數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì).doc

數(shù)字溫度計(jì)摘 要：溫度計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)和人們的生活中都有廣泛應(yīng)用。該設(shè)計(jì)是數(shù)字溫度計(jì)，首先是對(duì)總體方案的選擇和設(shè)計(jì)；然后通過(guò)控制LM35進(jìn)行溫度采集；將溫度的變化轉(zhuǎn)為電壓的變化，其次設(shè)計(jì)電壓電路，將變化的電壓量通過(guò)放大系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為所需要的電壓；再通過(guò)TC7107將模擬的電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管LED對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。最后在Proteus仿真軟件中構(gòu)建了數(shù)字溫度計(jì)仿真電路圖，仿真結(jié)果表明：在溫度變化時(shí)，可以通過(guò)電壓的變化形式傳遞，最終通過(guò)3位十進(jìn)制數(shù)顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞：溫度計(jì) ；電路設(shè)計(jì) ；仿真全屏閱讀 關(guān)閉全屏閱讀 目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求12 方案設(shè)計(jì)與論證13 單元電路的設(shè)計(jì)及仿真2 3.1傳感器2 3.2放大系統(tǒng)2 3.3 A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字顯示44 總電路設(shè)計(jì)及其仿真調(diào)試過(guò)程6 4.1總電路設(shè)計(jì)6 4.2仿真結(jié)果及其分析75 結(jié)論與心得96 參考文獻(xiàn)111 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 溫度計(jì)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中最常用的測(cè)量?jī)x表。本課題要求用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)并制作一數(shù)字式溫度計(jì)，即用數(shù)字顯示被測(cè)溫度。具體要求如下： （1）測(cè)量范圍0100度。 （2）測(cè)量精度0.1度。（3）3位LED數(shù)碼管顯示。掌握線性系統(tǒng)的根軌跡、時(shí)域和頻域分析與計(jì)算方法； （2）掌握線性系統(tǒng)的超前、滯后、滯后-超前、一二階最佳參數(shù)、PID等校正方法；（3）掌握MATLAB線性系統(tǒng)性能分析、校正設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)的基本方法。2 方案設(shè)計(jì)與論證數(shù)字溫度計(jì)的原理是：通過(guò)控制傳感器進(jìn)行溫度采集，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化；然后設(shè)計(jì)電壓電路，將變化的電壓通過(guò)放大系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為需要的電壓；再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。原理框圖如圖2-1所示：A/D轉(zhuǎn)換 顯示 放大系統(tǒng) 傳感器 圖2-1 數(shù)字溫度計(jì)原理框圖 由設(shè)計(jì)任務(wù)與要求可知道，本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要分為四個(gè)部分，即傳感器、放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及顯示部分。經(jīng)過(guò)分析，傳感器可以選擇對(duì)溫度比較敏感的器件，做好是在某參數(shù)與溫度成線性關(guān)系，比如用溫敏晶體管構(gòu)成的集成溫度傳感器或熱敏電阻等；放大系統(tǒng)可以由集成運(yùn)放組成或反相比例運(yùn)算放大器；A/D轉(zhuǎn)換器需要選擇有LED驅(qū)動(dòng)顯示功能的，而可供選擇的參考元件有ICL7107，ICL7106，MC14433等；顯示部分用3位LED數(shù)碼管顯示。 方案一：用一個(gè)熱敏電阻,通過(guò)熱敏電阻把溫度轉(zhuǎn)化為電壓,再得到每一度熱敏電阻的電壓變化值,用LM324運(yùn)放做成乘法器,使電壓乘以一個(gè)比例系數(shù),使一度的變化得到一個(gè)整數(shù)變化的電壓值,然后送入MC14433（A/D轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示。 方案二：用集成溫度傳感器把溫度轉(zhuǎn)化為電壓，在把每一度的電壓變化值通過(guò)LM324集成運(yùn)放進(jìn)行放大，使其放大的信號(hào)應(yīng)能滿足ICL7107數(shù)模轉(zhuǎn)換的要求進(jìn)行數(shù)字顯示。由于MC14433模數(shù)轉(zhuǎn)換器的顯示部分需要驅(qū)動(dòng)器CD4511，基準(zhǔn)電壓又需要一個(gè)MC1403，也就是需要外接的電路和元件相對(duì)復(fù)雜和麻煩。