數(shù)字溫度計設(shè)計

數(shù)字溫度計設(shè)計數(shù)字溫度計設(shè)計數(shù)字溫度計設(shè)計數(shù)字溫度計設(shè)計編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:電子技術(shù)課程設(shè)計報告（數(shù)字溫度計）姓名：學(xué)號：專業(yè)年級：電信111指導(dǎo)教師：設(shè)計時間：2013/06/第一章引言 1第二章設(shè)計任務(wù)與要求 1第三章設(shè)計方案 13-1采集和放大: 23-2模數(shù)轉(zhuǎn)換： 23-3數(shù)碼顯示： 2第四章設(shè)計原理與電路 24-1溫度傳感器原理： 24-2模數(shù)轉(zhuǎn)換原理： 44-3顯示數(shù)碼管: 11第五章電路的組裝與調(diào)試 12第六章設(shè)計總結(jié)與感想 15附錄 16參考文獻(xiàn)： 17第一章引言科技的高速發(fā)展，科技產(chǎn)品在不斷的的更新。傳統(tǒng)的溫度計已經(jīng)不能滿足人們對溫度準(zhǔn)確度和精確度的要求。這些參數(shù)的獲取都需要有高科技做保證，在三大信息信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機(jī)技術(shù))中，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng)引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領(lǐng)域，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器隨著溫度而引起的物理參數(shù)變化有：膨脹，電阻，電容，電動勢，磁性能，頻率，光學(xué)特性及熱噪聲等等。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：

傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器

、模擬集成溫度傳感器、

智能集成溫度傳感器。當(dāng)今信息化時代展過程中，各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的功能器件已經(jīng)成為各個應(yīng)用領(lǐng)域中不可缺少的重要技術(shù)工具。傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實現(xiàn)現(xiàn)代化測量和自動控制的主要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)?？梢娎斫夂蛽挝諅鞲衅鞯闹R與技術(shù)有著其極重要的意義。對采集的信息都希望用最直接的方式顯示出來，但是傳感器所采集的信息是模擬的信號，并且信號是非常微小的，需要用放大器進(jìn)行放大。模擬信號不能直接用數(shù)字儀器直接顯示，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后就可以將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，在通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示。有些可以直接與單片機(jī)鏈接。數(shù)碼管有共陽極與共陰極兩類，本次設(shè)計采用的是共陽極的七段數(shù)碼管。第二章設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一數(shù)字溫度計，將測量的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并顯示出來，即將收集的模擬的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。設(shè)計要求：必須選擇一個溫度傳感器，并且所設(shè)計的數(shù)字溫度計測量的范圍為0-100℃,采用數(shù)模轉(zhuǎn)換（單片機(jī)除外），LED數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示。第三章設(shè)計方案設(shè)計方案主要包括溫度的采集與信號的放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)碼顯示三部分。溫度的采集與放大數(shù)模轉(zhuǎn)換溫度的采集與放大數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)碼顯轉(zhuǎn)換示3-1采集和放大:溫度的改變會影響一些電阻的阻值，溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而變化的特性來測量的。一般采用阻值的變化與溫度的變化有線性關(guān)系的電阻來采集溫度，最后通過阻值的變化來反映出溫度。Pt100鉑熱電阻與溫度之間存在著線性的關(guān)系，通過阻值的變化可以得到對應(yīng)的溫度。有些是采用熱電偶的方式，溫度檢測部分可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點的溫度。本次課程設(shè)計主要用LM35,溫度傳感器，它能集溫度的采集與放大于一身的傳感器，而且采用LM35的電路比較簡單，于其內(nèi)部已將采集的信號進(jìn)行放大。