簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 第 III頁(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)20152016學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)：學(xué)號(hào)姓名： 課程設(shè)計(jì)名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 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(jì)依據(jù) 本課題要求利用電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)±0.1精度的數(shù)字溫度計(jì)。電路由溫度采集電路、數(shù)字頻率計(jì)電路和LED顯示電路構(gòu)成。通過(guò)本課題練習(xí)，學(xué)生的綜合知識(shí)應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)能力將有較大提高，對(duì)今后從事電子產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)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(xì)的總體設(shè)計(jì)方案； 2、完成各部分具體功

2、能電路設(shè)計(jì)，主要包括基于熱敏電阻的溫度信號(hào)采集電路、555振蕩電路、頻率計(jì)電路、LED顯示電路設(shè)計(jì)； 3、給出正確的電路圖，仿真、調(diào)試驗(yàn)證各部分設(shè)計(jì)的正確性； 4、整理設(shè)計(jì)成果，完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)。 要求所設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)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(shí)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(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控溫度計(jì)，可以先查閱相關(guān)資料（網(wǎng)上查找或參考相關(guān)書(shū)籍手冊(cè)），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(shí)，了解溫度信號(hào)采集電路、555振蕩電路、頻率計(jì)電路、LED顯示電路設(shè)計(jì)的工作原理；在理解的基礎(chǔ)上確定設(shè)計(jì)電路

3、方案，完成電路設(shè)計(jì)，畫(huà)出原理圖及PCB印制版圖，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，最后提交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。 四、時(shí)間安排 課題講解：2小時(shí) 閱讀資料：10小時(shí) 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：12小時(shí) 修訂設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：6小時(shí) 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(jiǎn)明教程M.北京：高等教育出版社,2007:40-92. 3高吉祥.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程-基本技能訓(xùn)練與單元電路設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,2007:24-57. 4黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)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(jì)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(jì)實(shí)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(jì)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(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)摘 要 溫度在現(xiàn)實(shí)生活中起著相當(dāng)重要的作用，在電子科技越來(lái)越發(fā)達(dá)的當(dāng)今時(shí)代，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)溫度的測(cè)量又有了更精確的要求。

5、在本次簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的課程設(shè)計(jì)中，將采用基于熱敏電阻的溫度信號(hào)采集，用NE555多諧振蕩電路將溫度轉(zhuǎn)化成頻率輸入頻率計(jì)中，用CD40110驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字溫度的設(shè)計(jì)。省去了另加編碼器和譯碼器的設(shè)計(jì)，所以線路更加簡(jiǎn)單，直觀。為了實(shí)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(jì)合理度就尤為重要，這次設(shè)計(jì)中電路的設(shè)計(jì)模塊有四個(gè)核心電路構(gòu)成。四個(gè)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(jì)，譯碼顯示 簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 第 II頁(yè) 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(shuō)明2 2.1 555芯片22.1.1 555的工作原理22.1.2 555的各個(gè)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(jì)5 3.1溫度轉(zhuǎn)換成頻率電路設(shè)計(jì)53.1.1 NE555工作原理介紹63.1.2 NE555引腳及符號(hào)說(shuō)明7 3.2頻率顯示電路設(shè)計(jì)73.2.1放大整形電路設(shè)計(jì)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(cè)試9 4.2 放大整形電路的測(cè)試10 4.3

7、 振蕩電路測(cè)試11簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 第 III頁(yè) 5 總體電路12總 結(jié)13致 謝14參考文獻(xiàn)15第 1 頁(yè)簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 1緒論 1.1課題描述 本課題的目的為設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)，本課題要求設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)±0.1精度的數(shù)字溫度計(jì)，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(shí)實(shí)現(xiàn)本次課程設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，包括查閱資料，參考書(shū)籍文獻(xiàn)；首先形成對(duì)本次課題的設(shè)計(jì)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(jì)任務(wù)書(shū)的要求；下一步要對(duì)各個(gè)電路模塊進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)以及電路仿真，此過(guò)程中會(huì)用到Protel制圖軟件和Multisim仿真軟件來(lái)實(shí)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(jì)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(jì)中，頻率計(jì)電路中通過(guò)放大整形路、主門(mén)電路、計(jì)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(lái)，顯示的頻率即為對(duì)應(yīng)的溫度值。它用熱敏電阻采集溫度信號(hào)，用NE555將溫度轉(zhuǎn)化為頻率輸入頻率計(jì)中，用CD40110驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)；省去了另加編碼器和譯碼器的設(shè)計(jì)，所以線路更簡(jiǎn)單、直觀?？傮w框圖如圖1所示。圖1整體工作框圖第 13 頁(yè)簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 2硬件芯片及元器件說(shuō)明2.1 555芯片2.1.1 555的工作原理它有五個(gè)部

9、分組成：電阻分壓器：由三個(gè)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(wú)效四個(gè)工作狀態(tài)，正常工作時(shí)，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(shí)，放電管截至；當(dāng)Q=u0=0時(shí)，放電管導(dǎo)通，電容開(kāi)始放電；緩沖器： 主要是提供電路的帶負(fù)載能力。555定時(shí)器的原理圖如圖

