3位半数字显示温度计电子设计报告.docx
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3位半数字显示温度计电子设计报告
《3位半数字显示温度计》
设计报告
设计时间：
2011.12.12——2011.12.25
班级：
姓名：
报告页数：
30
广东工业大学课程设计报告
设计题目三位半数字显示温度计
学院信息工程学院专业应用电子技术班级一班
学号姓名（合作者；）
成绩评定_______
教师签名_______
摘要简述
温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学实验）（如：
物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等试验）中，有特别重要的意义。
我们的课程设计采用ICL7107A/D转换器驱动数码管来显示温度数字。
ICL7107内部集成了振荡器、放大器、比较器、计数器、译码器、A/D转换器等电路，用它设计数字显示温度计，只需少量的外围元件，并且调试方便。
与传统温度计相比，设计的数字显示温度计具有读数方便、测温准确的优点。
其输出温度采用数字显示，主要应用与崔测温比较准确的场合，或者可以自己使用。
大家知道，传统的温度计通常都是精度为1摄氏度和0.1摄氏度的水银、煤油或酒精温度计。
这些温度计的刻度间隔通常较密，不容易准确分辨，读数困难，而且上述材料的比热容较大，达到热平衡所需时间长，读数更加难以准确，使用非常不方便。
数字温度计与传统温度计相比，具有读数方便，测温准确快速等优点。
而数字温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度‘测量范围、控制范围和用途。
我们采用的温度传感器是LM35，不需要额外处理即可达到正负1/4摄氏度的准确率。
一、设计任务与要求：
设计任务：
采用采用温度传感器LM35，3位半A/D转换器、数字显示器设计一个日常温度数字温度计。
设计要求：
1、产品设计要求：
•①温度显示范围：
0℃~50℃；
•②数字显示分辨率：
0.1℃；
•③精度误差≤0.5℃；
•④电路工作电源可在5~9V范围内工作.
2、实验测试要求：
•1．测温度传感器输出曲线，即V/℃曲线；
•2．调整电路的参数以及参考电压；
•3．用示波器测量A/D转换器的BP、POL管脚波形及输出驱动波形；
•4．记录Vin与显示的数值关系；
二、设计方案与比较
方案一：
基于单片机的数字温度计设计。
器件：
单片机。
18B20，LED数码管，电阻，晶振，电容。
优点：
温度高低限可自由设定、读出温度后实时显示温度、可以增加报警功能等。
缺点：
单片机需要编程，以现有的单片机知识难以完成设计所需。
方案二：
基于LM35与ICL7107数字显示温度计设计。
器件：
LM35芯片、ICL7107芯片、电阻、电容、数码管等。
优点：
符合现有知识（模电、数电及高频知识）及实际设计要求（老师给出的设计要求）、经济实惠、实施简单。
缺点：
相对单片机设计方案来说几乎没有。
经综合比较，方案一虽然功能强大，但较难实现，方案二最符合实际设计要求，所以决定选择设计方案二。
三、系统设计总体思路
系统主体设计原理图：
查找资料得：
ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换电路，包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统，可以直接驱动LED数码管，是一块应用非常广泛的集成电路。
而LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，且该器件输出电压与摄氏温度成比例。
此外，LM35无需外部校准或微调，就可以提供正负0.25摄氏度的常用室温精度。
根据这两种主要部件的参数及构造，我们决定采用通过温度传感器LM35采集温度信号，经过整形电路送到A/D转换器，然后通过译码器驱动数码管。
其中ICL7107集A/D转换器与译码器于一体，可以直接驱动数码管，省去了译码器的接线。
因为ICL7107可以借助少量外部元件达到精确测量0到200mv的电压，而LM35本身可以直接将温度线性转换成电压输出，由此可以用ICL7107驱动数码管实现信号的显示。
四、电路主要原理
通过LM35对温度进行采集，有温度与电压近乎线性的关系，以此来确定输出电压和相应的电流，不同的温度对应不同的电压值，因此我们可以通过电压电流值经过放大进入到A/D转换器和译码器，亦即ICL7107芯片，最后驱动数码管显示数字温度。
原理框图：
显示部分
模拟部分数字部分
温度传感器
双积分A/D转换电路
计数器
锁存器
译码器
驱动电路
控制逻辑电路
4分频电路
显示器
振荡器
A/D转换电路
原理分析：
首先是温度的采集，此过程由温度传感器LM35完成。
温度传感器LM35采集到温度信号，经过整形电路送到A/D转换器，在通过译码器进行对数码管的驱动。
具体如下：
（1）、LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。
这个特点比较符合我们日常的温度读数习惯，其精度在我们测试的时候已经得到很好的验证，直接用电烙铁在其周围加热会有很好的系数显示出来，因此也方便了我们的实验数据的测量。
所以，从使用者的习惯以及测量者的方便性来看，LM35比用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越性。
而且，LM35无需进行外部的校准与微调，方便实用，更是兼有很高的精度，当然它也是所买器件中是最贵的。
LM35具体的工作特点有如下几点：
（1）工作电压：
直流4~30V
（2）工作电流：
小于133uA
（3）输出电压：
+6V~-1.0V
（4）输出阻抗：
1mA负载时0.1欧
（5）精度：
0.5摄氏度精度（在+25摄氏度时）；
（6）漏泄电流：
小于60uA
（7）比例因数：
线性+10.0mV/摄氏度
（8）非线性值：
正负四分之一摄氏度；
（9）校准方式：
直接用摄氏温度校准；
（10）封装：
密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装；
（11）使用温度范围：
-55~+150摄氏度额定范围
传感器电路采用核心部件是LM35AH，供电电压为直流15V时，工作电流为120mA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。
电压输出采用差动信号方式，由2、3引脚直接输出，电阻R为18K普通电阻，D1、D2为IN4148。
传感器电路原理如图2.1.
