数字温度计设计报告

1、数字温度计设计报告课程名称： 电子课程设计院别：武警工程学院专业 :指挥自动化班级：二队一区队姓 名： 王凯 (03) 田腾浩 (23) 指导教师： 邹涛时间:2010年 1月 12日主要内容：设计一个数字温度计，测量范围：0100 C。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. 画出系统原理电路图。3. 用MULTISIM进行仿真实验。4. 按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。主要参考资料：1 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001.2 彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，1997.3 孙梅

2、生.电子技术基础课程设计M.北京：高等教育出版社，1998.4 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计 M.北京：电子工业出版社，2002.完成期限 一、任务技术指标主要内容：设计一个数字温度计，测量范围：0100 C。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. 画出系统原理电路图。3. 用MULTISIM进行仿真实验。4. 按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档二、总体设计思想1. 基本原理由于温度计的应用很广，所以温度计的设计也不完全一样。以前一般采用热电偶、玻璃液体温度计、 双金属温度计、压力式温度计、热电阻和非接触式温度计等进行

3、温度测量。其中热电偶的温度测量范围较 宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、 数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将 小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读数。在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时 间监测，且要求能够快速准确地读数。此时，上述各类温度计则难以胜任。而如果将热电偶产生的热电动 势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应迅速，测量精 度高，功耗小，显示直观。因此，由热电偶、A/D转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗

4、高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。但在本 设计中，数字温度计应用的对象是一般家庭里，主要包括以下几部分：(1) .取样电路温度传感器就是能将温度信号反映到电信号上去，这个我们可以用热敏电阻及一些热传感器来实现， 由于热敏电阻的阻值与温度不成线性关系，所以这里主要是用温度传感器将温度信号线性地反映到电压上 来实现温度取样，测量温度信号为模拟量。(2) .放大电路放大电路可以有三极管放大或是用集成运算放大器放大，由于在这里放大器的功能是为了调节传感器 与A/D转换器的关系，故可以用集成运算放大器通过负反馈组成任意比例电路，根据芯片的参数需要而

5、选 择适当的放大倍数。(3) .驱动电路驱动电路是为了让显示器将 A/D所转换的数据无误地表现出来。这里主要是驱动LED显示及保护LED的电路，要想让LED正常工作，必需提供适当的电压，保证电流不能超过LED的最大电流，以免烧坏 LED管。在这里主要包括一些三极管及电阻，配合驱动电路来制LED控显示。(4) .A/D转换及分析A/D转换主要的任务是对模拟电信号进行分析，将其信号转换成数码显示出来，可能的话还可以对信 号进行分析预处理。这里也主要是采用MC14433芯片，采用这个芯片可以大大减少A/D转换及译码电路，因为它本身输出就是 BCD码，而且是按十进制位串行输出的，同时它还包含了时序电路

6、即用来串行输出用 扫描显示用的电路及超过适用范围时发出提示信号，极大简化了电路，从而提高了电路的稳定性及减少功 耗。(5) .显示电路显示电路可以用各种类型的七段LED显示，出于对器件考虑，在这里仅用最常见的7段码显示即可。2. 系统框图模拟 采样 转化 电信 号信号放大A/D转换编码译码电路显示系统超过温度提示图1数字温度计设计框图三、具体设计A/D转换分析、驱动电路及显示五部分组本设计主要构成部分应该是由模拟传感器、线性放大电路、 成。下面从五部分分别进行比较设计，然后总体连接.1.传感电路(1)传感器元件介绍：温度传感器：按照温度传感器输出信号的模式，可大致划分为三大类：数字式温度传感器

7、、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。一、模拟温度传感器传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、 线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片 IC 上，有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM35 、LM335、LM45 、AD590 电流输出型。这里主要介绍该类器件的几个典型。1、 AD590 温度传感器AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为330V，输出电

8、流223 A （-50C） 423讣（+150 C）,灵敏度为1卩AC。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MD，所以它不必考虑选择开关或 CMOS 多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测 量的控制。2、 LM135/235/335 温度传感器LM135/235/335系列是美国国家半导体公司（NS ）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作 特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1Q的动态阻抗，工作电流范围从400 H到5mA，精度为

9、1C, LM135的温度范围为-55C +150 C, LM235的温度范围为-40 C +125C, LM335为-40 C +100 C。封装形式有 TO-46、TO-92、SO-8。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量 以及温度补偿系统中。二、逻辑输出型温度传感器 在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出 式温度传感器。 LM56 、 MAX6501 -MAX6504 、 MAX6509 /6510是其典型代表。1 、 LM56 温度开关LM56是