而31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內(nèi)已經(jīng)集成了模擬電路部分和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就成了模擬電路和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示。因此選用方案二。設(shè)計(jì)初稿中的元器件大多是通過(guò)參考書(shū)和網(wǎng)上的資料定下來(lái)的，Multisim是最常用的仿真軟件。首次選用Multisim進(jìn)行仿真，可是在Multisim里始終找不到需要的仿真模型，最后選用Proteus進(jìn)行仿真。到了Proteus仿真軟件里，很多元器件還是沒(méi)有仿真模型，只能折中選用仿真模型里有的。比如放大電路由LM324取代了LM741, A/D轉(zhuǎn)換器由TC7107取代了ICL7107等等。主要參考元器件有：LM35，LM324，TC7107，電阻及電容若干。 3 單元電路的設(shè)計(jì)及仿真3.1溫度傳感器集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片上的集成化溫度傳感器，這種傳感器最大優(yōu)點(diǎn)是：直接給出正比于熱力學(xué)溫度的理想的線性輸出，另外體積小，成本低廉。因此，它是現(xiàn)代半導(dǎo)件溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。目前，已廣泛應(yīng)用于-55150溫度范圍內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)脑S多場(chǎng)合。由于本設(shè)計(jì)要求，測(cè)溫范圍為0100，故此集成溫度傳感器滿足要求。3.2放大系統(tǒng)放大系統(tǒng)是把溫度傳感器輸出的弱信號(hào)放大，將每一攝氏度對(duì)應(yīng)的電壓以整數(shù)輸出，可以利用集成運(yùn)放LM324組成兩個(gè)反相比例放大電路，由于溫度傳感器輸出的電壓與溫度的線性關(guān)系為10mv/，即溫度每升高1電壓升高10mv,因此可以使得電壓通過(guò)反相比例運(yùn)算電路放大10倍，即1對(duì)應(yīng)電壓為100mv。（1）反相運(yùn)算器電路結(jié)構(gòu)：圖3-1 反相運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)圖 如圖3-1所示，該圖為反相運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖中的 R1：輸入電阻 Rf：反饋電阻，引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋 R2：平衡電阻，要求 R2=R1/Rf （2）電壓放大倍數(shù)：V0和Vi成比例關(guān)系，比例系數(shù)為-Rf/Ri，負(fù)號(hào)表示V0和Vi反相比例系數(shù)的數(shù)值可以是大于、等于或小于1的任何值。通用型低功耗集成四運(yùn)放LM324，內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立的高增益、頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，既可接單電源使用(330v)，也可接雙電源使用(1.515v)，驅(qū)動(dòng)功耗低，可與TTL邏輯電路相容。故選用LM324進(jìn)行放大系統(tǒng)。 參數(shù)計(jì)算：U3：A（反相比例運(yùn)算放大器）用電壓放大倍數(shù)選擇輸入電阻和反饋電阻，選用輸入電阻R4=1k，故反饋電阻R3=10.03k。平衡電阻R6=R4/R3=1.1k。放大后的電壓為負(fù)電壓，所以還需要級(jí)聯(lián)一個(gè)U3：B（同比例反相器），選用輸入電阻R8=10k，反饋電阻R9=10k，平衡電阻R7=R8/R9=5k，使它由負(fù)電壓變?yōu)檎妷骸７糯笙到y(tǒng)電路，如下圖所示：圖3-2 兩個(gè)反相器構(gòu)成的放大系統(tǒng)如圖3-2所示，給放大電路一個(gè)初始電壓，例：V1=0.36v時(shí)，經(jīng)一個(gè)10倍的反相運(yùn)算放大器放大后，電壓為-3.59v，經(jīng)一個(gè)同比例反相運(yùn)算放大器后，電壓為+3.59v。仿真與理論存在微小誤差(在可允許范圍類), 故放大系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)成功。3.3 A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字顯示TC7107是一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路，它包含31/2位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器可直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓獨(dú)立模擬開(kāi)關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)零功能等。31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器TC7107的引腳圖和管教圖以及功能簡(jiǎn)介31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器TC7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內(nèi)已經(jīng)集成了模擬電路部分和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就成了模擬電路和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。