采样值的准确量化是温控电路正常工作的关键，这里采用以下换算办法来进行量化。
设经过信号调理后的电压为Ui，则-10V<=Ui<=10V
已知-10V对应的温度为-55摄氏度，10V对应的温度为125摄氏度，已求得比例因数Kt=0.111V/摄氏度。
Ui=-10V+温度为0摄氏度时，△T=55℃（即相当于-55℃的变化量）
Ui转换为数字量后，每个数字量对应电压值为4.883mV，（由12位AD，满量程20V可得），用Ks表示。
可求得数字量变化与温度变化的对应关系：
Kt/Ks=（0.111V/℃）/（4.883mV/数字量）=22.73数字量/℃当t=0℃时，AD输出的数字量D0=0+55℃*22.73数字量/℃=1250004EH。
A/D转换电路
ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器，同时包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。
ICL7107可以直接驱动共阳极LED数码管。
ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10μV的自动校零功能，零漂小于1μV/℃，低于10pA输入电源，极性转换误差小于一个字。
其中双积分型A/D转换器的电压波形图如图：
数码管显示
因为ICL7107的原因，本次设计只能选用共阳极数码管。
其内部结构如图：
主要要注意各个管脚对应不同的字母，不能接错或接漏，而且在管脚之前要接上电阻，以免烧坏芯片和数码管。
五、电路设计及参数计算
总的电路设计原理图如图：
电路PCB电路图：
简单功能说明图如图：
ICL7107的工作原理:
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。
它的原理性框图如图2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。
时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。
其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。
ICL7106A/D转换器原理
计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。
译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。
驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。
控制器的作用有三个：
第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。
第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。
第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。
钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。
它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。
第一阶段：
自动调零阶段AZ
转换开始前（转换控制信号VL=0），先将计时器清零，并接通开关S0，使积分电容C完全放电。
第二阶段：
信号积分INT
令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分，积分结果为：
上式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比。
第三阶段：
反向积分DE
令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。
如果积分器的输出电压上升至必零时，所经过的积分时间T2则可得，故可得到：
可见，反向积分到V0=0这段时间T2与Vl成正比。
令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间内计数值为N得：
T2=NTc
代入上式得：
分析可知：
T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。
下面介绍A/D转化过程的时间分配。
假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc,
如图3所示，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。
图3双积分型A/D转换器的电压波形图
各阶段时间分配如下
①信号积分时间Tl用1000Tc。
②信号反向积分时间T2用0一2000Tc，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。
③自动调零时间T0用1000－3000Tc。
从上面的分析可知，Tl侍定不变的，但T2随VIN的大小而改变。
因为，
选基准电压VRFF=100.0mv,
由：
得：
VIN=0.1N
满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：
VIN=2VREF。
为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl为工频周期的整数倍。
我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1=n×20ms。
n=l,2,3……n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A/D转换的时间越长。
因此，一般取Tl=100ms，即f0＝40KHz。
由T0=2RC105=2.2RC，得
式中T0为振荡周期。
由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。
ICL7107主要参数：
电源电压
ICL7107V+toGND
6V
温度范围
0℃to70℃
ICL7107V-toGND
-9V
热电阻
PDIP封装
qJA（℃/W）
50
MQFP封装
80
模拟输入电压
V+toV-
最大结温
150℃
参考输入电压
V+toV-
最高储存温度范围
-65℃to150℃
时钟输入
GNDtoV+
六、主要原器件介绍及元器件的选择
1、ICL7107芯片介绍
2、LM35温度传感器介绍：
a.LM35内部结构及原理
LM35是由NationalSemiconductor所生产的温度感测器，其输出电压与摄氏温标呈线性关係，转换公式如式下式，0°C时输出为0V，每升高1°C，输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封装型式，外观如图1所示。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±°1/4C的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其引脚如图2所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静默电流-温度关系如图3所示，单电源模式在25°C下静默电流约50μA，非常省电。
图1：
LM35封装及引脚排列
b.LM35的主要参数
•工作电压：
直流4～30V；
•工作电流：
小于133μA
•输出电压：
+6V～-1.0V适合于远程应用
•输出阻抗：
1mA负载时0.1Ω；
•精度：
0.5℃精度（在+25℃时）；
•漏泄电流：
小于60μA；
•比例因数：
线性+10.0mV/℃；
•非线性值：
±1/4℃；
•自热效应 小于0.08℃
•校准方式：
直接用摄氏温度校准；
•封装：
密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装；
•使用温度范围：
-55～+150℃额定范围。
LM35应用范围于温度探头电子式直读温度计，汽车自动检测线上的温度测量。
一些数字万用表具有温度检测功能，狭小空间工业设备测温和控制。
冷冻库，粮仓，机房电缆线槽等测温和控制领域。
c.典型的应用电路
图2：
LM35接线图
图（a）使用单电源工作时，测量温度范围在0℃~150℃的应用电路；
图（b）使用双电源（±电源）工作时，测量温度范围在-55℃~150℃的应用电路；
3、共阳极数码管介绍：
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
4、电阻、电容等器件：
电路的一般元件。
七、电路板制作
经过前面的准备，再用软件仿真后，我们最终做出了自己的数字显示温度计。
如图：
调试：
电路板做好后，接通电源，首先我们观察数码管各部分是否有问题，确认无误后再改变LM35的温度值，观察数码管的温度显示是否随温度变化而变化。
成果是良好的，数码管成功显示了LM35的温度变化情况，说明我们的数字显示温度计制作成功了!