10、NS公司生产的高精度低压温度开关，内置1.25V参考电压输出端。最大只能带50 的负载。电源电压从2.710V，工作电流最大230 A,内置传感器的灵敏度为 6.2mV/C，传感器输出电压为6.2mV/ C XT+395mV。2、 MAX6501/02/03/04 温度监控开关MAX6501/02/03/04是具有逻辑输出和 SOT-23封装的温度监视器件开关，它的设计非常简单，直接将其接入电路即可使用，无需任何外部元件。其中 MAX6501/MAX6503 为漏极开路低电平报警输出，MAX6502/MAX6504 为推/拉式高电平报警输出，MAX6501/MAX6503 提供热温度预置门限（

11、35 C到+ 115C）,当温度高于预置门限时报警；MAX6502/MAX6504 提供冷温度预置门限（-45 C到+15C）,当温度低于预置门限时报警。 对于需要一个简单的温度超限报警而又空间有限的应用如笔记本电脑、蜂窝 移动电话等应用来说是非常理想的，该器件的典型温度误差是）.5 C，最大TC,滞回温度可通过引脚选择为2C或10C，以避免温度接近门限值时输出不稳定。这类器件的工作电压范围为2.7V到5.5V，典型工作电流30 Ao三、数字式温度传感器如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。同样，当A/D和微处理器的I/O管脚短缺时，采用时间或频率输出的温度传感器也能解决上述

12、测量问题。1 、 MAX6575 /76/77 数字温度传感器MAX6575/76/77 系列 SOT-23 封装的温度传感器为例，这类器件可通过单线和微处理器进行温度数据 的传送，提供三种灵活的输出方式-频率、周期或定时，并具备 ）.8C的典型精度，一条线最多允许挂接8个传感器，150 典型电源电流和2.7V到5.5V的宽电源电压范围及-45C到+125 C的温度范围。它输出 的方波信号具有正比于绝对温度的周期，采用6脚SOT-23封装，仅占很小的板面。该器件通过一条I/O与微处理器相连，利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。 2、可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器DS1

13、612DS1612 是美国达拉斯半导体公司生产的 CMOS 数字式温度传感器。内含两个不挥发性存储器，可以 在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制，由于这些存储器具有不挥发性，因此一 次定入后，即使不用 CPU 也仍然可以独立使用。温度测量原理和精度：在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器(0SC1)和一个温度系数较小的振荡器(0SC2)。在温度较低时，由于 0SC2的开门时间较短，因此温度测量计数器计数值(n)较小；而当温度较高时，由于0SC2的开门时间较长，其计数值( m)增大。如果在上述计数值基础上再加上一个同实际温度相差的校正数据，就可以构成一个高精度的数

14、字温度传感 器。该公司将这个校正值定入芯片中的不挥发存储器中，这样传感器输出的数字量就可以作为实际测量的 温度数据，而不需要再进行校准。它可测量的温度范围为-55C +125 C,在OC +70C范围内，测量精度为).5C，输出的9位编码直接与温度相对应。DS1621 同外部电路的控制信号和数据的通信是通过双向总线来实现的，由CPU 生成串行时钟脉冲(SCL)， SDA 是双向数据线。通过地址引脚 AO、A1、A2 将 8个不同的地址分配给各器件。通过设定寄 存器来设置工作方式，并对工作状态进行监控。被测的温度数据被存储在温度传感器寄存器中，高温(TH )和低温(TL)阈值寄存器存储了恒温器输

15、出(Tout)的阈值。现在，各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。比如，MAXIM 公司近期推出的 MAX1619 是一种增强型精密远端数字温度传感器，能够监测远端 P-N 结和其自身封装的温度。 它具有双报警输出： ALERT 和 0VERT。 ALERT 用于指示各 传感器的高 /低温状态， 0VERT 信号等价于一个自动调温器，在远端温 度传感器超上限时触发， MAX1619 与 MAX1617A 完全软件兼容，非常适合于系统关断或风扇控制，甚至 在系统死锁”后仍能正常工作。美国达拉斯半导体公司的DS1615是有记录功能的温度传感器。器件中包含实时时钟、数字式温度传感器、非易失性存储器

16、、控制逻辑电路以及串行接口电路。数字温度传感器的 测量范围为-40 C +85 C,精度为 C,读取9位时的分辨率是0.03125 C。时钟提供的时间从秒至年月， 并对到2100年以前的闰年作了修正。电源电压为2.2V5.5V , 8脚SOIC封装。DS17775是数字式温度计及恒温控制器集成电路。其中包含数字温度传感器、 A/D 转换器、数字寄存器、恒温控制比较器以及两线 串行接口电路。供电电压在 3V至5V时的测量温度精度为 戈C,读取9位时的分辨率是0.5C，读取13 位时的分辨率是 0.03125C。(2)传感器器件选择 : 综上所诉, 根据需要和比较我们选择了 模拟温度传感器 LM3

