南郵電子課程設(shè)計(jì)——溫度測量儀

1、 溫度測量儀 摘要 本課題采用lm35傳感器作為感知元件，輸出電壓經(jīng)放大后由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)地址，送至AT28C64存儲芯片輸出相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過74157選擇，由CD4511負(fù)責(zé)數(shù)碼管的譯碼，最終在兩位共陰數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。本課題采用CD4029進(jìn)行計(jì)數(shù)預(yù)警，采用分位計(jì)數(shù)的方案，由7485進(jìn)行比較后判斷是否進(jìn)行溫度預(yù)警。關(guān)鍵詞：lm35 溫度測量 預(yù)警 AD0809 目錄第一章 系統(tǒng)指標(biāo)1.1 系統(tǒng)預(yù)期指標(biāo)1. 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求1.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求1.4 設(shè)計(jì)條件第二章 方案設(shè)計(jì) 2.1 方案流程2.2方案的整體設(shè)計(jì)第三章 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.1傳感器及其放大電路模塊 3.2

2、A/D及存儲器模塊 3.3數(shù)碼管顯示模塊 3.4計(jì)數(shù)模塊 3.5 比較判斷以及報(bào)警模塊 3.6 顯示切換模塊第四章 測試與調(diào)試 4.1數(shù)字顯示電路的調(diào)試 4.2 ADC、AT28C64與顯示電路的連接調(diào)試 4.3 NE555頻率發(fā)生調(diào)試 4.4傳感器與顯示電路的調(diào)試 4.5報(bào)警溫度的設(shè)定與判斷調(diào)試 第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) 5.1 設(shè)計(jì)完成情況 5.2 問題與改進(jìn) 5.3 心得體會 第一章 系統(tǒng)指標(biāo)1.1 系統(tǒng)預(yù)期指標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求該溫度測量儀能夠顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，并兼有環(huán)境溫度超溫警報(bào)功能。預(yù)警溫度能夠手動進(jìn)行設(shè)置。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求 本課題給出的結(jié)構(gòu)框圖如下，要求有系統(tǒng)復(fù)位開關(guān)S1鍵，報(bào)警溫度切換

3、設(shè)定開關(guān)S2鍵。 圖1.2.1 1.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求 （1）溫度測量范圍：099 （2）顯示精度：1 （3）測溫靈敏度：20mv/ （4）顯示采用四位共陰數(shù)碼管 （5）溫度報(bào)警采用LED發(fā)光二極管或蜂鳴器 （6）報(bào)警溫度可以任意設(shè)定1.4 設(shè)計(jì)條件（1）電源：015V穩(wěn)壓電源可調(diào)（2）可供選擇的器件下表所示各電容、電阻、發(fā)光二級管等元件自定。 第二章 方案設(shè)計(jì)2.1 方案流程 溫度測量儀的本質(zhì)是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進(jìn)行相應(yīng)的信息反饋，以達(dá)到幫助人們感知環(huán)境的目的。所以溫度信息必須經(jīng)過傳感器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息再經(jīng)由數(shù)字顯示電路顯示。另外，由于溫度傳感器的輸出有限，需在傳

4、感器后添加一放大器。 超溫報(bào)警預(yù)設(shè)電路也需要和數(shù)字顯示電路進(jìn)行連結(jié)，以顯示設(shè)定的報(bào)警溫度。 因此，還需要在數(shù)字顯示，環(huán)境溫度輸出，以及超溫溫度設(shè)定之間增一切換電路，以切換環(huán)境溫度和超溫設(shè)定的顯示。 具體流程框圖如下：存儲器溫度傳感器放大器A/D 轉(zhuǎn)換 報(bào)警超溫判斷預(yù)警計(jì)數(shù)顯示電路顯示切換 其中溫度傳感器是該課題設(shè)計(jì)的核心所在，溫度傳感器直接影響到測溫的精度以及靈敏度。另外溫度傳感器還分為電流型輸出和電壓型輸出。溫度傳感器的選擇不僅影響整體設(shè)計(jì)方案的性能，而且對后續(xù)電路的設(shè)計(jì)也有一定程度的影響。2.2 方案的整體設(shè)計(jì) 方案采用lm35作為本課題的溫度傳感器，運(yùn)放使用TL084，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用

