温度式电压表课程设计论文.doc

常熟理工学院电气与自动化工程学院课程设计用纸 目录一 . 概述3 1.1引言3 1.2设计任务3 1.3设计要求3 1.4课程设计任务书4 二 . 系统总体方案6 2.1对温度进行测量、控制并显示62.2方框图62.3设计电路图7三 . 各部分功能模块设计（功能描述）8 3.1 温度传感器8 3.2 运放电路103.3 A/D转换电路113.4数码管显示电路133.5元件清单14四 . 实验电路板视图15五 . 调试及总结16六 . 课程设计心得体会17六 .参考文献191.1 引言温度是一个基本物理量，也是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。温度的测量和控制技术应用十分广泛。在工农业生产和科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动地控制、调节该系统的温度。通过该设计我们可以直观看到温度视数变化，根据实际系统的需要调节系统温度，同时我们也可以通过报警电路发出警报后再进行调节。1.2 设计任务进一步熟悉模拟和数字设计方法和规范，并进一步巩固所学模拟电子及相关知识，达到综合应用电子技术的目的，培养设计开发以及动手实践等能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，独立思考分析，完整理总结设计报告。了解温度传感器件的功能，学会在实际电路中应用。进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。了解检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式也不同。运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试。学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析问题和解决问题的能力。1.3 设计要求 被测温度和控制温度均可数字显示； 测量温度为01200C，精度为050C； 控制温度连续可调，精度1OC； 2.1 对温度进行测量、控制并显示首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。可采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示2.2方框图VmaxVREFLEDR被测量控制系统温度传感器放大器低通滤波器译码驱动显示电路A/D转换器执行机构调温控制电路比较器（）扬声器或蜂鸣器报警控制电路比较器（）S说明： 传感器可以采用LM 35温度传感器，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去。如上图所示。2.3设计电路图3.1温度传感器AD590 要求对一个非电量（如温度、力矩、重量等）进行自动测量和控制，首先需将这一非电量转换成电量。完成这一过程的装置称为传感器。温度传感器的种类较多，常用的有：（1）热电偶 用两种不同材料的导体组成一个闭合回路。如果两端结点的温度不同，则在两者之间产生一电动势E，而在回路中有一定大小的电流。这个电动势或电流与两种导体的性质和结点温度有关。利用这种热电效应组成的温度传感器，称为热电偶。热电偶具有测量范围大等优点，但灵敏度较低。（2）半导体热敏电阻 由于非线性而影响其精度，不适宜在精度较高的温度控制系统中作传感器。（3）铂电阻温度传感器 测量范围大，精度较高，但成本高，适合在较大系统中使用。（4）集成温度电流传感器 如美国Analog Devices公司生产的AD590，它的测温范围为-50oC+150 oC，满刻度范围误差为0.3 oC，工作电压范围430V，电流温度灵敏度为1A/K，线性度良好，性能稳定，抗干扰能力强，其管脚排例如图2（a）。（a） AD590外形图 （b）AD590组成的温度检测电路图2AD590不能直接置于水中，需加防水但不隔热装置。由AD590组成的测温电路如图2（b）所示。因为OP07运算放大器的反相输入端电位VN=0V，故由基准源MC1403提供的电流I为：调节R即可改变I的大小。 因为AD590输出电流的温度灵敏度为1A/K,，而绝对温度与摄氏温度的关系为KC273.15。设要测量的温度为T（摄氏温度），则流过AD590的电流It为：流过反馈支路的电流If=It-I0=T+273.15-2.5/(Rp1+R)，可见若要使IfT，只要调节电位器RP1即可。此时放大器的输出电压为：Uo=(R2+Rp2).If=(R2+Rp2).T若要得到10mV/C的灵敏度输出，可选用R2=9.1K, Rp2=2K，故RP1为调零电位器，RP2为灵敏度电位器。3.2 运放电路LM324集成运放LM324 如图4，使用LM324 中的两块运放。第一块将Pt100 的电压信号进行跟随，目的是用集成运放的输入电阻高达107 以上（Ri），可将Pt100 上的电压信号几乎毫无衰减地全部传输到下一级放大。第二块放大的目的：其一是进行电压放大。通过调整20 k 电阻，使温度为100时候，输出电压为100 mV；其二，由- 5V 电源、1k、5.1k、510 可调电阻组成集成运放的辅助调零电路，目的是为实现电平移动，当输入信号为100 mV 时，输出电压0。LM324 是四运放集成电路，采用14 脚双列直插塑料封装，内部包含4 组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，4 组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1 所示的符号来表示，有5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列及原理图见图4。图4 LM324 四比例运算放大器管脚分布图及原理图3.3A/D转换电路 ICL7107是高性能、低功耗的三位半AD转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。ICL7107转化器原理图如图2.4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。图2.4 ICL7107转化器原理图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。 钓锁存器用来存放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图2.5所示图2.5双积分型A/D转换器的电压波形图 ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图2.6所示。 1 V+ OSC1 402 D1 OSC2 393 C1 OSC3 384 B1 TEST 375 A1 REF HI 366 F1 REF LO 357 G1 CREF+ 348 E1 CREF 339 D2 COMMON 3210 C2 I CL7107 IN HI 3111 B2 IN LO 3012 A2 A-Z 2913 F2 BUFF 2814 E2 INT 2715 D3 V- 2616 B3 G2 25 17 F3 C3 2418 E3 A3 2319 AB4 G3 2220 POL GND 21 图2.6 ICL7107管脚排列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。3.4数码管显示电路数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阴极是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每一LED的阴极分别为a,b,c,d,e,f,g及sp（小数点），它的内部结构图如图2.7所示。 a GbcdefgSP 图2.7 共阳极数码管内部结构 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。3.5元件清单元件名称元件型号及参数个数电阻15015.1K16.8K110K1100K2470K11M 1可调电阻5K2电容0.047 uF10.01 uF10.22 uF10.1 uF1100 pF1芯片及晶体管LM3241TL4311AD59013DG81ICL71071数码管共阳极数码管4显示室温电路图实验电路板调试与总结1 ）调试与测量数据我们要通过调试电路来发现设计电路的相关内容。（1）按照电路图对相关元件进行连接，其中注意芯片各管脚的作用以及该如何进行接线。（2）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。（3）（2）完成之后，观察数码管是否显示数值，然后改变基准电压，将其调至1V，确保LM324的2脚与3脚的电压与0相差不大，观察数码管是否随着温度变化而变化。（4）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对。为了验证设计电路的正确性以及它的实验数据，我们对实物进行验证。用设计制作成的电路测的室温与实际室温比较，相比较相差不大。参考文献：1 (电子技术应用)2 林占江. 电子测量技术. 北京: 电子工业出版社,20033 曹 辉,胡俊,黄均鼐. 数字式温度测量电路的设计及其实现.微电子学报,2001;(3)4 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，2001年5 温新宜，精选实用电子制作集锦，电子工业出版出版，1996年6 华容茂，闫军主编，数字电路与逻辑设计，吉