LM35與ICL7107數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

1、1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. 溫度采集電壓放大AD轉(zhuǎn)換數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)溫度顯示 圖2.1 電路原理方框圖通過(guò)溫度傳感器LM35采集到溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過(guò)譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度。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(xiàn)，使電路精簡(jiǎn)了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要很少的外部元件就可以精確測(cè)量0到200mv電壓，LM35本身就可以將溫度線(xiàn)性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。綜上所述，采用LM35采集信號(hào)，用ICL7107驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)信號(hào)的顯示。 2電路原理及其電路組成 數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)附錄1。它通過(guò)LM

2、35對(duì)溫度進(jìn)行采集，通過(guò)溫度與電壓近乎線(xiàn)性關(guān)系，以此來(lái)確定輸出電壓和相應(yīng)的電流，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的電壓值，故我們可以通過(guò)電壓電流值經(jīng)過(guò)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(lái)。傳感電路LM35具有很高的工作精度和較寬的線(xiàn)性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線(xiàn)性成比例。因而，從使用角度來(lái)說(shuō)，LM35與用開(kāi)爾文標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，LM35無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4的常用的室溫精度。LM35具有以下特點(diǎn)：1工作電壓：直流430V；2工作電流：小于133A3輸出電壓：+6V4輸出阻抗：1mA 負(fù)載時(shí)；5精度：精度在+25時(shí)；6漏泄電流：小于60A；7；

3、8非線(xiàn)性值：±1/4；9校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；10封裝：密封TO-46 晶體管封裝或塑料TO-92 晶體管封裝；11使用溫度范圍：-55+150額定范圍傳感器電路采用核心部件是 LM35AH，供電電壓為直流15V 時(shí)，工作電流為120mA，功耗極低，在全溫度范圍工作時(shí)，電流變化很小。電壓輸出采用差動(dòng)信號(hào)方式，由2、3 引腳直接輸出，電阻R 為18K 普通電阻，D1、D2 為1N4148。傳感器電路原理如圖2.1.采樣值的準(zhǔn)確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算方法來(lái)進(jìn)行量化。設(shè)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的電壓為Ui，則已知10V 對(duì)應(yīng)的溫度為55，10V 對(duì)應(yīng)的溫度為125，易

4、求得比例因數(shù)Kt0.111V/。溫度為0時(shí)，T55即相對(duì)于55的變化量。圖傳感器電路原理圖 Ui 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)電壓值為4.883mV，由12 位AD，滿(mǎn)量程20V 可得，用Ks 表示。可求得數(shù)字量變化與溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系：0.111V/4.883mV/數(shù)字量22.73 數(shù)字量/當(dāng)0時(shí)，AD 輸出的數(shù)字量D0 = 0+55×22.73 數(shù)字量/125004E2H。溫控電路由傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D 采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)、輸出控制電路、加溫電路構(gòu)成。電路基本工作原理：傳感器電路將感受到的溫度信號(hào)以電壓形式輸出到信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后輸入到A/D 采樣電路，

5、由A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量值送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)的溫度要求判斷是否需要接通加溫電路。2.2 溫度信號(hào)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。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓對(duì)于OP-07A最大為25V，所以O(shè)P-07在很多應(yīng)用場(chǎng)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(kāi)環(huán)增益高對(duì)于OP-07A為300V/mV的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP-07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。OP07具有以下特點(diǎn)：  超低偏移： 150V最大 。  (1)低輸入偏置

6、電流： 1.8nA 。  (2)低失調(diào)電壓漂移： 。  (3)超穩(wěn)定，時(shí)間： 2V/month最大  (4)高電源電壓范圍： ±3V至±22V它的引腳圖如圖所示。1 8 2 73 64 5 圖OP-07引腳圖OP-07芯片引腳功能說(shuō)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(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)。由LM35和OP-07組成的信號(hào)采集電路如圖所示：圖信號(hào)采集電路 由輸出短路法及輸入求和方式可判斷該電路

7、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)AF=A/1+AF2.3 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(yáng)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(cè)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轉(zhuǎn)化器

8、原理圖如圖2.4所示。其中計(jì)數(shù)器對(duì)反向積分過(guò)程的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動(dòng)器、控制器和鎖存器。驅(qū)動(dòng)器是將譯碼器輸出對(duì)應(yīng)于共陽(yáng)極數(shù)碼管七段筆畫(huà)的邏輯電平變成驅(qū)動(dòng)相應(yīng)筆畫(huà)的方波。 ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖控制器的作用有三個(gè)：第一，識(shí)別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，使各模擬開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。第二，識(shí)別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號(hào)顯示。第三，當(dāng)輸入電壓超量限時(shí)發(fā)出溢出信號(hào)，使千位顯示“1" ，其余碼全部熄滅。 釣鎖存器用來(lái)存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動(dòng)LED 。它的每個(gè)測(cè)量周期自動(dòng)調(diào)零AZ、信號(hào)積分INT和反

