簡易數(shù)字溫度計設(shè)計

1、簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計 第 III頁課程設(shè)計任務(wù)書20152016學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)：學(xué)號姓名： 課程設(shè)計名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計 設(shè)計題目： 簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計 完成期限：自 2016 年 6月 13 日至 2016 年 6 月 26 日共 2 周一、設(shè)計依據(jù) 本課題要求利用電子技術(shù)相關(guān)知識設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)±0.1精度的數(shù)字溫度計。電路由溫度采集電路、數(shù)字頻率計電路和LED顯示電路構(gòu)成。通過本課題練習(xí)，學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力、設(shè)計能力將有較大提高，對今后從事電子產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、經(jīng)營維修等打下基礎(chǔ)。 二、主要內(nèi)容及要求 主要內(nèi)容： 1、給出詳細的總體設(shè)計方案； 2、完成各部分具體功

2、能電路設(shè)計，主要包括基于熱敏電阻的溫度信號采集電路、555振蕩電路、頻率計電路、LED顯示電路設(shè)計； 3、給出正確的電路圖，仿真、調(diào)試驗證各部分設(shè)計的正確性； 4、整理設(shè)計成果，完成課程設(shè)計說明書的撰寫。 要求所設(shè)計數(shù)字溫度計的輸出溫度的范圍-20+45、誤差范圍±0.1，具體溫度顯示采用數(shù)碼管實現(xiàn)。 三、途徑和方法 利用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的相關(guān)知識設(shè)計一個數(shù)控溫度計，可以先查閱相關(guān)資料（網(wǎng)上查找或參考相關(guān)書籍手冊），明確課題的方向和目的，然后學(xué)習(xí)完成課題所需的理論知識，了解溫度信號采集電路、555振蕩電路、頻率計電路、LED顯示電路設(shè)計的工作原理；在理解的基礎(chǔ)上確定設(shè)計電路

3、方案，完成電路設(shè)計，畫出原理圖及PCB印制版圖，通過仿真分析驗證設(shè)計的正確性，最后提交課程設(shè)計說明書一份。 四、時間安排 課題講解：2小時 閱讀資料：10小時 撰寫設(shè)計說明書：12小時 修訂設(shè)計說明書：6小時 五、主要參考資料 1孫麗霞.數(shù)字電子技術(shù)M .北京:高等教育出版社,2006:174-196. 2楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程M.北京：高等教育出版社,2007:40-92. 3高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程-基本技能訓(xùn)練與單元電路設(shè)計M.北京:電子工業(yè)出版社,2007:24-57. 4黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程M .北京:電子工業(yè)出版社, 2005.1:43

4、-66. 5彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)M .北京:高等教育出版社,2002.12:37-228. 6陳永甫.新編555集成電路應(yīng)用800例M.北京:電子工業(yè)出版,2000:80-130. 7蕭寶瑾. protel 99 SE操作指導(dǎo)與電路設(shè)計實例（第一版）M. 太原：太原理工大學(xué)，2004：198-230. 8張義申，陸坤. 電子設(shè)計技術(shù)M. 西安:電子科技大學(xué)出版,1996:48-62. 指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日 簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計摘 要 溫度在現(xiàn)實生活中起著相當(dāng)重要的作用，在電子科技越來越發(fā)達的當(dāng)今時代，工業(yè)生產(chǎn)中對溫度的測量又有了更精確的要求。

5、在本次簡易數(shù)字溫度計的課程設(shè)計中，將采用基于熱敏電阻的溫度信號采集，用NE555多諧振蕩電路將溫度轉(zhuǎn)化成頻率輸入頻率計中，用CD40110驅(qū)動數(shù)碼管直接實現(xiàn)數(shù)字信號的顯示，實現(xiàn)數(shù)字溫度的設(shè)計。省去了另加編碼器和譯碼器的設(shè)計，所以線路更加簡單，直觀。為了實現(xiàn)課程要求，溫度范圍要控制在-20+45，溫度誤差要控制在+0.1；因此，電路的設(shè)計合理度就尤為重要，這次設(shè)計中電路的設(shè)計模塊有四個核心電路構(gòu)成。四個核心電路為：溫度轉(zhuǎn)換為頻率電路、頻率顯示電路、555振蕩電路、譯碼顯示電路。關(guān)鍵詞：熱敏電阻，NE555多諧振蕩器，CD40110, 頻率計，譯碼顯示 簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計 第 II頁 目 錄1緒

