南邮温度测量仪实验报告总结doc.docx
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南邮温度测量仪实验报告总结doc
摘要
本课题是利用A/D转换设计的一个温度测量仪，利用振荡器
的敏感特性，去检测展示的温度。
因此，我们必须用模数转换器即
A/D转换器把模拟信号转换成数字信号后送入28C64存储器中，再
利用显示电路把转换后的数字信号显示出来。
整个流程先通过LM35
温度传感器进行操作，实现温度采集。
在转换的过程中用到芯片
ADC0809；最后通过译码器显示出温度；本课程还利用到
7485比较
器，实现报警功能！
第一章技术指标--------------------
1.1系统功能要求--------------------
1.2系统结构要求--------------------
1.3技术指标------------------------
1.4设计条件------------------------
第二章整体方案设计----------------
2.1数据处理流程分析---------------
2.2整体方案-----------------------
第三章单元电路设计--------------------
3.1温度传感器及其放大电路的设计------
3.2A/D
转换电路及数字显示电路的设计
--
3.2.1
设计思路-----------------------
3.2.2
数模转换及显示电路
--------------
3.3
71KHz
方波信号发生器的设计------
3.4
超限比较报警电路的设计------------
3.5
整体电路图------------------------
第四章
测试与调试----------------------
4.1
数字显示电路的调试----------------
4.2
存储器和数字显示电路的调试--------
4.3
信号发生器电路的测试
-------------
4.4A/D
转换电路及数字显示电路的调试
---
4.5
超限比较报警电路的调试--------------
第五章
设计小结---------------------------
5.1
设计任务完成情况------------------
--
5.2
问题与改进---------------------------
5.3
心得体会--------------------------
---
第一章
技术指标
1.1系统整体功能要求
温度测量仪能够测量和显示测量的温度值，当温度超过设定的值
后，发出超温的指示或报警。
报警温度的设定可根据需要自定。
1.2系统结构要求
温度测量仪的整体框图如图1所示，其中S1为系统复位按键，
S2为报警温度设定。
温度测量仪的整体方框图
1.3技术指标
1、电压指标
（1）温度测量范围：
0℃～99℃
（2）显示精度:
1℃
（3）测温灵敏度：
20mV/℃
（4）显示采用四位数码管
（5）温度报警采用LED发光二极管或蜂鸣器
（6）报警温度可以任意设定
1.4设计条件
（1）电源条件：
稳压电源
0V～15V可调
（2）可供选择的元器件范围下表所示。
型号
名称及功能
数量
LM35
温度传感器
1只
TL084
运算放大器
1片
ADC0809
八路A/D转换器
1片
7448
七段显示译码器
2片
28C64
EEPROM存储器
74157
同相输出四2选1数
2片
据选择器
4511
BCD-七段译码器
2片
7485
四位数字比较器
2片
CD4029
可预置可逆计数器
2片
555
定时器
1片
7400
四2输入端与非门
1片
按键开关
1个
无锁开关
1个
自锁开关
1个
各种R、C阻容件及放光二极管自定
第二章整体方案设计
2.1、数据处理流程分析
温度测量仪顾名思义是通过温度传感器对被测对象的温度变化
情况进行测量和监视的，传感器输出的不同电流，经电流-电压变化
后放大成不同的模拟电压，再经A/D转换，送入数字电压表，将温
度数值显示出来。
温度传感器的原理方框图如下图所示：
温度传感器的原理方框图
温度传感器是温度监测仪的核心部件，它的作用是将温度值转
换为电流值。
按温度传感器与被测介质的接触方式分为：
接触式和
非接触式温度传感器两大类。
热电阻、热电偶、半导体集成温度传
感器都属于接触式温度传感器；红外测温传感器属于非接触式传感
器，它通过被测介质的热辐射或热对流达到测温目的。
温度传感器
的测量范围极广，从零下几百℃到零上几千℃，测温精度又各有不
同，要根据测温的具体要求（如测温范围、精度）合理选择合适的
温度传感器。
集成温度传感器的输出形式分为电压输出型和电流输出型两
种，电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度为0K时的输出电压
为0V，温度为25℃时的输出为：
2.9815V。
电流输出型的灵敏度一
般为1μA/K，25℃时在1KΩ电阻上的输出电压为：
298.15mV。
2.2、整体方案
整个系统电路在面包板上实现，其中核心模块为A/D转换部
分及数字电压表部分，以下将做较详尽考虑。