TC7107內(nèi)部電路含有模擬電路和數(shù)字電路兩大部分。TC7107的管腳圖，如下所示：圖3-3 TC 7107如圖3-3所示，介紹TC7107各管腳的功能： 1端：V+為電源正極。 26端：V-為電源負(fù)極。 19端：AB4，千位數(shù)筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，由于31/2位的計(jì)數(shù)滿量程顯示為“1999”，所以AB4輸出端應(yīng)接千位數(shù)顯示器顯示“1”字的b和c筆段。 20端：POL，極性顯示端（負(fù)顯示），與千位數(shù)顯示器的g筆段相連接（或另行設(shè)置的負(fù)極性筆段）。當(dāng)輸入信號(hào)的電壓極性為負(fù)時(shí)，負(fù)號(hào)顯示，如“-19.99”；當(dāng)輸入信號(hào)的電壓極性為正時(shí)，極性負(fù)號(hào)不顯示如“19.99”。 21端：POL，液晶顯示器背電極，與正負(fù)電源的公共地端相連接。 27端：VINT，積分器輸出端，外接積分電容C（一般取C=0.22Fm）。 28端：VBUFF，緩沖放大器輸出端，外接積分電阻R（其值在滿刻度200mV時(shí)選用47K，而2V滿刻度則使用470K）。 29端： CAZ，積分器和比較器的反相輸入端，接自校零電容C（如果應(yīng)用在200mV滿刻度的場(chǎng)合是使用0.47F，而2V滿刻度是0.047F。）。 30、31端：VIN-、VIN+，輸入電壓低、高端。由于兩端與高阻抗CMOS運(yùn)算放大器相連接，可以忽略輸入信號(hào)的注入電流，輸入信號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)1000k電阻組成的濾波電路輸入，以濾除干擾信號(hào)。 28端：個(gè)位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與個(gè)位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。 914、25端：十位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與十位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。 1518、2224端：百位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與百位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。 32端：ACOM，模擬公共電壓設(shè)置端，一般與輸入信號(hào)的負(fù)端，負(fù)基準(zhǔn)電壓端相接。 33、34端：CREF-、CREF+，基準(zhǔn)電容負(fù)壓、正壓端，它被充電的電壓在反相積分時(shí)，成為基準(zhǔn)電壓，通常取REFC=0.1F。 35、36端：VREF-、VREF+，外接基準(zhǔn)電壓低、高位端，由電源電壓分壓得到。 37端：TEST，數(shù)字地設(shè)置端及測(cè)試端，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的500電阻與GND相連。 38、39、40端：OSC31，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的振蕩器的引出端，外接阻容元件。振蕩器主振頻率f與R、C的關(guān)系。 因?yàn)樾酒琓C7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，適合于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，并且TC7107芯片內(nèi)部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，所以顯示方式采用共陽(yáng)極數(shù)碼管LED顯示，由于TC7107沒(méi)有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用時(shí)可將共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管的公共陽(yáng)極接V+，小數(shù)點(diǎn)接GND時(shí)點(diǎn)亮，接V+時(shí)熄滅。數(shù)碼顯示部分由3個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。4 總電路設(shè)計(jì)及其仿真調(diào)試過(guò)程4.1總電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)知，本系統(tǒng)由傳感器、放大系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼顯示四部分組成，按照要求將四部分在Proteus仿真軟件上級(jí)連起來(lái)繪出總的電路原理圖?？傠娐吩韴D，如下圖4-1所示：圖4-1 總電路原理圖 特別注意： 1) Proteus里的7107有點(diǎn)問(wèn)題，30、32這兩個(gè)引腳不能與電源共地。意思是說(shuō)電壓輸入電路自己構(gòu)成回路即可。不可添加電源地的符號(hào)。（注意理解地的含義） 2)參考電壓部分通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)制到10v。3)電源部分注意標(biāo)號(hào)，例如：+15和+15v（v不區(qū)分大小寫(xiě)）不同，應(yīng)為后者。4.2仿真結(jié)果及其分析改變溫度傳感器的溫度；觀察輸出變化的溫度信號(hào)電壓（即放大電路輸出電壓）；檢查控制是否符合要求；LED顯示是否正確。