6、論1 1.1課題描述1 1.2 基本工作原理及總體框圖12 硬件芯片及元器件說明2 2.1 555芯片22.1.1 555的工作原理22.1.2 555的各個引腳功能22.1.3 555的功能介紹3 2.2 CD4017芯片3 2.3 CD40110芯片4 2.4 元器件介紹53 電路硬件模塊設(shè)計5 3.1溫度轉(zhuǎn)換成頻率電路設(shè)計53.1.1 NE555工作原理介紹63.1.2 NE555引腳及符號說明7 3.2頻率顯示電路設(shè)計73.2.1放大整形電路設(shè)計73.2.2 555振蕩電路83.2.3譯碼顯示電路84 仿真調(diào)試9 4.1 溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率電路測試9 4.2 放大整形電路的測試10 4.3

7、 振蕩電路測試11簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計 第 III頁 5 總體電路12總 結(jié)13致 謝14參考文獻15第 1 頁簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計 1緒論 1.1課題描述 本課題的目的為設(shè)計一個簡易數(shù)字溫度計，本課題要求設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)±0.1精度的數(shù)字溫度計，并要求輸出溫度范圍為-20+45。利用相關(guān)的電子技術(shù)知識實現(xiàn)本次課程設(shè)計的整個過程，包括查閱資料，參考書籍文獻；首先形成對本次課題的設(shè)計思路，包括需要選用的電路和元器件，所選用的電路要嚴(yán)格按照課程設(shè)計任務(wù)書的要求；下一步要對各個電路模塊進行原理圖設(shè)計以及電路仿真，此過程中會用到Protel制圖軟件和Multisim仿真軟件來實現(xiàn)部分結(jié)果。

8、1.2 基本工作原理及總體框圖 本次設(shè)計采用溫度頻率轉(zhuǎn)變電路，根據(jù)溫度與頻率的線性關(guān)系先將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率，將轉(zhuǎn)換的頻率輸入頻率計中，頻率計電路中通過放大整形路、主門電路、計數(shù)器、鎖存器、七段譯碼輸出，在七段顯示器中將頻率顯示出來，顯示的頻率即為對應(yīng)的溫度值。它用熱敏電阻采集溫度信號，用NE555將溫度轉(zhuǎn)化為頻率輸入頻率計中，用CD40110驅(qū)動數(shù)碼管直接實現(xiàn)數(shù)字信號的顯示，實現(xiàn)數(shù)字溫度計的設(shè)計；省去了另加編碼器和譯碼器的設(shè)計，所以線路更簡單、直觀?？傮w框圖如圖1所示。圖1整體工作框圖第 13 頁簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計 2硬件芯片及元器件說明2.1 555芯片2.1.1 555的工作原理它有五個部

9、分組成：電阻分壓器：由三個5K的電阻串聯(lián)構(gòu)成，為電壓比較器C1和C2提供基準(zhǔn)電壓；電壓比較器： 由C1和C2組成，提供的基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc.TH為C1的反相輸入端，也稱為555的高觸發(fā)端，TR非為C1的反相輸入端，也為555的低 觸 發(fā) 端；基本RS觸發(fā)器： 具有置零，置一，保持和無效四個工作狀態(tài)，正常工作時，電壓比較器C1和C2的 輸 出 端分別為RS觸 發(fā) 器 的 置 零 和 置一輸 入 端。放電管VT： 總是與輸出端u0的狀態(tài)相反，當(dāng)Q=u0=1時，放電管截至；當(dāng)Q=u0=0時，放電管導(dǎo)通，電容開始放電；緩沖器： 主要是提供電路的帶負載能力。555定時器的原理圖如圖