10、2所示。 圖2 555定時(shí)器原理圖2.1.2 555的各個(gè)引腳功能1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.516V，CMOS型時(shí)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(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR和TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)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?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，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(shí)器時(shí)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(jì)算器，具有10個(gè)譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端。時(shí)鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制。INH為低電平時(shí)，計(jì)算器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)；反之，計(jì)數(shù)功能無(wú)效。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。Johnson計(jì)數(shù)器，提供了快速操作，2輸入譯碼選通和無(wú)毛刺譯碼輸

12、出。防鎖選通，保證了正確的計(jì)數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對(duì)應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10個(gè)時(shí)鐘輸入周期CO信號(hào)完成一次進(jìn)位，并用作多級(jí)計(jì)數(shù)鏈的下級(jí)脈動(dòng)時(shí)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(jìn)制的加法、減法、進(jìn)位、借位等計(jì)數(shù)功能，并能直接驅(qū)動(dòng)小型七段LED數(shù)碼管，其邏輯功能見(jiàn)表1，其引腳排列如圖1（a）所示。R（5腳）為清零端，R1時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零。CP為時(shí)鐘端，CPu（9腳）為加法計(jì)數(shù)時(shí)鐘，CPD（7腳）為減法計(jì)數(shù)時(shí)鐘。Qco（10腳）加計(jì)數(shù)進(jìn)位輸出，QBO（11腳）減計(jì)數(shù)借位輸出。TB（4腳）為觸發(fā)器使能

13、端，TE0時(shí)，計(jì)數(shù)器工作，TE1時(shí)，計(jì)數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)，即不計(jì)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(jì)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(hào)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(hào)，編號(hào)，類型和名稱以及數(shù)量經(jīng)過(guò)核對(duì)，如表3所示。表3元器件清單序號(hào)編號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1Ds,Ds2顯示器DCD-HEX-REDGR EN22Q1,Q2譯碼驅(qū)動(dòng)器CD4011023U1,U2,U3與非門(mén)

14、74LS0014U4,U6多諧振蕩器NE55525U5計(jì)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(jì)3.1 溫度轉(zhuǎn)換成頻率電路設(shè)計(jì) 通過(guò)熱敏電阻對(duì)溫度進(jìn)行采集，通過(guò)溫度與頻率近乎線性關(guān)系，以此來(lái)確定輸出頻率與其對(duì)應(yīng)的溫度，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的頻率值，故我們可以通過(guò)頻率值的改變來(lái)判斷溫度值，再由數(shù)碼管表示出來(lái)。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(jiǎn)易溫控報(bào)警器，雙音門(mén)鈴和模擬聲響發(fā)生器等實(shí)際電路中。多諧振蕩器是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后，不需

15、要外加觸發(fā)信號(hào)。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(shí)間T1和放電時(shí)間T2各為 （1） （2）故電路的振蕩周期為 振蕩頻率為 （3） （4）通過(guò)改變R和C的參數(shù)來(lái)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(dòng)頻率f的變化，即可通過(guò)頻率的變化反應(yīng)溫度的變動(dòng)。在室溫下（設(shè)室溫為30度）可測(cè)得負(fù)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(jì)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(hào)說(shuō)明 對(duì)各個(gè)引腳的使用進(jìn)行說(shuō)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(mén)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(shí)元件，定時(shí)器的(2)端與(6)端連接起來(lái)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(jì)3.2.1放大整形電路設(shè)計(jì) 此電路由三極管和幾個(gè)74LS00與非門(mén)組成，其作用是為了把被測(cè)信號(hào)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(gè)555芯片、兩個(gè)電阻和兩個(gè)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(guò)改變R1和R2的值來(lái)改變T1，T2的值，為了使電路發(fā)出一個(gè)合適的震蕩信號(hào)，可以令C=100uf，R1=1K，R2可以用一個(gè)5.1 K的電阻和一個(gè)10K的可變電阻來(lái)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(jì)數(shù)器電路、鎖存器電路、譯碼顯示組成。計(jì)數(shù)器電路由一片CD4017芯片組成，計(jì)數(shù)器工作時(shí)每個(gè)高電平維持一個(gè)時(shí)鐘周期，每輸入10個(gè)時(shí)鐘脈沖，輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖來(lái)計(jì)

18、數(shù)。鎖存器電路由CD40110組成，CD40110為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，具有加減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。作用是將計(jì)數(shù)器在結(jié)束時(shí)所得的數(shù)和溫度轉(zhuǎn)換成的頻率信號(hào)合成的結(jié)果進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。譯碼顯示電路通過(guò)CD40110和七段數(shù)碼管來(lái)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(cè)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(jì)測(cè)出此時(shí)的頻率溫度值。在頻率計(jì)中觀察到頻率計(jì)顯示的頻率為28.757HZ，即此時(shí)的溫度值

19、約為28.757度。該溫度值在所估計(jì)的誤差范圍內(nèi)。測(cè)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(cè)試圖 圖11溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率測(cè)試電路仿真結(jié)果4.2 放大整形電路的測(cè)試 把被測(cè)信號(hào)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(cè)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(cè)試電路圖圖13放大整形電路測(cè)試波形4.3 振蕩電路測(cè)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(cè)試電路如圖14所示。該測(cè)試電路的仿真波形如圖15所示。圖14振蕩測(cè)試電路圖15振蕩測(cè)試電路仿真波形5 總體電路 通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)，整理出總體電路如圖16