第三章单元电路设计
（1）温度传感器及其放大电路的设计
LM35主要特性：
集成温度传感器LM35具有测温精度高、线性优良、体积小、
热容量小、稳定性好、输出电信号大及价格较便宜等优点，LM35灵
敏度为10mV/℃,即温度为20℃时，输出电压为：
200mV。
常温下测
温精度为±0.5℃以内，消耗电流最大也只有70μA，自身发热时测
量精度的影响在±0.1℃以内。
采用+4V以上的单电源供电时，测
量温度的影响范围为：
2℃～150℃；而采用双电源供电时，测量温
度范围为：
-55℃～+150℃，电压使用范围为4V～20V。
设计思路
因为用户要求测温灵敏度20mV/℃，而LM35的灵敏度为
10mV/℃的电压输出型温度传感器，因此传感器温度变换后应有一个
同相2倍的电压放大电路，这部分电路可简单地运用运算放大器
LM324来实现。
②温度变换及其电压放大模块电路图
说明：
图3中的跟随电路A1是为了避免后续电路对V（t）的过多影
响而增设的电压跟随器，以保证V（t）能真实地反映温度场的正确温
度。
（2）A/D转换电路及数字显示电路的设计
①设计思路
将V（t）的模拟电压送入A/D转换器的输入端，转换为二进制码，用该码作为存储器EEPROM的地址信号，将事先预置在存储单元的温度值取出，经译码显示电路将数字显示出来。
A/D转换器
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、
保持、量化和编码四个步骤完成。
采样和保持:
采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。
将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的
幅度取决于输入模拟量。
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。
采样脉冲宽度τ一
般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的
样值脉冲幅度，以便进行转换。
因此，在取样电路之后须加保持电
路。
保持电路
取样保持电路及输出波形
场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟
随器，起缓冲隔离作用。
取样保持电路及输出波形
在采样脉冲S（t）到来的时间τ内，VT导通，UI（t）向电容C充
电，假定充电时间常数远小于τ，则有：
UO（t）＝US（t）＝UI（t）。
－
－采样
采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI（t）不变，
直到下一个采样脉冲到来为止。
－－保持
量化与编码:
输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。
而该阶梯
波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数
值。
因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个近似问
题。
量化是指将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，
这个过程就称为量化。
用二进制数码来表示各个量化电平的过程称
为编码。
取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等
的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。
舍尾方法②四舍五入方法
本设计中采用ADC0809在同一芯片上设计了一个8位的A/D转
换器和8通道模拟开关，因此可以直接输入8个单端的模拟信号。
该器件主要性能如下：
（1）采用单+5V电源逐次逼近式A/D转换，工作时钟典型值为
640KHz，转换时间约为100μs。
（2）分辨率为8位二进制码，总失调误差：
ADC0809为±1LSB。
（3）当用+5V电源供电时，模拟量的输入电平范围0～5V，不需要零点和满度调节。
（4）具有8通道闩锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量。
（5）数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL电平。
（6）容易与各种微处理器连接，也可以独立工作。
ADC0809芯片管脚和内部结构图：
逐次逼近式ADC的工作原理介绍:
1.工作思想：
可用天平秤重过程作比喻来说明。
若有四个砝码共重
15克，
每个重量分别为8、4、2、1克。
设待秤重量Wx=13克，可以用下
表步骤来秤量：
组成：
（1）电压比较器
（2）D/A转换器（3）时序分配器（4）JKFF（5）
寄存器
时序分配器输出波形
电压比较器C：
将入u和D/A器出参考U'
REF
行比，当U'
I
REFI
，出F=1；当U'REF≥uI，出F=0。
序分配器：
它的作用是生有用的拍脉冲，它通常由形数器构成，
