2、检测温度045摄氏度； 3、绝对误差0.1度； 4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书； 5、设计电源； 6、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。 2 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 2.总体方案的选择与论证 分析本次课程设计的相关要求，总体上，本次设计可分为以下几个部分： 温度采集电路、 模数转换电路、 电压比较电路、 发光二级管报警电路。 具体方框图 如图 1。 2.1 温度采集模块的设计与论证 温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材 料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温 度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、 电阻、 电容、 而电动势、 磁性能、 频率、光学特性及热噪声等等。 方案一：采用二极管做温度传感器 晶体二极管或三极管的pn结的结电压是随温度而变化的。 例如硅管的pn结 的结电压在温度每升高 1时，下降-2mv，利用这种特性，一般可以直接采用 二极管（如玻璃封装的开关二极管 1n4148）或采用硅三极管（可将集电极和基 极短接）接成二极管来做 pn 结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小， 其热时间常数为0.22秒，灵敏度高。测温范围为-50+150。典型的温度曲 线如图 1所示。 同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较 差。 方案二：用可编程器件ds18b20做温度传感器 ds18b20 数字温度计是 dallas 公司生产的 1wire，即单总线器件，具有 温度采集电路 电压比较电路发光二级管报警电 路 模数转换电路数码管显示电 路 图 1 电路原理框图 3 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 线路简单，体积小的特点。 因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一 根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 ds18b20产品的特点 （1）、只要求一个端口即可实现通信。 （2）、在ds18b20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）、测量温度范围在55。c到125。c之间。 （5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12 位选择。 （6）、内部有温度上、下限告警设置。 但是18b20需要单片机软件控制，与本次设计要求不符。 方案三：用lm35做温度传感器 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。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 50a），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。 在使用单一电源时，lm35的一个缺点是无法指示低至零度的温度。 据称利用 lm35 可测出20mv 的电压，这一值相当于 2（一些情况下甚至可测出02mv 的电压！），但要指示零度或更低的温度时，最好还是再提供一个负电源和一 只下拉电阻。 通过比较和对本次设计要求的的考虑，决定采用方案三以lm35作温度传感 器。 2.2 信号转换模块的设计与方案选择 数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的 大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号的模拟量后，需经模/ 数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为把模拟 电量转换成数字量输出的接口电路-a/d转换器是现实世界中模拟信号向数字信 号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶所在。 方案一：用可编程器件a/d做转换器 4 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 如果利用adc0801进行一次a/d 转换，其工作过程为：先由外电路给片选端 输入一个低电平，选中此芯片使之进入工作状态，此时输出为高电平，表示转 换没有完成，芯片输出为高阻态。和为高电平时芯片不工作。当外电路给端输入 一个低电平时启动芯片，正式开始a/d转换。 转换完成后，输出为低电平，允许 外电路取走 数据，此时外电路使和为高电平，a/d转换停止。外电路取走 数据后，使为低电平，表示数据已取走。 若要再进行一次a/d转换，则重复上述 控制转换过程。图1-2为 adc0801 的应用电路图： 图2 adc0801 的应用接线图 方案二：采用icl7107做转换器 icl7107是高性能，低功耗的三维半a/d转换电路。它包含有段译码器，显 示驱动器，参考源和时钟系统。 可直接驱动发光二极管（led）。 icl7107将高精 度、通用性很好的结合在一起，有低于 10v 的自动效零功能，零漂小于 1v/c。 主要特点： (1)保证零电平输入时，各两量程的读值均为零 (2)很低的噪声 (3)差动输入和差动参考源，直接led显示驱动 (4)不需外接有源电路 5 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 (5)低功耗 通过比较和对本次设计要求的考量，最终决定采用方案二进行设计。 2.3 显示模块的设计与方案选择 通过转换模块对模拟量的转换，使显示模块接收到的是数字量，现实更精确 简单。 图 3液晶显示 方案一：采用液晶显示 液晶显示器(lcd)是现在非常普遍的显示器。 它具有体积小、 重量轻、 省电、 辐射 低、易于携带等优点。液晶显示器（lcd）的原理与阴极射线管显示器（crt）大 不相同。lcd是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器 件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投 影电视液晶屏等。 液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通 使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止 光线通过。 显示虽然方便，但是显示亮度不够，比较模糊，而且需要软件对其进 行驱动，与本次课设的用以相违背。 