17、5. 它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。因而，从使用角 度来说，它与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供 1/4 C的常用的室温精度。LM35 具有以下特点：(I) 工作电压：直流 430V;(2) 工作电流：小于 133(3)输出电压：+6V-1.0V;(4)输出阻抗：1mA负载时0.1吐(5)精度：0.5C精度(在+25 C时);(6)漏泄电流：小于 60 yA;(7)比例因数：线性 +10.0mV/C；(8)非线性值： 1/4C；(9)校准方式：直接用摄氏温度校准；(10)封装：密封 T0-46 或

18、塑料 T0-92 晶体管封装；(II) 使用温度范围：-55+150 C额定范围传感器电路采用核心部件是LM35AH，供电电压为直流15V时，工作电流为120mA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。电压输出采用差动信号方式，由2、3 引脚直接输出，电阻 R 为 18K普通电阻，D1、D2为1N4148。传感器电路原理如图LM35ih inf hitjnit2信号放大器电路（1）放大器期间介绍：按照集成运算放大器的参数来分，放大器可分为如下几类。1 通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例卩A

19、741 （单运放）、LM358 （双运放）、LM324及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是应用最为广泛的集成运算放大器。2高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电 压较大。常见的集成器件有 LF355、LF347及更高输入阻抗的 CA3130 CA3140等。3 低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等 自动控制仪表中，总是希望

20、运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07 OP27 AD508及由MOSFE组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4 高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BW（一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318卩A715等，其SR=5070V/us, BWGk20MHz5 低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，

21、所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为土 2V 18V,消耗电流为 50250卩A。有的产品功耗已达 卩W级，例如ICL7600的供电电源为 1.5V，功耗为10mVy可采用单节电池供电。6 高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏， 输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流 集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电

22、源电压可达 150V,卩A791集成运放的输出电流可达 1A。（2）选择放大器种类总体分析上诉运放种类，根据我们获得是一弱信号这一现实，我们决定选用低温漂型运算放大器OP07 Op - 07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于 OP-07A最大为25叮)，所以OP-07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(OP-07A为翌nA)和开环增益高(对于 OP-O7A为300V/mV )的特点，这种低失调、 高开环增益的特性使得 OP-O7特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP-07具有以下特

23、点：(1)超低偏移：150叮最大；(2)低输入偏置电流：1.8nA;(3)低失调电压漂移：0.5卩VT;(4)超稳定，时间：2卩V/mon th最大;(5)高电源电压范围：3V至22V.它的引脚如图所示：匚1 o81匚2736匚451引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5 空脚6为输出，7接电源+。LM35和OP-07组成的信号采集电路3.模数转换电路(1) A/D转换器件简介类型简介如下表所示:翅11 1棘帝习翅香4魏氏摄MiMi： sm糕肌喷瞬 据協賄細怕佩讖删鵬删瞬爛關 鯨將獭谢諭鳩娜狐琦1A翎捌酬烦WM郦柳-騁画癇陀 DCim ADCMS.

24、肛瀏線卿臓匪瞬錢朋1%炜麒瞒iH癖葩卿站做帽 ii搦雜刊觀僭眦ffleiw-廠 wts 騁擞釀船做邇电鑑 雄目蹦林泄Ij毓蜩同总感号規林臨劭你 鶴B酚咖瞬* MW紳刷彌螂 1熬搦隔硯经務帥題耶诵滋靜転飙貢OTWSMWSi哪题蘇蹶WI几种集成ADC参数型号位数转换时间精度说明AD9002AD8125MHz0.5LSB并行型，不用S-HAN68591020M 1LSB并行型，不用S-HAD7824KN82卩s 1LSB串/并行型，4通道AD578125 s0.075%FSR串/并行型ADC08098100(1 s 1LSB逐次比较型，8通道AD574A1225 i s 0.0125%FSR逐次比较

25、型ICL71151440 i s 0.1%FSR逐次比较型MAX195169.4 s 0.003%FSR逐次比较型，串行输出ICL71073位半BCD333ms1字双积分，带显示驱动ICL71354位半BCD333ms1字双积分，分时输出AK5326-VP1648kHz 5%FSR工-型，串行输出，双通道AD7710241 kHz 0.005%FSR工-型，双通道，带可编程 放大器和滤波器AD照，根据情况我们选择了双积分式的ICL7107。其优点是高性能、低功耗的三过上面两个表进行对位半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，不需要更多的译码器，这给我们连接电路或者分析