9、向積分DE三個(gè)階段。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖 ICL7107AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖2.6所示。 1 V+ OSC1 402 D1 OSC2 393 C1 OSC3 384 B1 TEST 375 A1 REF HI 366 F1 REF LO 357 G1 CREF+ 348 E1 CREF 339 D2 COMMON 3210 C2 I CL7107 IN HI 3111 B2 IN LO 3012 A2 A-Z 2913 F2 BUFF 2814 E2 INT 2715 D3 V- 2616 B3 G2 25 17 F3 C3 24

10、18 E3 A3 2319 AB4 G3 2220 POL GND 21 圖2.6 ICL7107管腳排列ICL7107是集A/D轉(zhuǎn)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，比方說(shuō)有積分電路。這要求我們?cè)诮与娐窌r(shí)要小心，不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。2.4 數(shù)碼管顯示數(shù)碼管可以分為共陽(yáng)極與共陰極兩種，共陰極是把所有LED的陽(yáng)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)圖如圖所示。 a Gbc

11、defgSP 圖2.7 共陽(yáng)極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(yáng)極數(shù)碼管，故我們要選用共陽(yáng)極七段數(shù)碼管。在連接數(shù)碼管時(shí)，我們要注意數(shù)碼管各個(gè)管腳所對(duì)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。3 調(diào)試與總結(jié)3.1 調(diào)試與測(cè)量數(shù)據(jù)我們要通過(guò)調(diào)試電路來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路的相關(guān)內(nèi)容。1按照電路圖對(duì)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(xiàn)。2當(dāng)上步驟完成后，接通電源，觀(guān)察數(shù)碼管和二極管是否亮，假設(shè)不亮?xí)r，要對(duì)電路電源進(jìn)行檢測(cè)，看是否線(xiàn)路接觸不良或者電路短路。32完成之后，觀(guān)察數(shù)碼管是否顯示數(shù)值，然后改變LM35的溫度值，

12、觀(guān)察數(shù)碼管是否隨著溫度變化而變化。4假設(shè)數(shù)碼管數(shù)值與溫度值相差太大，則要檢查信號(hào)采集電路中各元件值是否對(duì)。為了驗(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(duì)實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。用帶有溫度測(cè)量的數(shù)字萬(wàn)用表和本次設(shè)計(jì)的電路對(duì)相同溫度下物體進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量并繪成表格進(jìn)行比較。如表3.1。測(cè)量工具測(cè)量環(huán)境數(shù)字萬(wàn)用表數(shù)顯溫度計(jì)室溫冷水袋溫水袋 表3.1 萬(wàn)用表與設(shè)計(jì)電路數(shù)據(jù)的比較 由上表的數(shù)據(jù)可以得出，本系統(tǒng)的誤差<1,分辨率為。3.2 設(shè)計(jì)總結(jié)采用LM35、A/D轉(zhuǎn)換器、譯碼器和數(shù)碼管。通過(guò)溫度傳感器LM35采集到溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過(guò)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

13、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(hào)采集電路比較重要，要對(duì)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(duì)測(cè)量不利。4 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(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程.回憶起此次課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，確實(shí)，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在短短的兩個(gè)星期的日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以穩(wěn)固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)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)合是很重要的，只有理論

14、知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做數(shù)電課程設(shè)計(jì)，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見(jiàn)證著收獲。勞動(dòng)是人類(lèi)生存生活永恒不變的話(huà)題。通過(guò)實(shí)習(xí)，我才真正領(lǐng)略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識(shí)到老一輩電子設(shè)計(jì)為我們的社會(huì)付出。我想說(shuō)，設(shè)計(jì)確實(shí)有些辛苦，但苦中也有樂(lè)，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有時(shí)機(jī)能有實(shí)踐的時(shí)機(jī)，但我們可以，而且設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，一起的工作可以讓我們有說(shuō)有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂(lè)在這里灑下，大學(xué)里一年的相處還趕不上這十來(lái)天的合作，我感覺(jué)我和同學(xué)們之間的距離更加近了；我想說(shuō)，確實(shí)很累，但當(dāng)我們看到自己所做的成果時(shí)，心中也不免產(chǎn)生興奮； 正所謂“三百六十行，行行出狀元”。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與