方案二：采用led数码管进行显示 led 数码管根据led 的接法不同分为共阴和共阳两类， 以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。 当然，led 的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们 将“b“和“c“段接上正电源，其它端接地或悬空，那么“b“和“c“段发光，此时， 数码管显示将显示数字“1”。 而将“a“、 “b“、 “d“、 “e“和“g“段都接上正电源，其 它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。 6 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 数码管不仅价格便宜而且容易驱动，亮度好且比较稳定。其管脚图如图4所示： 图4 数码管引脚图 通过比较，本次设计采用方案二进行显示模块的设计。 3.电路设计 3.1 直流稳压电源的设计 7 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 图 5 直流稳压电源 很多电子设备，家用电器都需要直流电源供电，其中除了少量的低功耗，便 携式的仪器用于电池供电外，绝大多数电子设备正常工作需要直流供电，而常 用的电源基本上都是220v或 380v 的交流电，因此需要把直流电变成交流电。我 们一般是将交流电网经过变压，整流，滤波，稳压四个步骤变换成电路所需的 低压交流电。 图 5 所示的电路是采用 lm7812 和 lm7912 型号的集成稳压器芯片组成的具有 同时输出+12v，-12v电压的稳压电路。 此电路对称性好，温度特性也近似一致。 电源输出端接有保护二极管 d3,d2.正常工作情况下，d2，d3 均属于截止状态， 不影响电路的工作。电路中的d5，d4也是保护二极管。 3.2 温度采集模块的硬件设计及原理 本次设计采用 lm35 作为温度传感器，lm35 是 ns 公司生产的集成电路温度 传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件 8 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 输出电压与摄氏温度线性成比例。lm35 是一种内部电路已去噪校准放大的集成温度传 感器，其输出电压与摄氏温度成正比，输出端电压信号基本满足本设计的需求。 转换公式如 式： 0c 时输出为 0v，每升高 1，输出电压增加 10mv。其电源供应模式有单电源与正负双 电源两种.正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；在静止温度中自热效应低 (0.08) ，单电源模式在 25c 下静止电流约 50a，工作电压较宽，可在 420v 的供电电 压范围内正常工作非常省电。 图6 电压-温度关系图 lm35 具有的规格参数如下： 1、工作电压：直流 430v； 2、工作电流：小于 133a 3、输出电压：+6v-1.0v 4、输出阻抗：1ma 负载时 0.1； 5、精度：0.5精度（在+25时）； 6、漏泄电流：小于 60a； 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：电源负 gnd；电源正 vcc；信号输出 s。 lm35 的封装如图 7： 本次设计的温度检测模块硬件图如图8所示： 图 7 lm35 封装 图 8 温度检测模块图 9 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 3.3 信号转换模块硬件电路设计及原理 本次设计采用三位半 led 显示 a/d 转换器 icl7107，此集成芯片内部包含有数码 管的驱动电路，此次选用icl最典型的应用电路，设计图如图9 所示： 3 3.4 显示模块设计电路图 本次设计采用气味数码管进行显示，icl7107 中已包含数码管驱动电路，所 以数码管只需与 icl7107 的输出端对应连接即可， 由于 icl7107 的芯片对数码 管的输出可以直接连接，对应管脚连接相应的数码管管脚。 由于第三块数码管的 小数点需要常亮，因此连接地，以达到所需效果。 第一块数码管的b、 c连在一起， 图 9 模数转换电路 图 10 数码管显示电路 10 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 以显示“1”。设计图如图10所示： 3.5 电路中相关参数设定 1 脚，正电源端，接直流+5v； 220脚、2225脚，接相应的数码管； 21 脚，接 gnd，由于采用的数码管是共阳的，因此将 21 脚与第三块数码管 的小数点显示相连，以便达到该位小数点在工作时常亮的状态。 26 脚，负电源端，接直流-5v； 27 脚，积分器输出端，外接积分电容c（一般取c=0.22uf）； 28 脚，输入缓冲放大器的输入端。外接积分电阻r(一般取r=47k)； 29 脚，积分器和比较器的反向输入端，接自校零电容 c (一般取 c=0.47uf)； 30、31脚，模拟量输入端，将lm35的信号从 30、31两脚处接入。 32 脚，模拟信号公共端，将32脚与 30脚相连。 33、34脚，基准电容端，这里采用的是c=0.1uf。 35、36 脚，基准正负电压端，这里采用滑动变阻器，以便对基准电压进行 调节，使显示正确的温度值。 37 脚，测试端。本次设计中空置。 38、 39、 40脚，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接 r、 c元件。 一般采用的 参数值为c=100pf、r=100k。 3.6 总体设计图 11 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 图11 总设计图 4. 电路仿真及分析 4.1 仿真软件简介 本 次 仿 真 所 用 软 件 是 proteus ， proteus 软 件 是 英 国 labcenter electronics公司出版的eda 工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术 有限公司）。 它不仅具有其它 eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围 器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步 但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技 工作者的青睐。 proteus 是世界上著名的eda工具(仿真软件)，从原理图布图、 代 码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 pcb 设计，真正实现了从概 念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、pcb设计软件和虚拟 模 型 仿 真 软 件 三 合 一 的 设 计 平 台 ， 其 处 理 器 模 型 支 持 8051、 hc11、 pic10/12/16/18/24/30/dspic33、 avr、 arm、 8086和msp430等，2010 12 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 年即将增加 cortex 和 dsp 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编 译方面，它也支持iar、keil和mplab 等多种编译器。 