26、电路提供了一定的方便。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/C，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，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：分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。驱动器：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。A/D转换器能循环进行。5 T十A控制器的作用

27、有三个：JUL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,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。ICL7107AD转换器的管脚排ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图:J1 V+OSC1 402 D1OSC2 393 C1OSC3 384 B1TEST 375 A1REF HI 366 F1REF LO 357 G1CREF+ 348 E1CREF 339 D2COMMON 3210 C2I CL7107IN HI 3111 B2IN LO 3012 A2A-Z 2913 F

28、2BUFF 2814 E2INT 2715 D3V- 2616 B3G2 2517 F3C3 2418 E3A3 2319 AB4G3 2220 POLGND 214.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所示。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。5.报警电路(1)报警电路简介

29、经运用所学电子技术知识及搜集资料，可知双限温度比较器的实现方案有如下三种。万案一盯Q2R31财ttkfi1674LSMC14317 RE)1Iy22EhF-WVD1心1N 1302CEIUZZER200虫讷 VDI3Utth1ribVD2 每 |TJntr-K?ju1021*却能t仍 D4D5 D6基于非门的双限温度报警电路将74LS04D拆分得分立元件图，如图 2所示：匚RI限1C(DI “ M)图2、基于非门的双限温度报警电路分立元件图1电路组成该双限温度报警器电路报警电路组成，如图1所示：温度检测/指示电路包括：热敏电阻器RT电位器RPI、RP2电阻器R1R4晶体管VI、V2、发光二 极

30、管VLI、VL2和非门集成电路IC(DI D2)；报警电路包括：IC内部的D3-D6、电阻器R4、R5电容器Cl、C2二极管VD1、VD2和蜂鸣器HA组 成。其中D3 D4和R4 CI组成IHz超低频振荡器，D5、D6和R5 C2组成IkHz音频振荡器。2、工作原理RP1用来设定温度的上限值，RP2用来设定温度的下限值。在受监控处温度在设定的温度范围内时，DI输出高电平，D2输出低电平，VI和V2均截止，VLI和VL2均不发光，VDI处于导通状态，IH，超低频 振荡器和IkHz音频振荡器不振荡，HA不发声。当温度超过设定温度的上限值时，RT的温度减小，RPI中点电位上升，使 DI输出低电平，V

31、I导通，VLI点亮，指示温度超过上限；同时 VDI截止，IHz超低频振荡器和IkHz音频振荡器振荡工作，IHz超低 频信号对IkHz音频振荡器进行调制，使 HA发出断续的报警声。当温度低于设定温度的下限值时，RT的阻值增大，使 RP2的中点电位下降，D2输出高电平，V2导通,VL2点亮，指示温度低于下限；同时IHz超低频振荡器和IkHz音频振荡器振荡工作，HA发出报警声。基于集成电路的双限温度报警电路1电路组成该双限温度报警器电路由温度检测控制电路、温度指示电路和声音报警电路组成，如图所示： 温度检测控制电路包括：智能型温度传感器集成电路IC1，RP1和RP2;温度指示电路包括：VL1、VL2

32、 ；声音报警电路包括：音效集成电路IC2，电阻器R5、晶体管V3和扬声器BL组成。2、工作原理当温度适宜(被测温度在报警温度的上限值和下限值之间)时，ICI的6脚输出低电平，7脚输出高电平，V1和V2均处于截止状态，VU和V L2均不发光，IC2和V3不工作，BL不发声。当被测温度降至报警温度的下限值时，IC1的7脚由高电平变为低电平，使 V2导通，V L2点亮，指示被测温度偏低；同时IC2通电工作，其输出的音效电信号经V3放大后，驱动BL发出报警声。指示被测温度偏高；同时IC2通电工作，BL发出报警声。方案二:基于运算放大器的双限温度报警器1电路组成该双限温度报警器电路由温度检测放大电路、超低频振荡器、声音报警电路和电源电路组成，如图4所示：温度检测放大电路包括：热敏电阻器RT电阻器RI-R4、电位器RPI、RP2电容器Cl、C2、二极管VDI和运算放大器集成电路 ICI(NI N4)内部的N2、N3;超低频振荡器包括：IC1内部的N1、N4电阻器R&R12、电容器C3 C4和发光二极管 VL2、VL3; 电源电路包括：电源变压器T、整流桥堆UR滤波电容器 C