5、ADC0809，使用AT28C64作為存儲芯片。切換顯示電路使用兩片74157實(shí)現(xiàn)該功能。由CD4511驅(qū)動數(shù)碼管進(jìn)行顯示。溫度預(yù)警計(jì)數(shù)由兩片CD4029執(zhí)行。報(bào)警判斷由兩片4位比較器件7485聯(lián)級成8位比較器進(jìn)行比較。采用兩個LED二極管作為報(bào)警信息輸出。 第三章 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 傳感器及其放大電路模塊 （1）傳感器lm35 lm35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。是電壓型輸出的溫度傳感器，因此后續(xù)電路不再需要電流電壓轉(zhuǎn)換器，一定程度上簡化了電路的設(shè)計(jì)。該系列傳感器生產(chǎn)制作時已經(jīng)過校準(zhǔn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對應(yīng)，使用極為方便。靈敏度為10.0mV/，精

6、度在0.4至0.8(-55至+150溫度范圍內(nèi)),重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其使用起來更加簡單與方便。其工作電壓為4V30V，寬工作電壓，滿足課題設(shè)計(jì)要求。測溫范圍為-50+150，也符合課題設(shè)計(jì)要求。 Lm35有多種封裝形式，本課題設(shè)計(jì)采用如下封裝 （2）放大電路的設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)要求測溫靈敏度為20mv/，lm35器件自身的靈敏度為10mv/，因此放大器的放大倍數(shù)應(yīng)達(dá)到2倍。易知，應(yīng)采用同向放大器。 同向放大器設(shè)計(jì)如下： Vi與V-虛短， 因?yàn)樘摂?，反向輸入端沒有電流通過，R1、R2 串聯(lián)。所以 又Vi等于R2上的分壓 綜得， 由上，可取R1、R2分別為1K。 （3）電

7、壓跟隨器 電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，也就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。 它的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低。將它放在lm35后面可以隔離開傳感器和后方的電路，保證傳感器輸出電壓的穩(wěn)定性與實(shí)用性。 本設(shè)計(jì)使用TL084的一個放大器作為電壓跟隨器。 如圖： 模塊整體電路如下： 圖3.1.4 3.2 A/D及存儲器模塊 （1）ADC0809ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。器件封裝如下： 器件引腳結(jié)構(gòu)： ADC0809 各腳功能如下： D7-

8、D0：8 位數(shù)字量輸出引腳。 IN0-IN7：8 位模擬量輸入引腳。 VCC：+5V 工作電壓。 GND：地。 REF（+）：參考電壓正端。 REF（-）：參考電壓負(fù)端。 START：A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D 轉(zhuǎn)換）. EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平， 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。 器件時序圖： 因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的要求是20mv/，ADC0809的模擬電壓范圍為0V5V，20*255=5100mv，所以模擬電壓取5V。 （

9、2）NE555 NE555是一種計(jì)時IC，只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用，其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 下面是NE555的管腳圖： 本次設(shè)計(jì)中NE555提供給ADC0809 95KHZ的時鐘頻率。其具體電路如下圖所示： 取Ra、Rb分別為1K、5.6K，電容102，Rl不接。（3）AT28C64 AT28C64是一款存儲器芯片，當(dāng)CE和OE為低電平,WE為高電平,由地址引腳上電平?jīng)Q定的存儲單元中的存儲的數(shù)據(jù)就被讀出。AT28C64的引腳如下圖所示： 其中A0A11為輸入地址線，I/O0I/O7為輸出線。 AT28C64燒錄數(shù)據(jù)表 溫度（） ADC地址輸出 AT