10、2所示。 圖2 555定時器原理圖2.1.2 555的各個引腳功能1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V，CMOS型時基電路VCC的范圍318V。一般用5V。3腳：輸出端Vo，2腳：低觸發(fā)6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR和TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平，5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的

11、放電。2.1.3 555的功能介紹不難看出555的輸入和輸出具有反相特性，并且輸出端Q與放電管D有著相反的狀態(tài)；規(guī)律為輸入端都高：u0=0，VT導(dǎo)通；都 低：u0=1，VT截至；中間狀態(tài)：u0保持，VT保持。555的真值表如表1所示。表1 555的真值表2.2 CD4017芯片 CD40175位Johnson計算器，具有10個譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH為低電平時，計算器在時鐘上升沿計數(shù)；反之，計數(shù)功能無效。CR為高電平時，計數(shù)器清零。Johnson計數(shù)器，提供了快速操作，2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸

12、出。防鎖選通，保證了正確的計數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應(yīng)時鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10個時鐘輸入周期CO信號完成一次進位，并用作多級計數(shù)鏈的下級脈動時鐘。CD4017的引腳圖如圖3所示。圖3 CD4017的引腳圖2.3 CD40110芯片 CD40110能完成十進制的加法、減法、進位、借位等計數(shù)功能，并能直接驅(qū)動小型七段LED數(shù)碼管，其邏輯功能見表1，其引腳排列如圖1（a）所示。R（5腳）為清零端，R1時，計數(shù)器異步清零。CP為時鐘端，CPu（9腳）為加法計數(shù)時鐘，CPD（7腳）為減法計數(shù)時鐘。Qco（10腳）加計數(shù)進位輸出，QBO（11腳）減計數(shù)借位輸出。TB（4腳）為觸發(fā)器使能

13、端，TE0時，計數(shù)器工作，TE1時，計數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)，即不計數(shù)。LE（6腳）為鎖存控制端，LE1，顯示數(shù)據(jù)保持不變，但它的內(nèi)部計數(shù)器仍正常工作。a，b，c，d，e，f，g（1，15，14，13，12，3，2腳）為信號輸出端，與七段顯示器連接，CD40110的引腳圖如圖4所示。CD40110的功能表如表2所示。圖4 CD40110的引腳圖表2 CD40110的功能表2.4元器件介紹 所用元器件的序號，編號，類型和名稱以及數(shù)量經(jīng)過核對，如表3所示。表3元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1Ds,Ds2顯示器DCD-HEX-REDGR EN22Q1,Q2譯碼驅(qū)動器CD4011023U1,U2,U3與非門

14、74LS0014U4,U6多諧振蕩器NE55525U5計數(shù)器CD401716R1R7電阻77RQ熱敏電阻18C1C7電容79D1,D2二極管1N4148210D3發(fā)光二極管111RP可變電阻10K13電路硬件模塊設(shè)計3.1 溫度轉(zhuǎn)換成頻率電路設(shè)計 通過熱敏電阻對溫度進行采集，通過溫度與頻率近乎線性關(guān)系，以此來確定輸出頻率與其對應(yīng)的溫度，不同的溫度對應(yīng)不同的頻率值，故我們可以通過頻率值的改變來判斷溫度值，再由數(shù)碼管表示出來。該硬件電路模塊的核心構(gòu)成部件為NE555多諧振蕩器，多諧振蕩器主要應(yīng)用于簡易溫控報警器，雙音門鈴和模擬聲響發(fā)生器等實際電路中。多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需