在CP的作用下生CP0～CP4的拍脉冲，其波形如下所示。
JK触器：
在拍脉冲CP0～CP4的作用下，每次比果，向D/A
器提供入数。
寄存器：
由D触器构成，在拍脉冲的作用下，最后比果，并行出二制代。
逐次逼近型A/D转换器的工作原理：
假D/A器的基准UREF=8，采保持信号uI=4.75V。
第一步：
开始前先将逐次逼近寄存器清“0”；
第二步：
第0个脉冲首先将寄存器最高位置成1，使出数字
100⋯0。
个数被D/A器成相的模uREF’，并送到比器中与uI行比。
若uI＜u’REF，明数字大，故将最高位的1清除置零；若uI≥u’REF，明数字不大，将一
位保留。
具体分析：
QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压u'REF=4V。
u'REF
此，电压比较器输出F=1，G=0。
此时，4个JKFF的J=1，K=0。
第三步：
在节拍脉冲CP1下跳的作用下，QD=1，QC=1，QB与QA仍保持
“0”态。
这样在CP1作用后，JKFF的状态为：
QDQCQBQA=1100。
D/A转
换器输出参考电压U'REF=6V。
由于U'REF>uI，因此，电压比较器输出
F=0，G=1，4个JKFF的J=0，K=1。
第四步：
在节拍脉冲CP2下跳的作用下，QD=1QC=0，QB=1，QA=0。
这样在CP2作用后，JKFF的状态为：
QDQCQBQA=1010。
D/A转换器输出
参考电压U'REF=5V。
由于U'REF>uI，因此，电压比较器输出F=0，
G=1，4个JKFF的J=0，K=1。
第五步：
在节拍脉冲CP3下跳的作用下，QB=0，QA=1。
这样在CP3
作用后，JKFF的状态为：
QDQCQBQA=1001。
D/A转换器输出参考电压
U'REF=4.5V。
由于U'REF
JKFF的J=1，K=0。
第六步：
在节拍脉冲CP4下跳的作用下，QA=1。
4个JKFF的状态
为：
QDQCQBQA=1001。
CP4的上升沿将DFF的1001状态存入4个DFF,并
且保持下来,输出为D3D2D1D0=1001。
即：
输入模拟信号uI=4.75V,由
A/D转换后输出4位二进制代码1001。
逐次逼近式A/D转换器完成一次转换所需的节拍数为
（n+1）,其中n为二进制代码位数，完成一次转换所需时间为
（n+1）TCP，其中TCP为时钟周期。
举例：
若UREF＝8V，n＝4。
当采样保持电路输出电压uI=4.75V时，试
列表说明逐次逼近型ADC电路|U的REFA/D|8转换过程。
＝2n＝16＝0.5V
解：
量化单位为
转换的结果为：
D3D2D1D0＝1001。
逐近A/D转换器完成一次转换所需的时间（n+1）TCP。
28C64简介：
模数转换乃数字显示电路除用到ADC0809外，还用到28C64与两片
4511.28C64是一个含163=4096个单元的存储器，每个单元8bit，
单元地址从0000H——0FFFH。
28C64，13地址端输入，4地址端输
出，其具体功能表详见数字电路书。
本实验将28C64的0000H——
0063H分别存储00——99的BCD码。
即：
0000H→00H
0001H→01H
0002H→02H
..
..
0009H→09H
000AH→10H
000BH→11H
..
..
0063H→99H
74157简介：
74157是一个A4——A1，B4——B1根据1号管脚电平，选择输出
的芯片。
本实验中切换当前感应温度与设定温度就是用到此器件，
其具体功能见数字电路书相关内容。
本实验将28C64输出的I/07——I/00连至两个74157的A4——
A1，再将脉冲置数器的两个Q1——Q4连到74157的两个B4——B1端。
改变1管脚电平值实现显示切换。
74157管脚图：
U?
GN
SEL
A1Y1
B1
A2Y2
B2
A3Y3
B3
A4Y4
B4
74157
说明：
ADC0809的CLOCK端需要一个71K左右的方波信号，若不提供
信号发生器，我们可以采用555定时器制成自激多谐振荡器来实
现。
而输入端V（t）选择INO端口，地址为000。
71KHz方波信号发生器
用555定时器构成的多谐振荡器如图5所示，它无需加激励，
只要接通电源就可以输出方波。
关于555的功能表，详见数字电路书相关章节。
信号发生器电路：
其中Ra=1KΩ,Rb=100KΩ，则若取C=0.0001uF，则
T=0.7*2*100*0.1*10-6S=1.4*10-5S
F=1/T=71KHZ
这个频率已经可以满足ADC0809的时钟要求了。
超限比较报警电路的设计
设计思路
设定一个报警温度Tg，将Tg折算成对应的比较电压Vg，即
Vg=Tg×20mV/℃。
要想使Vt〉Vg时，电路报警，可将两电压通过一
个电压比较器后经发光二极管显示是否报警。
②报警电路图
7485简介：
要用以上方案就必须使用7485,7485是一个二进制4位数字比
较器通过比较A3——A0与B3——B0得出结果。
因为本方案的温度是十进制两位数，所以必须使用两片7485来
比较，即8位2进制比较。
其电路图如下：
用此电路可直接比较Vt7——Vt0与Vg7——Vg0.