任選三個(gè)溫度值（例：0、36、100）對(duì)總電路進(jìn)行調(diào)試分析。1.溫度計(jì)為0，如下圖所示：圖4-2 溫度計(jì)為0時(shí)如圖4-2所示，當(dāng)溫度傳感器溫度為0時(shí)，放大輸出電壓為0v，數(shù)碼顯示部分為0，故該數(shù)字溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)成功。2.溫度計(jì)為36，如下圖所示：圖4-3 溫度為36時(shí)如圖4-3所示，當(dāng)溫度傳感器溫度為36時(shí)，放大輸出電壓為3.61v，數(shù)碼顯示部分為35.9，仿真與理論存在微小誤差(在可允許范圍類)，故該數(shù)字溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)成功。3.溫度計(jì)為100，如下圖所示：圖4-4 溫度為100時(shí)如圖4-4所示，當(dāng)溫度傳感器溫度為100時(shí)，放大輸出電壓為10v，數(shù)碼顯示部分為99.9，仿真與理論存在微小誤差(在可允許范圍類)，故該數(shù)字溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)成功。5 結(jié)論與心得溫度計(jì)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和人們的生活中。該設(shè)計(jì)是數(shù)字溫度計(jì)，首先是對(duì)總體方案的選擇和設(shè)計(jì)；然后通過(guò)控制LM35進(jìn)行溫度采集，將溫度的變化轉(zhuǎn)為電壓的變化；其次設(shè)計(jì)電壓電路，將變化的電壓量通過(guò)放大系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為所需要的電壓，調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)放大電路的放大倍數(shù)不正確，為0.05倍，經(jīng)檢查電路發(fā)現(xiàn)，反饋電阻和平衡電阻阻值不正確，由圖3-1運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)、電壓放大系數(shù)和平衡電阻的要求修改其阻值，得出放大倍數(shù)正確為10倍（有微小誤差）；再通過(guò)TC7107將模擬的電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管LED對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示；最后通過(guò)對(duì)各個(gè)可以仿真的電路圖在Proteus軟件上進(jìn)行必要的仿真和調(diào)試，對(duì)一些電阻和電容的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模赑roteus仿真軟件中構(gòu)建了數(shù)字溫度計(jì)仿真電路圖，仿真結(jié)果表明：在溫度變化時(shí)，可以通過(guò)電壓的變化形式傳遞，最終通過(guò)3位十進(jìn)制數(shù)顯示出來(lái)。 總電路圖基本上能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的實(shí)踐。有些理論可能不是很完善，但與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比該數(shù)字溫度計(jì)具有示數(shù)直觀，精度高，測(cè)量范圍廣，功能易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)溫度變化時(shí)，通過(guò)電壓的變化形式傳遞，最終通過(guò)3位十進(jìn)制數(shù)顯示出來(lái)。在溫度測(cè)量電路中，實(shí)現(xiàn)的溫度變化率達(dá)到了10mv/。測(cè)量范圍在0100，測(cè)量精度為0.1度，基本符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我感到我的數(shù)字電路、模擬電路以及電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)知識(shí)并不十分扎實(shí)，更沒(méi)有完全的融會(huì)貫通，故在設(shè)計(jì)時(shí)有時(shí)會(huì)漏掉一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，比如：由于模電部分不是很清晰，導(dǎo)致連接運(yùn)算放大器的時(shí)候，遇到很大的阻力。但在查閱了大量的資料和請(qǐng)教老師后，很快將問(wèn)題解決了，終于完成了任務(wù)。并且讓我對(duì)這些內(nèi)容所包含的知識(shí)要點(diǎn)有了深刻的理解。可見(jiàn)通過(guò)實(shí)際的動(dòng)手操作，能夠更好的掌握所學(xué)的知識(shí)。所以在以后的生活和學(xué)習(xí)中一定要注重基礎(chǔ)知識(shí)的積累和運(yùn)用，增強(qiáng)自己的實(shí)踐能力?？傊谶@次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我學(xué)習(xí)到了許多的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，增強(qiáng)了我分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高了我們?cè)O(shè)計(jì)的綜合能力，我還明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。單純靠一個(gè)人的力量是無(wú)法完成的。只有在一個(gè)團(tuán)隊(duì)的共同