15、要外加觸發(fā)信號。3.1.1 NE555工作原理介紹 在由NE555組成的多諧振蕩器中，電容C的充電時間T1和放電時間T2各為 （1） （2）故電路的振蕩周期為 振蕩頻率為 （3） （4）通過改變R和C的參數(shù)來改變振蕩頻率，溫度的改變可以改變熱敏電阻R2的阻值，而R2的改變又可以直接導(dǎo)致振動頻率f的變化，即可通過頻率的變化反應(yīng)溫度的變動。在室溫下（設(shè)室溫為30度）可測得負溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值為10K，取電容C為1uF,則有以上公式可得2R1=(1/fC ln 2)-R2,得則取R1為20K。溫度轉(zhuǎn)換成頻率溫度設(shè)計電路如圖5所示。 圖5 NE555振蕩電路工作原理圖3.1.2 NE555引腳及

16、符號說明 對各個引腳的使用進行說明：1引腳接地GND，2引腳觸發(fā)，3引腳輸出（OUT),4引腳復(fù)位，5引腳控制電壓，6引腳為門限(閾值），7引腳為放電端，8引腳為電源電壓Vcc。R1,R2,C是外接定時元件，定時器的(2)端與(6)端連接起來接uc ，晶體管集電極（7）接到R1,R2的連接處P。NE555的引腳圖如圖6所示。圖6 NE555的引腳圖3.2頻率顯示電路設(shè)計3.2.1放大整形電路設(shè)計 此電路由三極管和幾個74LS00與非門組成，其作用是為了把被測信號放大,然后整形為與其同頻率的方波。電路如圖7所示。 圖7放大整形電路3.2.2 555振蕩電路 此電路一個555芯片、兩個電阻和兩個電

17、容組成。電路如圖2.22所示。由于低電平T1= R1 Cln2高電平T2=（R1+R2）Cln2，高電平T2=（R1+R2）Cln2可通過改變R1和R2的值來改變T1，T2的值，為了使電路發(fā)出一個合適的震蕩信號，可以令C=100uf，R1=1K，R2可以用一個5.1 K的電阻和一個10K的可變電阻來代替。電路如圖8所示。 圖8 555振蕩電路原理圖3.2.3譯碼顯示電路   譯碼顯示電路由計數(shù)器電路、鎖存器電路、譯碼顯示組成。計數(shù)器電路由一片CD4017芯片組成，計數(shù)器工作時每個高電平維持一個時鐘周期，每輸入10個時鐘脈沖，輸出一個進位脈沖來計

18、數(shù)。鎖存器電路由CD40110組成，CD40110為十進制可逆計數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計數(shù)，計數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。作用是將計數(shù)器在結(jié)束時所得的數(shù)和溫度轉(zhuǎn)換成的頻率信號合成的結(jié)果進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定顯示此時計數(shù)器的值。譯碼顯示電路通過CD40110和七段數(shù)碼管來顯示。兩片CD40110芯片和七段顯示譯碼管以及CD4017芯片共同構(gòu)成了譯碼顯示電路。電路如圖9所示。圖9譯碼顯示電路4仿真調(diào)試4.1 溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率電路測試 在常溫下，熱敏電阻所感受的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率，用頻率計測出此時的頻率溫度值。在頻率計中觀察到頻率計顯示的頻率為28.757HZ，即此時的溫度值

19、約為28.757度。該溫度值在所估計的誤差范圍內(nèi)。測試電路如圖10所示。該電路的仿真結(jié)果如圖11所示。圖10溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率電路測試圖 圖11溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率測試電路仿真結(jié)果4.2 放大整形電路的測試 把被測信號放大然后整形為與其同頻率的方波。電路輸入正弦波頻率為10HZ振幅為1V, 仿真測試電路如圖12所示。仿真的波形如圖13所示。圖12放大整形電路測試電路圖圖13放大整形電路測試波形4.3 振蕩電路測試 振蕩電路輸出周期為1.279秒，高電平脈沖為0.68毫秒的方波。測試電路如圖14所示。該測試電路的仿真波形如圖15所示。圖14振蕩測試電路圖15振蕩測試電路仿真波形5 總體電路 通過對各個模塊電路的設(shè)計，整理出總體電路如圖16