实验数据折线图如下：
可得LM35与输出电压成正比关系，符合其工作特性。
附电路板全部元件表：
元件
数量
电阻
300Ω
21
15k、47k
1、1
100k
1
10k滑动变阻器
1
1M
1
电容
0.01μF
1
0.22μF
1
0.47μF
1
0.1μF
1
100pF
1
数码管
3
芯片
ICL7107
1
LM35
1
设计总结：
通过这次的课程设计，我们小组对A/D转换器的工作原理，数码管的辨别与连接有了比较清晰的了解，加深了我们对所学的数电、模电知识与实际的联系，总体上来说，让我们每个人都受益匪浅。
个人心得：
历经两个星期的课程设计结束了，其间的过程很是值得回味。
此次课设的题目有两个：
频率合成器、数字显示温度计。
老师刚刚说出这两个题目时，好像整个人都在蠢蠢欲动，跃跃欲试的感觉，到后来才知道这是多么难人。
首先，我们一组最后选择了数字显示温度计，因为在我们看来，温度计对我们来说是个很实用的东西，因为生活中很容易用到。
至于频率合成器，那显然是用的比较少了。
温度计也是很多人所选择的。
经过我们的分组，我承当了我们组的焊接工作，其他两位队员搞设计。
别看焊接焊接很简单，其实不然。
那可是个精细活。
选择焊接的人都应该知道，我就有很深的感受。
弄焊接，首先是要一个原理图，我的队友将原理图弄出来之后，我就要着手搞布线图。
虽说是个原理图，但是那可是不会把那些器件原原本本的摆在上面上去让你看着照瓢画葫芦。
像我们所用到的LED数码管，队友用的是仿真软件把那个原理图弄出来的，那个管脚以及芯片实际的管脚可是不一样的。
这就需要我重新画一个符合实际的图了，这可是个烦人的活。
线是弯来曲去，交错分布的，有时看着都会花眼。
这么多交叉的线怎么弄在一起而不影响彼此呢？
这个就要充分利用电路板上所用到的器件了，比如说电阻。
我们可以把线焊到电阻的下面，电阻是在上层分布的，所以下面就会腾出空间，还有芯片也是。
只要利用好这些空间，便能很好的连接好，当然如果有的管脚实在是远的离谱或者无法引出来，那就只能够“飞线”了，像我们的G2管脚，在我的设计中，只能“飞线”了。
虽然很困难，不过到最后还是将它弄出来了。
连线图弄出来就要着手焊接了，这个还好，还算顺利，至于最后的测试，因为我习惯焊好一条线后就要用万用表测试一下，所以精度还可以。
所以到最后，还算完成的比较顺利。
但是就是焊工还是不行，我看了一下别人焊的，和我的比确实好很多。
所以还是要加强训练才可以。
焊工需要的是耐心以及细心还要多练习才能焊好，另外，在这次课设中，团队合作也是非常重要的，因为有时一些焊接不是很好的地方队友都会给予指出，这样我就会知道问题出在哪里，更好的解决问题，也使我的技术进一步提高有很大的帮助。
另外就是，我的焊接需要队友的设计原理以及理念，他们将电路的原理与我一起分享，我们再一起交流，探讨实验的内在的原理。
这样子，就会增加我对焊接时的理解度，在出现故障的时候，也会方便我根据实验现象找出问题的所在，所以团队合作真是很是很重要。
另外也感谢梁老师给予我们的知道，这次的课设很有收获，而且还很有成就感！
附：
电路布线草图：
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