室内温光指示器.doc

测量技术课程设计一 名称：室内温度光强显示器二 简要说明：室内温度光强显示器由两部分电路组成，第一部分是由光敏电阻组成的光强显示电路，第二部分是由热敏电阻组成的温度显示电路。当室内光强明暗不同时，光强显示部分电路的指示灯发光盏数不同，发光盏数越多，则说明光强越强。温度显示电路则比较常见，工作状态就是随着温度的升高，数码显示管显示的温度值也随之升高，反之亦然。三 原理图1 光强部分显示电路在此部分电路中，应该使用一个光敏电阻，但在仿真软件中并没有找到光敏电阻，所以只用电阻进行替代，如想改变电压比较器负向输入端的电压值大小，只要调节滑动变阻器的阻值大小即可。因为在原光强显示电路中，光敏电阻的作用只是改变电路中电流的大小，使滑动变阻器所分担的电压值发生变化，在此电路中，调节滑动变阻器的阻值大小可以起到同样的效果。2 温度部分显示电路四 芯片功能本电路一共有种芯片，分别是LM339，ICL7107，光敏电阻，热敏电阻，电容，滑动变阻器，电阻，数码显示管，发光二极管，二极管。1LM339是一个电压比较器集成芯片，由四个电压比较器组成，下图分别给出了正向，负向输入端和输出端。当正向输入端输入的电压比负向输入端输入的电压大时，输出端输出高电平，当负向输入端输入电压比正向输入端输入电压大时，输出端输出低电平。2 icl7107是一个功能芯片，1 ICL7107是高性能，低功耗的三位半A/D转换器电路。它包含有七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动发光二极管（LED）。2 牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 5V ，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。3 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。4 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。1 光敏电阻是一种半导体器件，利用半导体的光电效应，当光照强时电阻值较小小，光照暗时电阻则变的比较大。2 热敏电阻是对温度敏感的半导体元件，主要特征是随着外界环境温度的变化，其阻值会相应发生较大改变。电阻值对温度的依赖关系称为阻温特性。这次课程设计我们选用的是正温度热敏电阻，简称PTC，其阻值会随着环境温度的升高而升高。3 数码显示管五 电路实现原理1 单元电路实现原理（1） 光敏电路实现原理本电路的实现原理比较简单，光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小。当光线较暗时，光敏电阻的阻值较大，滑动变阻器所分到的电压值比较小，输入到电压比较器负向输入端的电压值比正向输入端的电压小，电压比较器的输出端输出高电平，发光二极管的正极和负极均为高电平，发光二极管不能导通，不发光；当光照强度缓慢变强时，光敏电阻的阻值逐渐变小，电路中的电流值变大，滑动变阻器的阻值并没有变化，所分担的电压值变大，电压比较器正向输入端的输入电压值大小不变，而负向输入端输入的电压值逐渐增大，当负向输入端的电压值比正向输入端的电压值大时，电压比较器的输出端输出电平发生跃变，从高电平变为低电平，发光二极管正向导通，发光。（2） 热敏电路实现原理上图给出的是模拟部分电路，此部分的作用是比较和控制。ICL7107中的积分为双积分，分为正向积分阶段和反向积分阶段。在第一部分正向积分阶段，定时器进行计数，求基准电压对时间的积分，当定时器计数结束后，得到一个积分总量，这个量就是作为比较的基准量。在第二部分反向积分阶段，定时器计数，时长不确定，但积分总量已经确定，就是第一阶段正向积分的总量，当反向积分积得的总量和正向积分积得总量相同时，定时器停止工作，电压比较器发生跃变，并将跃变结果输入到数字电路部分。图示为数字电路部分，此部分的作用是计数并显示。图中所示的38，39，40三个管脚所接电路构成时钟电路，为数字电路部分提供时钟脉冲。当模拟电路进行积分时，数字电路部分计数器同时开始工作，但在正向积分阶段，计数器所计的数发生溢出，所致复位为零；在模拟电路进行反向积分时，计数器同样在工作，只是这次所计的数没有发生溢出。当模拟电路方向积分停止时，电压比较器发生跃变，将跃变结果输入到数字电路的控制逻辑部分，控制逻辑部分电路激活，发出信号使译码器开始工作，将计数器所记录的电压值进行显示。2 整体电路实现原理光强测量过程中发光二级管是否发光是由此二极管所对应的电压比较器是否发生跃变决定的，如果电压比较器跃变为低电平，发光二极管发光，如不跃变，则发光二极管不发光。而电压比较器是否发生跃变则要看电压比较器的负向输入端电压是否比正向输入端的输入电压大，如果大，则发生跃变。要实现发光二极管按设计要求逐个发光，则要求电压比较器按设计要求逐个发生跃变。