3-2模數(shù)轉(zhuǎn)換：數(shù)模轉(zhuǎn)換就是將采集的溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，能夠被數(shù)碼管識別的數(shù)字信號。AD0809,等都是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，只是AD0809是與單片機(jī)搭配電路比較簡單，但是該課程設(shè)計不能用單片機(jī)。TC7107與MC14433都是三位半的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其可以直接與數(shù)碼管進(jìn)行連接顯示。但是MC14433在仿真軟件protues中沒有，所以只能采用TC7107。3-3數(shù)碼顯示：數(shù)碼顯示就是將TC7107轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號進(jìn)行顯示。一般數(shù)碼管有共陽極與共陰極兩類，共陽與共陰的只要區(qū)別就是其公共端是接陽極還是接陰極，如果接陰極就為共陰極，反之為共陽極。數(shù)碼管根據(jù)不同的信號顯示不同的值，但是一個數(shù)碼管只能顯示0—9還有負(fù)號與小數(shù)點。0—9的顯示主要是其a~g管腳的組合顯示。第四章設(shè)計原理與電路4-1溫度傳感器原理：溫度傳感器主要就是LM35，由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從零度開始。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，比按絕對溫標(biāo)校準(zhǔn)的線性溫度傳感器還得多。其主要的優(yōu)點有：在攝氏溫度下直接校準(zhǔn)。+10mV/℃線性刻度系數(shù)。在25℃時確定℃的精度。適合于遠(yuǎn)程應(yīng)用。工作電壓范圍廣（4—30）。低功耗，小于60uA。非線性僅為±1/4℃。輸出阻抗，通過1mA電流時僅為。LM35有多種不同的封裝型式，在常溫下，LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理就能達(dá)到±1/4℃的準(zhǔn)確率。其電源供電有單電源與雙電源供電兩類，正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的量測；兩種接法的靜止電流-溫度關(guān)系，在靜止溫度中自熱效應(yīng)低℃)，單電源模式在25℃下靜止電流約50μA，工作電壓較寬，可在4—20V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電。工作電壓4～30V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50μA），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場合中，輸出可以由第三個引腳取出，根本無需校準(zhǔn)。目前，已有兩種型號的LM35可以提供使用。LM35DZ輸出為0℃～100℃，而LM35CZ輸出可覆蓋－40℃～110℃，且精度更高，兩種芯片的精度都比LM35高，不過價格也稍高。其計算公式為：4-1-14-1-1圖4-1LM35VCC圖4-1LM35VCC（4—30℃）GNDOUT132圖4-2圖4-2其輸出的電壓與溫度之間是線性的關(guān)系，也就是說當(dāng)溫度問10℃時期輸出的電壓時。這一主要的特性使得溫度的測量得到簡化。所以LM35作為傳感器，一般你有三個管腳，如圖4-1所示1管腳接電源，選取+5V電源，3管腳接地，2管腳為輸出端口，接TC7107的輸入管腳。直接將LM35接在電路中就可以仿真溫度計，感受溫度的變化。圖4-3圖4-34-2模數(shù)轉(zhuǎn)換原理：數(shù)字溫度計將采集的模擬的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并能通過數(shù)碼管顯示出來，采用TC7207三位半的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。它能直接驅(qū)動7段數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)碼顯示，最后可得溫度的數(shù)字信號。TC7107是高性能，低功耗的三位半的A/D轉(zhuǎn)換器，它自身包含七段數(shù)碼顯示器，顯示驅(qū)動器，參考源和時鐘系統(tǒng)。三位半是十進(jìn)制數(shù)0000-1999。所謂三位是指個位，十位，百位，其數(shù)字顯示范圍是0—9而半位是指千位數(shù)，它不能與個位，十位，百位那樣從0—9，只能由0-1變化，即二值狀態(tài)，所以稱為半位。如果超過了量程，那么千位數(shù)就會顯示1，反之就是0，一般采用將該顯示的零進(jìn)行消隱。與ADC0809芯片相比，TC7107使得電路簡化的同時又節(jié)約了成本，所以選擇TC7107更合適。TC7107是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模的CMOS集成電路，其主要特點是：可以采用是電源供電，±5V的電源，有助于實現(xiàn)儀表的小型化。芯片內(nèi)部有異或門輸出電路，可以直接驅(qū)動LED顯示器。功耗低，芯片本身消耗的電流只有，功耗約16mW。