其功能特点是： （1）原理布图 （2）pcb自动或人工布线 （3）spice电路仿真 4.2 仿真及其分析 首先在 proteus中画好原理图，然后设置 icl7107 的36 脚的电压值为 1v，然后 直接设置 lm35 的温度值，启动仿真，就可观察数码管显示的数值，仿真存在一 定的误差，lm35 现实的温度值与数码管显示的温度值并不精确的相等，仿真结 果如下图： 图 12 0时的仿真图 13 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 图 13 45时的仿真图 如上图所示，我此次设计的数字体温计能够测量0到45 摄氏度的温度，当lm35 的温度设置为0时，数码管显示的是0.1. 当 lm35 的温度设置为45时，数码管显示 的是44.9。综合以上所有仿真结果，我所设计的数字体温计满足了设计任务书里的要求。 5.电路的安装与调试 1.牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 dc5v 。 第 36 脚是 基准电压，正确数值是 100mv，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负 的，在 3v 至 5v 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。 芯片 第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 199.9mv 的电压。在一开始，可以把 它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。 2.注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uf,47k,0.47uf 阻容 网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。 芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。 3.注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要 求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是 按照需要接到其他电压上。 本文不讨论特殊要求应用。 4.负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来 提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5v 供电 就可以解决问题。 比较常用的方法是利用 icl7660 或者 ne555 等电路来得到， 这样需要增加硬件成本。我们常用一只 npn 三极管，两只电阻，一个电感来进 行信号放大，把芯片 38 脚的振荡信号串接一个 20k 56k 的电阻连接到三极 管“b”极，在三极管“c”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交 14 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 流放大倍数），在正常工作时，三极管的“c”极电压为 2.4v 2.8v 为最好。 这样，在三极管的“c”极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容 和 2 支 1n4001 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 icl7107 的 26 脚使用。这个电压，最好是在 3.2v 到 4.2v 之间。 5.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开 路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。 利用一个电位器和指针万用表的 电阻 x1 档，我们可以分别调整出 50mv,100mv,190 mv 三种电压来，把它们依 次输入到 icl7107 的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，允许有 2 3 个字的误差。如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电 压。 6.比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯 片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况， 与基准电压具体是多少 mv 无关，也无法在外部进行调整这个读数。 如果差的太 多，就需要更换芯片了。 7.icl7107 也经常使用在 1.999v 量程，这时候，芯片 27,28,29 引脚的元 件数值，更换为 0.22uf,470k,0.047uf 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000v 就可以使用在1.999v 量程了。 测量数据如表1所示： 数字万用表数显温度计 室温21.020.521.120.5 冷水15.115.215.215.1 温水52.050.852.150.7 表 1 测量数据 6.误差分析 lm35温度传感器是常用的传感器之一。使用温度传感器不可避免地存在测 量误差，引起该测量温误差的原因是多方面的:(1)传热误差：测温时，必然会 通过热敏元件进行热量交换，有传热现象存在，lm35工作端所感受的温度就不 能完全正确反映被测环境的温度，存在误差，通过信号放大，该误差进一步增 大从而引起测量误差。 （2）动态误差：被测对象温度变化后，测温仪表来不及立即指出变化了的 温度，从而引起读数误差。 对于快速变化的温度，由于测温元件的热惰性，动态 误差可能很大。 （3）线路电阻误差：线路中电阻对信号传导的影响都会引起测温误差。 所有 各种测温误差，最终都集中反映在e-t关系上。 因此，对各种误差的大小必须针 对某一具体问题进行分析，从中抓住主要矛盾，以便提高测量精度。 测量 工具 测量 环境 15 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 7.实物照片 图14 数字体温计正面电路图 图 15 数字体温计反面电路图 16 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 图16 调试时数字体温计示数显示 图 17 调试时数字体温计示数显示 17 武汉理工大学数字电子电路课程设计说明书 8.总结 本次课设我分配的题目是数字温度计，