光敏电阻的阻值大小随光照强度的增强而减小，导致电压比较器的负向输入端对应的滑动变阻器所分的电压值变大，从而电压比较器负向输入端输入的电压大小随光照强度增强而逐渐增大，故只要调整各电压比较器正向输入端所对应的滑动变阻器的阻值大小，将电压比较器的正向输入端的输入电压值大小调整为逐渐增加的状态，那么随着光照强度的增强，电压比较器负向输入端输入的电压值逐渐增大，电压比较器逐个发生跃变，从而导致发光二极管逐个发光，实现测量光照强度的功能。温度测量ICL7107内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。ICL7107用双积分的方法实现A/D转换。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号也控制着数字电路的工作状态和显示结果。双积分AD转换器的原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时的时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。积分电路对数字电路进行控制，决定其何时开始计数，何时停止计数并输出所记录的数据。上面已经介绍过积分电路和数字电路的工作了，其实这个电路是一个测量电压的电路，只是通过热敏电阻的阻值变化来调节输入端的电压值，从而使显示数字发生变化。我们要做的就是调节滑动变阻器的阻值，使所测输入电压的变化值和显示的数值变化相同。热敏电阻的阻值随温度变化而使测量输入电压随之发生变化，由于电压变化值和显示数字变化值相同，这样就实现了感应温度变化的功能。六 电路的制作和实验测试我在本次课程设计过程中主要负责温度显示部分电路我们这次的课程设计可以分为两个小部分，第一部分是光强显示部分，第二部分是温度显示部分。我们在实际完成过程中也是按照两部分来制作和检验的。第一部分是光强显示电路，这部分主要由我组其他成员完成。光强显示部分完成后，再将温度测量部分添加进去。温度测量部分的主要元件就是ICL7107功能芯片，其余元件只是完成它的外接辅助电路。我们按照电路图中各元件的位置进行排版，由于没有买到三位半数码显示管，所以我们就用四个共阳极的数码显示管替代。虽然我们的电路看起来不复杂，但制作过程却很繁琐，因为所有的外接电路都聚集在一起，我们又要给传感器周围留出空间，多一个芯片的位置还是比较紧凑，并且电路中的一些电容值为非标准值，我们只能通过几个电容的串联或并联组合来凑电容值，这就导致很多电容挤在一起，焊接就跟困难了。除了芯片部分的制作外，焊接数码管也很麻烦，因为数码管需要安排在一起，所有管脚都挨在一起，布线就显得分凌乱，焊接也很困难。电路制作完成后，我们还是用万用表检查电路，这次用到一个比较复杂的芯片，检查起来就更认真了，因为一旦由于电路焊接错误而导致芯片烧毁，那就更麻烦了。经过几次认真的检查，在确保电路没有焊接问题后，我们才敢上电测试。测试结果让我们很受打击，数码管根本不发光，芯片不工作。我们通过在网上查找相关电路进行比较，又和ICL7107芯片的PDF资料中的典型电路图进行比较，初步觉得是电路图出现错误，电路图中的个别管脚连接有错误，我们又按照PDF资料中的图逐块进行修改，最后终于实现功能。下图是我们截取的一张电路工作图片，在测量光强的四个发光二极管中，只有显示光线较弱的蓝色发光二极管被点亮，因为光敏电阻被遮挡，光敏电阻感知的光线强度较弱。温度显示部分显示的室温为36，比实际温度略高，但温度显示部分电路还是难够比较灵敏的感知温度的变化并随之显示出来。七 课程设计收获此次课程设计完成的比较坎坷，遇到了不少困难，但也从中学到了不少知识。在课设开始初期，我们在选题上就遇到了麻烦，想做一个新颖的东西，但这个东西有不能太复杂，还得有实用价值，经过讨论，初步定做“温控百叶窗”，但在接下来的制作初期就遇到了困难怎么实现温度的测量和百叶窗的自动调节。比较常用的温度控制电路是单片机电路，但单片机的编程和外部电路的连接对我们也是新知识，如果用电机来实现百叶窗的转动，又牵扯到一个电机控制问题，电机的转速一般都比较快，而我们的百叶窗转动角度比较小，而且电机的惯性如何克服也是一个问题，如不克服电机惯性，百叶窗的转动精度将会受到很大影响。经过小组讨论，我们觉得这个题目所需的新知识太多，制作有比较大的困难，所以决定换一个简单一点的题目温度计。初步决定还是用单片机来实现温度的测量和显示，电路结构比较简单，当我们把电路焊接完成后，单片机的程序设编写和单片机程序的烧制又成为了新问题，程序变好了，老师检查也没有问题，但仿真总是不能通过，并且学校也没有很好的单片机烧制器，并且课程设计结束的时间越来越近，无奈之下我们只好换方案，不用单片机来实现温度的测量和显示，用一个功能强大的芯片来实现温度的测量和显示，经过查书和资料，发现ICL7107具有实现温度测量和显示的功能。我们觉得要想测量环境情况，可以再增加一个光强显示电路，通过查找资料，确定了这次光强显示电路。电路制作结束后，在调试过程中也遇到不少问题，经过查找资料，对电路图进行了一系列修改后，功能总算实现了。我们这个学期一共有三个课程设计，时间比较紧，而且这个课程设计与其它两个有很大不同