10、28C64輸出 （8421BCD） 0 0000 0000 0000 0000 1 0000 0001 0000 0001 2 0000 0010 0000 0010 . . . 99 0110 0011 1001 1001 模塊連線圖： 3.3 數(shù)碼管顯示模塊 本課題設(shè)計(jì)采用CD4511作為數(shù)碼管的譯碼芯片。CD4511是一個用于驅(qū)動共陰LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能 提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。CD4511的輸入為8421BCD碼。 CD4511真值表：輸  

11、60;     入輸        出LEBILIDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隱0111011000

12、0000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱0111111000000消隱111XXXX鎖       存鎖存 顯示模塊電路： 在本課題中上圖的CD4518由74157代替，另外由于是共陰管，所以7個300的電阻可以由共地端的一個電阻取代。3.4 計(jì)數(shù)模塊 在本課題中計(jì)數(shù)模塊采用四位二進(jìn)制/十進(jìn)制可預(yù)置計(jì)數(shù)器CD4029實(shí)現(xiàn)。由于測溫范圍為099，所以預(yù)警設(shè)計(jì)溫度為兩位數(shù)。所以需要兩片CD4029。 這里可以采用一位開關(guān)控制進(jìn)行099的計(jì)數(shù)，也可以采用兩位開關(guān)分別控制一位

13、十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行09的計(jì)數(shù)。兩相比較，第二種方案設(shè)定起溫度來更為方便、可靠，故采用第二種方案。 CD4029引腳作用介紹：CD4029引腳圖： 計(jì)數(shù)模塊電路圖如下： 3.5 比較判斷以及報(bào)警模塊 本課題設(shè)計(jì)中采用的比較判斷芯片為7485。7495是四位比較芯片，通過級聯(lián)可以構(gòu)成8位比較芯片。在本次設(shè)計(jì)中就通過兩片7485的級聯(lián)，形成8位比較芯片，進(jìn)行環(huán)境溫度和設(shè)定溫度的比較，從而判斷是否報(bào)警。 比較判斷以及報(bào)警電路如下： 3.6 顯示切換模塊 74157為4組2選1數(shù)據(jù)選擇器，單片74157可以實(shí)現(xiàn)4位二進(jìn)制的選擇與輸出。在本課題中則要求能夠進(jìn)行8位二進(jìn)制的選擇與輸出，所以需要兩片74157同時進(jìn)

14、行工作。74157部分的電路如下圖所示： 圖第四章 測試與調(diào)試4.1 數(shù)字顯示電路的調(diào)試 手動給予CD4511的四個輸入管腳相應(yīng)的高低電平，查驗(yàn)數(shù)碼管顯示是否正確。 列表如下： 符合8421BCD碼的輸入要求，顯示模塊可以正常使用，符合設(shè)計(jì)要求。4.2 ADC、AT28C64與顯示電路的連接調(diào)試檢測AT28C64的3、4、5、6、7、8、9、10腳，記錄它們的高低電平狀態(tài)，同時記錄數(shù)碼管的顯示數(shù)字。制成下表：發(fā)現(xiàn)AT28C64的輸入與數(shù)碼管顯示輸出相符，所以該部分模塊與設(shè)計(jì)要求相符。4.3 NE555頻率發(fā)生調(diào)試 將NE555的輸出腳3號腳連接示波器的CH1通道，顯示占空比50%的方波信號。經(jīng)測量，方波頻率為95KHZ,符合設(shè)計(jì)要求。4.4 傳感器與顯示電路的調(diào)試 檢測lm35的輸出腳的電壓，檢測經(jīng)放大器放大后的信號電壓，并觀測數(shù)碼管顯示的溫度示數(shù)，制表如下： 理論 實(shí)測誤差Vout（mv）IN(mv)顯示（）Vout（mv）IN(mv)顯示（）28056028280560313符合電路設(shè)計(jì)要求，但誤差較大。 4.5 報(bào)警溫度的設(shè)定與判斷調(diào)試 由CD4029進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別設(shè)定不同的溫度，高于當(dāng)前環(huán)境溫或者低于，觀測并記錄發(fā)光二極管的亮滅情況。制成下表： 設(shè)定 測量 報(bào)警 25 31 是 31 31 是