置数电路：
本电路最终使用两个加法（减法）计数器，CD4029来置数，其
基本电路如下：
S2为脉冲开关，，S1为加（减）切换开关。
整机电路图（最后另附）
第四章测试与调试
4.1数字显示电路的调试
再给4511的管脚号1、2、6、7中的一个施加电源时，其他的
接地就会分别显示0、1、2、4、8，当四个管脚号全部接地时译码
管显示的是0。
如下表：
①建表
输入十位
显示
输入个位
显示
0000
0
0000
0
0001
1
0001
1
0010
2
0010
2
0011
3
0011
3
0100
4
0100
4
0101
5
0101
5
0110
6
0110
6
0111
7
0111
7
1000
8
1000
8
1001
9
1001
9
②结论：
达到设计要求。
4.2存储器和数字显示电路的调试
分别给28C64的管脚号3、4、5、6、7、8、9、10中的一个接
电源，其他的接地就会显示出下表的数值，值得注意的是：
当管脚
号全部接地时，译码管显示的是0.当管脚号3（高位）接电压时，
译码管不会显示，因为27已经超过了99，因此不会显示！
还有就是
有可能两个（或两个以上）接电压时，译码管显示相应的数值。
这
里就不一一列表了。
①建表
地址
显示十位
显示个位
00000000
0
0
00000001
0
1
00000010
0
2
00000100
0
4
00001000
0
8
00010000
1
6
00100000
3
2
01000000
6
4
10000000
不显示
不显示
②结论：
达到设计要求。
4.3信号发生器电路的测试
①波形如下
T=1.4*10-5S
②结论：
达到设计要求。
4.4A/D转换电路及数字显示电路的调试
理想实测误差
V
IN
o
显
示
V
IN
o
显示
（℃）
out
out
（mv）
（mv）（℃）
（mv）
（mv）（℃）
250
500
25
246
492
24
1
200
400
20
200
400
20
0
225
450
23
220
440
22
1
结论：
达到设计要求。
4.5超限比较报警电路的调试
给LM35加温或降温（相当于改变VT），这时数码显示的数值在变化。
再给VG设定报价电压，是发光二级管点亮，该电路就可以工
作了。
设定值实际值是否报警
24
25
是
25
25
是
26
25
否
结论：
符合设计的要求。
第五章
设计小结
5.1设计任务完成情况
整个实验全部完成，基本达到了要求。
能够正常的测量温度，当给振荡器加热时，译码器的上的数字会正常的增加。
5.2问题与改进
首先出现的问题是：
芯片有可能是坏的，在烧28C64时，一定要确认是否烧制成功。
在连接555定时器时，确定电阻电容的大小，不能连接错误，尤其是管脚号2和6，它们是短路的。
在调测方波时，细心点就好了！
在放置LM35振荡器时，不
要接错正负极了，以免吧器件烧坏了！
还有就是线路的检查，一定要细心。
有时候一个线路就有可能导致实验的失败！
接在译码器上的电阻要小一点，否则译码器显示的数字不稳定。
译码器显示不稳定，需要在芯片的两端加一个电容就好了！
5.3心得体会
课程设计实习已经结束了，但心中的兴奋却依然存在，此时此刻心还沉浸在实习的气氛当中。
本以为实习会是枯燥无味的，但说实话，没想到实习这么快就结束了，还真有点意犹未尽的感觉。
通过这几天的亲身体会，虽说只是短短的几天的时间，但自己真的发现原来实习是那么的有趣。
并且也使自己认识到了理论学习与实践相结合的重要性。
在实习中，让我体会最深的就是：
做事情的认真态度。
实习让我明白，作任何事都要仔细认真，也许一个小
小的疏忽都将导致整个工作前功尽弃。
相反，认真可以发现“柳暗花明又一村”的效果。
遇到实际问题时，只要认真思考，用所学的知识，再一步步探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。
就拿接线这个环节说吧，面对那错综发杂的线路，还有那针眼板的插孔，对初学者来说一不小心就会出错，但只要认真细心的对照原
理图和每个芯片的管脚号，就可以完美的把电路图接好，同时认真的观察设计可以在保证质量的同时提高自己的效率。
这几天的学习让我重新认识了自己，并且对自己身上的不
足之处有了更深的了解。
通过实际动手操作,才发现理论和现实事物
之间的差距,才明白不是只要学好课本上的知识就能胜任将来的工
作。
通过本次实习使我们对28C64元件一定的感性和
升级会员 