課程設(shè)計(jì)之?dāng)?shù)字溫度計(jì)

1、2012 級電子信息工程數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)姓名及學(xué)號學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)電子信息工程班級2012 級 2 班指導(dǎo)教師薛世華2014 年 12 月 11 日題目：數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)題目及要求（根據(jù)題目填寫）1、設(shè)計(jì)題目利用 AD590 和 ICL7107 芯片設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)。2、設(shè)計(jì)要求（1）基本要求 檢測的溫度范圍： 0 100，檢測分辨率 0.5 。 用 4 位數(shù)碼管來顯示溫度值。 超過警戒值（自己定義）要報(bào)警提示。（2）提高要求擴(kuò)展溫度范圍。增加檢測點(diǎn)的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測。指導(dǎo)教師簽名：2014 年 月 日、指導(dǎo)教師評語指導(dǎo)教師簽名：2014 年 月

2、 日三、成績理論（ 60% ）： 分，作品（ 40%）： 分，總分： 分驗(yàn)收蓋章2014 年 月 日目錄1 引言 32 電路的設(shè)計(jì) 33 電路原理及電路組成 43.1 傳感電路 43.2 溫度信號采集電路 53.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 63.4 數(shù)碼管顯示 74 調(diào)試與總結(jié) 84.1 調(diào)試與測量數(shù)據(jù) 84.2 設(shè)計(jì)總結(jié) 95 心得體會(huì) 9附錄 1 元件清單 10附錄 2 原理圖 11附錄 3 PCB 圖 12附錄 4 實(shí)物圖 13摘要本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是應(yīng)用溫度傳感器 AD590 和 ICL7107 芯片設(shè)計(jì)一個(gè) 數(shù)字溫度計(jì)， AD590 是美國 ANALOG DEIVCES 公司的單片集成兩端感

3、溫 電流源，在4 V至 30 V電源電壓范圍內(nèi)， 該器件可充當(dāng)一個(gè)高阻抗、 恒流調(diào) 節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為 1 A/K 。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整，可用于校準(zhǔn)器件， 使該器件在 298.2K (25 C°)時(shí)輸出298.2 A電流。本設(shè)計(jì)基于數(shù)字溫度傳感器 AD590 ，以 ICL7107 芯片為核心設(shè)計(jì)此測試 系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、測溫精度高、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過測試數(shù)碼顯示器 會(huì)顯示相應(yīng)的華氏溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測和顯示。本文給出了系統(tǒng)的硬 件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法，完成了實(shí)驗(yàn)板的制作，經(jīng)過調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的全部功能。關(guān)鍵詞 ：溫度傳感器；數(shù)碼顯示器；數(shù)字電路；芯片1

4、引言溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、化工、石油等領(lǐng)域最常遇到 的一個(gè)物理量。測量溫度的基本方法是使用溫度計(jì)直接讀取溫度。最常見到 的測量溫度的工具是各種各樣的溫度計(jì)，例如，水銀玻璃溫度計(jì)，酒精溫度 計(jì)，熱電偶或熱電阻溫度計(jì)等。它們常常以刻度的形式表示溫度的高低，人 們必須通過讀取刻度值的多少來測量溫度。本次我們設(shè)計(jì)的數(shù)字顯示溫度計(jì) 可以直接測量溫度，得到溫度的數(shù)字值，既簡單方便，又直觀準(zhǔn)確。2 電路的設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)電路原理系統(tǒng)方框圖，如圖 1.1.圖 2.1 電路原理方框圖通過溫度傳感器 AD590 采集到溫度信號，經(jīng)過整形電路送到 A/D 轉(zhuǎn)換 器，然后通過譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度。

5、ICL7107 集 A/D 轉(zhuǎn)換和譯碼器于 一體，可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，省去了譯碼器的接線， ICL7107 只需要很少的 外部元件就可以精確測量 0到200mv電壓，AD590 本身就可以將溫度線性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由此可知用 ICL7107 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)信號的顯示3 電路原理及其電路組成數(shù)字溫度計(jì)通過 AD590 對溫度進(jìn)行采集， 通過溫度與電壓近乎線性關(guān)系， 以 此來確定輸出電壓和相應(yīng)的電流，不同的溫度對應(yīng)不同的電壓值，因此我們 可以通過電壓電流值經(jīng)過放大進(jìn)入到 A/D 轉(zhuǎn)換器和譯碼器， 再由數(shù)碼管表示 出來。3.1 傳感電路AD590 是美國 ANALOG DEVICES 公司的單片集成