輸入阻抗高，對輸入信號沒有衰減作用。能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)進(jìn)行自動調(diào)零和自動顯示極性的功能。噪聲低，失調(diào)溫標(biāo)和增益溫標(biāo)均很小。具有良好的可靠性，使用壽命長。整機(jī)組裝方便，無須外加有源器件，可以很方便的進(jìn)行功能檢查。圖4-4圖4-4圖4-4為TC7107的管腳圖，一共有40個管腳，其每一個管腳的意義表1所示：1V+提供正電壓2D1激活個位顯示的d部分3C1激活個位顯示的c部分4B1激活個位顯示的b部分5A1激活個位顯示的a部分6F1激活個位顯示的f部分7G1激活個位顯示的g部分8E1激活個位顯示的e部分9D2激活十位顯示的d部分10C2激活十位顯示的c部分11A2激活十位顯示的a部分12B2激活十位顯示的b部分13F2激活十位顯示的f部分14E2激活十位顯示的e部分15D3激活百位位顯示的d部分16B3激活百位顯示的b部分17F3激活百位顯示的f部分18E3激活百位顯示的e部分19AB4激活千位顯示1的上下兩部分20POL激活負(fù)極性顯示21BP/GND數(shù)字接地端22G3激活百位顯示的g部分23A3激活百位顯示的a部分24C3激活百位顯示的c部分25G2激活十位顯示的g部分26V-提供負(fù)電源27VINT積分輸出。積分電容的連接點28VBUFF連接積分電阻。滿量程為200mV時，電阻阻值一般為47K?，若為2V時，電阻的阻值為470K?29CAZ自動調(diào)零電容的容量對系統(tǒng)噪聲會產(chǎn)生影響。滿量程為200mV時，使用的電容為，若滿量程為2V時，電容為30VIN-連接的是模擬低電平輸入信號31VIN+連接的是模擬高電平輸入信號32ANALOGCOMMON,主要用來設(shè)置模擬共模電壓，用于電池操作或那些輸入信號以電源為基準(zhǔn)的系統(tǒng)。其還可以充當(dāng)電源33（34）CREF-，CREF+大部分應(yīng)用中使用的電容。如果存在大共模電壓，并且使用的200mV的量程，使用1uF的電容比較好，它將會使翻轉(zhuǎn)誤差保持為個計數(shù)35（36）VREF-,VREF+。VREF+需要此模擬輸入引腳以生成滿量程輸出即1999個計數(shù)。在引腳35與36之間放置100mV電壓，其滿量程為，在35與36管腳之間加1V的電壓時，其滿量程為2V37TEST測試登。如果測試電壓升至V+時，所有的將會導(dǎo)通，并且數(shù)碼管顯示的讀書為-1888.除此之外還可以作為外部小數(shù)點的負(fù)供電電壓38,39,40OSC3,OSC2,OSC1。這三部分組成振蕩器部分。對于48kHz的時鐘，38管腳接100pF電容，39管腳接100K?電阻，并且電容與電阻的另一端接 40管腳表1表1TC7107工作原理：TC7107是雙積分型A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要是在一個測量周期內(nèi)進(jìn)行兩次積分，兩次積分的方向相反，將被測電壓轉(zhuǎn)換成與其成正比的時間間隔，在此時間間隔內(nèi)填充標(biāo)準(zhǔn)的時鐘脈沖，用儀器記錄的脈沖個數(shù)來反映的值，所以它是變換型的。其原理圖為：圖4-5其工作主要有三個階段:圖4-5(1)準(zhǔn)備階段:主要使積分器的輸出電壓變?yōu)?，保證輸入電壓=0作為其初始狀態(tài)。自動調(diào)零電容一般為。4-2-1(2)采樣階段:主要是對被測量即對輸入的電壓進(jìn)行積分。一般作正向積分，輸出的電壓線性增加，同時邏輯控制電路將閘門打開，釋放脈沖個數(shù)。TC7107的信號積分周期為1000個時鐘周期或計數(shù)。在內(nèi)部計時之前，將外部的時鐘頻率進(jìn)行四分頻。所以積分時間為： 4-2-1為外部設(shè)置的時鐘頻率所以積分可以得：4-2-24-2-2 是輸入的電壓，即被測電壓是標(biāo)準(zhǔn)的時鐘周期C為積分電容，其計算公式為:4-2-34-2-3為38管腳上接的時鐘頻率為滿量程輸入范圍為積分電阻，滿量程為200mV時選用47K?，滿量程為時，采用的阻電阻值為470K?希望的滿量程積分輸出擺幅一般選用的電阻的阻值為，其必須保持較低的介質(zhì)吸收率，以最小化翻轉(zhuǎn)誤差。當(dāng)轉(zhuǎn)換器與測量系統(tǒng)公用同一電源公共端即接地端時，由VIN+和VIN-輸入的差分信號必須在器件共模電壓的范圍之內(nèi)。如果轉(zhuǎn)換器與測量系統(tǒng)未公用同一公共端，應(yīng)該將VIN-接到模擬公共端。極性是在積分結(jié)束后確定。符號位是真實的極性指示，這樣才能正確分辨小于1LSB的信號，從而使得精密零檢測只受器件噪聲和自動調(diào)零殘留失調(diào)的限制。(3)參考積分階段：這一階段主要是對系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行與被測電壓進(jìn)行積分方向相反的積分。如果被測的電壓即輸入電壓進(jìn)行的正向積分，則對標(biāo)準(zhǔn)電壓就應(yīng)該進(jìn)行反向積分，反之亦然。用于在參考電壓積分周期期間使積分器輸出電壓返回到零的參考電壓存儲在CREF上。當(dāng)VIN-連接到模擬公共端時，可使用μF的電容。如果存在一個大的共模電壓（VREF-與模擬公共端相連）且應(yīng)用需要200mV的滿量程，可將CREF增加至μF。翻轉(zhuǎn)誤差將保持在半個計數(shù)以內(nèi)。