6、兩端感溫電流源， 其 輸出電流與絕對溫度成比例。 在 4 V 至 30 V 電源電壓范圍內(nèi)， 該器件可充當(dāng) 一個(gè)高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為 1 A/K 。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整， 可用于校準(zhǔn)器件，使該器件在 298.2K (25 C°)時(shí)輸出 298.2 A 電流。AD590 適用于 150°C 以下、目前采用傳統(tǒng)電氣溫度傳感器的任何溫度檢 測應(yīng)用。低成本的單芯片集成電路及無需支持電路的特點(diǎn)，使它成為許多溫 度測量應(yīng)用的一種很有吸引力的備選方案。 應(yīng)用 AD590 時(shí)，無需線性化電路、 精密電壓放大器、電阻測量電路和冷結(jié)補(bǔ)償。AD590 具有以下特點(diǎn)：(1) 流過器件

7、的電流 ( A)等 于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度 (開爾文 ) 度數(shù)：Ir/T=1 (1)式中， Ir流過器件 (AD590) 的電流，單位為 A；T熱力學(xué)溫度，單位為 K ；(2) AD590 的測溫范圍為 - 55+150；(3) AD590 的電源電壓范圍為 430 V，可以承受 44 V 正向電壓和 20 V反向電壓，因而器件即使反接也不會(huì)被損壞；(4) 輸出電阻為 710 m；(5) 精度高， AD590 在- 55+-150范圍內(nèi)，非線性誤差僅為 ±0.3圖 3.1 傳感器電路原理圖3.2 溫度信號采集電路Op07 芯片是一種低噪聲， 非斬波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。 由

8、于 OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓 （對于 OP-07A最大為 25V），所以 OP-07 在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。 OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低 （OP-07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于 OP-07A 為 300V/mV）的特點(diǎn)，這種 低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 OP-07 特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大 傳感器的微弱信號等方面。OP07 具有以下特點(diǎn)：超低偏移： 150V最大 。（1）低輸入偏置電流： 1.8nA 。（2）低失調(diào)電壓漂移： 0.5 V/ 。（3）超穩(wěn)定，時(shí)間： 2 V/month最大（4）高電源電壓范圍： ±3V 至±2

9、2VOP-07的引腳圖如圖 2.2 所示。18273645圖 3.2 OP-07 引腳圖OP-07芯片引腳功能說明： 1和8 為偏置平衡 （調(diào)零端） ，2為反向輸入端， 3 為正向輸入端， 4 接地， 5 空腳 6 為輸出， 7 接電源 +。OP-07 高精度運(yùn)算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫 漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特點(diǎn)。由 AD590 和 OP-07 組成的信號采集電路如圖 2.3 所示 由輸出短路法及輸入求和方式可判斷該電路是電壓并流負(fù)反饋放大電路。因 此可知 If=-Vi/Rf ，反饋系數(shù) F=If/Vo ，所以 F=-1/R3A=Vo/Ii ，放大倍數(shù)

10、 AF=A/（1+AF）圖 3.3 AD590 和 OP-07 組成的信號采集電路圖3.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路ICL7107 是高性能、低功耗的三位半 AD 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)包含有七段譯碼 器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)。 ICL7107 可直接驅(qū)動(dòng)共陽極 LED 數(shù)碼 管。 ICL7107 將高精度、通用性和真正的低成本很好的結(jié)合在一起，它有低 于 10uV 的自動(dòng)校零功能，零漂小于 1uV/ ，低于 10pA 的輸入電流，極性 轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)字。 真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。 在用于測量負(fù)載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時(shí)會(huì)有更突出的特點(diǎn)。ICL7107 是集 A/D 轉(zhuǎn)

11、換和譯碼器為一體的芯片，而且這芯片能夠驅(qū)動(dòng)三 個(gè)數(shù)碼管工作而不需要更多的譯碼器，這給我們連接電路或者分析電路提供 了一定的方便。 ICL7107 芯片的管腳比較多，每一個(gè)管腳所代表的功能也各 不相同，能夠組成各種電路，比如說有積分電路。這要求我們在接電路時(shí)要 小心，不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。- 11 -OSC1 40OSC2 39OSC3 38TEST 37 REF HI 36 REF LO 35 CREF+ 34CREF 33COMMON 32IN HI 31IN LO 30A-Z 29BUFF 28INT 27 V- 26 G2 25C3 24A3 23G3 22GND 21ICL7107AD 轉(zhuǎn)換器