選用聚酯薄膜型介質(zhì)電容即可。輸出回零所需的時間與輸入信號成比例，在0至2000個計數(shù)之間。顯示的數(shù)字讀數(shù)為：4-2-44-2-4為輸入的電壓，即從溫度傳感器輸出的電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓此段積分輸出的電壓為：4-2-54-2-5與正向積分的方程進(jìn)行聯(lián)立可以得到：4-2-6即4-2-6因為與是給定的，所以輸入電壓的大小與時間內(nèi)釋放的脈沖個數(shù)成正比。如果始終脈沖的周期為那么有4-2-74-2-7所以輸入電壓還可以表示為：4-2-84-2-8如果標(biāo)準(zhǔn)電壓與第一次積分中的時鐘脈沖個數(shù)在數(shù)值上相同，那么輸入的電壓就是在反向積分中填充的脈沖的個數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)電壓是由電阻的分壓確定，在這次設(shè)計中采用的是20K與150K的滑動變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓的大小。這樣使得輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓大約為1V左右。圖4-6圖4-6對于TC7107中的振蕩器主要是接在38，39,40管腳上的元件控制的，所以4-2-9一般情況下4-2-9為48kHz100pF其在protues中的仿真圖為：圖4-7圖4-74-3顯示數(shù)碼管:數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)可分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等數(shù)碼管。按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。led數(shù)碼管是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于3位“+1”型。因為TC7107能夠直接驅(qū)動數(shù)碼顯示，可以直接在TC7107的數(shù)碼驅(qū)動端口接LED數(shù)碼管。并且在該設(shè)計中采用的數(shù)碼顯示器是共陽極的，即將使用的幾個LED數(shù)碼管的公共端連接在高電平上。圖4-8圖4-8每一個LED數(shù)碼管只能顯示的是從0至9的數(shù)字，其他的數(shù)字不能進(jìn)行顯示。如要顯示0-9之外的數(shù)，就要使用多個數(shù)碼管，TC7107是三位半的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以其數(shù)碼管有個位數(shù)碼管，十位數(shù)碼管，百位數(shù)碼管，半位的千位數(shù)碼管。數(shù)碼顯示器還可以顯示負(fù)號，負(fù)號的顯示是只有g(shù)段顯示，而其他的都不顯示。負(fù)號主要是為了表示其極性。如果為正極性，那么表示負(fù)號的g段將不會顯示，但是也不會出現(xiàn)正號。圖4-9該次課程設(shè)計仿真中數(shù)碼管的接線圖4-9圖4-9第五章電路的組裝與調(diào)試Protues中仿真：在完成電路的設(shè)計之后就要設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，設(shè)置參考電壓，采用20k的電阻與150k的滑動變阻器進(jìn)行了分壓，調(diào)節(jié)滑動變阻器，可以減小輸入電壓與顯示值之間的誤差。仿真的結(jié)果與實際值之間相差了。且LM35顯示的值只有一位小數(shù)，它會自動的進(jìn)行四舍五入。以下為輸入為情況下得到的結(jié)果輸入時的LM35的顯示值為.數(shù)碼顯示為，誤差為。圖4-10圖4-10圖4-11圖4-11PCB制作：原理圖：在AltiumDesigner中首先找到元件LM35AH與ICL7107CPL代替LM35與TC7107。因為他們的管腳是一樣的。圖4-12圖4-12圖4-12主要是LM35與TC7107的原理圖。圖4-13主要是顯示部分。數(shù)碼顯示管的管腳過多，連線的話很復(fù)雜。所以該部分采用的是標(biāo)記。就是在對應(yīng)的位置上給一個相同的標(biāo)記。圖4-13圖4-13PCB板：在設(shè)計PCB時畫原理圖后就畫PCB,之后覆銅就基本完成了。但是在將原理圖轉(zhuǎn)換為PCB板時經(jīng)常在第一個檢查的出錯，但是點擊完成時卻沒有錯，這是系統(tǒng)自身的問題。繪制布線時，自動布線的時候會出現(xiàn)死機(jī)。這種情況下只能自己布線。圖4-14為布線圖圖4-14圖4-14圖4-15第六章設(shè)計總結(jié)與感想圖4-15在這次設(shè)計中，遇到的問題很多，自己設(shè)計的也存在很多的問題。有些知識是在課本上的，但是不會運(yùn)用。我覺得主要的問題在：對課本的知識掌握的程度僅僅限于考試的范圍，沒有辦法與實踐進(jìn)行結(jié)合。一些過程太過于理想化。認(rèn)為只要有一個思路就能做出來。就如這次的數(shù)字溫度計，首先溫度傳感器感應(yīng)溫度，之后模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后數(shù)碼顯示。但是不考慮其中的很多問題，只有一個思想，到真正做起來的時候，卻很難實現(xiàn)。元件的選擇是一個很重要的問題。在選擇A/D轉(zhuǎn)