12、的管腳排列及其各管腳功能如圖 2.6 所示1 V+2 D13 C14 B15 A16 F17 G18 E19 D210 C2 I CL710711 B212 A213 F214 E215 D316 B317 F318 E319 AB420 POL圖 3.4 ICL7107 管腳排列3.4 數(shù)碼管顯示數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種， 共陰極是把所有 LED 的陽極連接到共同接點(diǎn) com，而每一 LED 的陰極分別為 a,b,c,d,e,f,g及 sp（小數(shù)點(diǎn)），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于 ICL7107 的特點(diǎn)，它只能驅(qū)動(dòng)共陽極數(shù)碼管，故 我們要選用共陽極七段數(shù)碼管。在連接數(shù)碼管時(shí)

13、，我們要注意數(shù)碼管各個(gè)管 腳所對應(yīng)的字母，不能接錯(cuò)或接漏，而且在管腳之前要接上電阻，以免燒壞 芯片和數(shù)碼管。4 調(diào)試與總結(jié)4.1 調(diào)試與測量數(shù)據(jù) 我們要通過調(diào)試電路來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路的相關(guān)內(nèi)容。（1）按照電路圖對相關(guān)元件進(jìn)行連接， 其中注意芯片各管腳的作用以及 該如何進(jìn)行接線。（2）當(dāng)上步驟完成后， 接通電源， 觀察數(shù)碼管和二極管是否亮， 若不亮 時(shí)，要對電路電源進(jìn)行檢測，看是否線路接觸不良或者電路短路。（3）（2）完成之后， 觀察數(shù)碼管是否顯示數(shù)值， 然后改變 LM35 的溫度 值，觀察數(shù)碼管是否隨著溫度變化而變化。（4）若數(shù)碼管數(shù)值與溫度值相差太大， 則要檢查信號采集電路中各元件 值是否對。為

14、了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性以及它的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們對實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。4.2 設(shè)計(jì)總結(jié)采用 AD590 、A/D 轉(zhuǎn)換器、譯碼器和數(shù)碼管。通過溫度傳感器 AD590 采集到溫度信號，經(jīng)過整形電路送到 A/D 轉(zhuǎn)換器，然后通過譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼 管顯示溫度。在這次設(shè)計(jì)當(dāng)中，初步了解了 AD 轉(zhuǎn)換器的工作原理以及數(shù)碼 管的連接方法。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，信號采集電路比較重要，要對電路中各個(gè)元 件數(shù)值進(jìn)行精確的計(jì)算，防止電路輸出變化太大，對測量不利。5 心得體會(huì)數(shù)電課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識 , 發(fā)現(xiàn),提出, 分析和解決實(shí) 際問題, 鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié) , 是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察 過程.從選題到

15、定稿，從理論到實(shí)踐， 可以說是十分復(fù)雜又枯燥的， 但是從中 卻學(xué)到很多的東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，還學(xué)到了很多在書 本上所沒有學(xué)到過的知識。 通過這次數(shù)電課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知 識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，才能提高自己 的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。因?yàn)槭堑谝淮巫鰯?shù)電課程設(shè)計(jì)，遇到問 題是再所難免的，但是從遇到過各種各樣的問題中，我們也發(fā)現(xiàn)了自己的不 足之處，同時(shí)也讓我們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了不少解決的方法， 充實(shí)了我們的經(jīng)驗(yàn)， 讓我們在以后遇到相同的問題時(shí)能夠順利解決。附錄 1 元件清單附表 1 元件清單元件名稱元件型號及參數(shù)個(gè)

16、數(shù)電阻10K16.8K191K21001100K1470K11M120K1可調(diào)電阻100K110K1電容100 pF10.1 uF10.01uF10.047uF10.22uF1電解電容4.7uF21u1芯片AD5901OP-071ICL71071ICL76601連接器CON21數(shù)碼管共陽極數(shù)碼管4附錄 2 原理圖13 -76cd9D PYaS1LE D+5 VR2.8KD5 90+5 V1u+5 V2167u0.1mV /KU3R510 0732U2R-53V1KR110K+5 VR 4100U4V IN =2000 mVR8M6 R 1191 K+5 VC AP -C AP +LV V ou

17、t OSCGND+N C+VICL 7668C74. 7uC 3 U1310.01301 000mVR10 363520KC 2 34330. 1u40 R6V REF=1 R9 10 K393837321+526-5V0. 22 u2928uIN+A1IN-B1C1R EF+D1R EF-E1F1C TEF+G1C TEF-A20SC1B20SC2C20SC3D2E2F2TE 8TG2C OMA3V+B3V-C3D3E3F3GNDG3A B4A /ZB UF FINTPOLICL 710 74 b1a3 73 c1b3 62 d1c3 48 e1d3 26 f1e3 17 g1f3 912 a2g3 1 0511 b2a2 710 c29 d2b2 614 e2c2 413 f2d2 225 g2e2 123 a3f2 9g2 1 016 b3524 c3a1 7