数字温度计课设报告.docx
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数字温度计课设报告
摘要
数字温度计以数字显示，而非指针或水银显示，可以准确的判断和测量温度故称数字温度计或数字温度表。
数字温度计是测温仪器类型的其中之一。
根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等。
本文介绍了一种通过温度采集电路，信号放大电路以及AD转换电路构成的数字温度计。
其中温度采集电路有LM35芯片构成，信号放大电路由OP-07芯片构成，AD转换电路由ICL7107芯片构成。
利用PROTEUS仿真软件画出电路图进行仿真可分析产生误差的原因及影响因素。
关键字：
数字温度计LM35ICL7107
1数字温度计电路的总设计
1.1数字温度计的原理
数字温度计即通过温度采集得到温度信号，再将其转化为数字表达，便可以准确的判断和测量温度，以数字显示，打破以往人们用肉眼看温度计中直接读数，可以为人们带来很多方便，可以减少一些不必要的误差，在实际生活与生产过程中都有着广泛的应用，在此基础上，我们设计制作出数字温度计。
数字温度计的设计方案有很多种，其基本思路大概都是通过温度采集设备进行温度采集，然后对采集的信号进行处理，使之成为可以利用的信号，让后通过AD转化芯片将收集的模拟信号如电压，电流等转化为数字信号，驱动数码管显示，得到所需结果，或者也可以基于单片机编写相应的程序，进行数字温度计设计。
本次设计我们采用的是第一种方法，即通过温度采集装置采集信息，进行AD转化得到所需结果。
其中我们采用LM35芯片作为我们的温度采集器件，电压放大我们采用的是OP-07芯片，AD转换芯片我们采用的是ICL7107芯片，显示数码管我们采用的是一位七段共阳数码管。
得到的数字温度计显示范围在0℃到100.0℃，精度为0.1℃。
1.2原理框图
图1.1原理框图
1.3框图介绍
由原理框图我们可以看出，本次设计我们在温度收集部分采用了LM35芯片作为该部分的核心，通过它随外部温度变化而改变输出电压的特性，我们便得到了所需的温度信号，然后将得到的温度信号输入第二部分，也就是温度信号放大部分，该部分的核心我们采用的OP-07运放，根据第三部分核心芯片AD转换芯片ICL7107的输入特性，我们可以在这部分采用电压并联负反馈，放大倍数采用1：
1，即信号放大部分在本电路中即相当于一个反相器，仅改变了电压的方向，不改变电压的大小，保证了输入AD转换的信号大小与实际信号大小一致。
本次设计最关键的是第三部分，也就是AD转换部分，本部分我们采用了AD转化芯片ICL7107，它包含3位半数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
将输入电压的模拟量通过它转换为数字量，可以直接驱动数码管显示输出，根据设计要求我们采用了2V量程，这样示数的范围就在0-199.9之间，由于LM35温度采集范围的限制，实际有效地温度显示范围我们选取为0℃-100.0℃，第四部分也就是数字显示部分，本部分我们采用的是4个一位七段共阳数码管作为显示，由于ICL7107可以直接驱动数码管，所以我们只需将数码管的管脚与ICL7107芯片的管脚对应相连即可，因为ICL7107芯片为3位半数字A/D转换器，所以表示百位的数码管我们只需将其4，6脚与芯片上的AB4脚连接即可，这样便能满足要求显示。
2电路原理及电路组成
2.1温度传感电路
温度传感电路部分我们采用的是LM35芯片，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，采用它的最主要原因是因为该器件的输出电压与摄氏温度线性成比例，无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度，这样采用的好处就在于温度会与采集到的信号线性挂钩，对于之后电路的设计有很大的优越性，简化了之后电路的设计。
因此本次设计我们采用LM35作为主芯片来构成温度采集电路。
LM35输出电压与温度的关系如下：
式2.1LM35输出与温度转化式
因此LM35可以很好地将所需测得的温度线性地转化为输出电压，使用方便。
温度传感电路LM35所接电路如下所示：
图2.1LM35电路连接图
2.2温度信号放大电路
本次设计中温度信号放大电路我们采用的是OP-07构成的放大电路，OP-07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
具有非常低的输入失调电压，具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
在本次设计中我们对于OP-07采取的接法是电压并联负反馈，根据设计要求我们选取了反馈系数为1，反馈电阻选取10K，这样的连接就相当于仅仅只将电压反向，不改变输入电压的大小，保证了输入到AD转换芯片信号与采集的信号的一致，输出与室温相同的示数。
在本次设计中我们采用这部分电路的目的是为了温度变化趋势与AD转换之后输出的数字显示变化趋势一致，进行反向输入信号便可以达到目的，这样就能确保设计出的温度计能够满足实际要求，符合客观事实。
仿真电路该部分的连接如下所示：
图2.2温度信号放大电路
2.3AD转换电路
AD转化电路是本次设计中的核心部分，它可以将输入的模拟信号，在本次设计中也就是电压信号转化为数字信号，再将数字信号输出显示，我们在芯片选择上采用了ICL7107芯片作为这部分的核心。
选择它的原因是因为ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。
它包含3位半位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
我们通过它可以直接在输出端连接数码管进行显示，简化了电路。
同时由于它是三位半AD转换芯片，设计要求我们的温度计输出温度显示满足0℃-100℃，这样ICL7107的输出也能满足要求。
ICL7107的连接我们通过网络查阅资料可以得到它的典型连接，振荡电路的元件采用100K电阻与100PF电容，积分电路元件采用470K电阻，0.047uF和0.22uF电容，参考电容为100nF，关键的参数设置是参考电压的调整，为了保证输入变化与输出变化的幅度相同，我们可以通过滑动变阻器的调整使参考电压为1V，这样就能满足要求当外界温度变化1℃时显示变化1℃，使温度计的输出满足实际需求。
AD转化电路连接如下所示：
图2.7AD转换电路
2.4显示电路部分
本次设计我们采用的是1位7段共阳数码管，在ICL7107中,我们设定A1-G1，A2-G2，A3-G3，AB4表示的依次为个位，十位，百位与千位，我们在十位后点亮小数点，就依次变为小数位，个位，十位与百位，从而实现0-100℃温度显示。
数码管显示部分如下所示：
图2.9数码管显示部分
2.5电路设计总图
图2.9设计总图
3电路仿真
3.150℃时仿真结果
图3.250℃时仿真结果
3.2仿真分析
在上述仿真中，仿真温度为50℃时，用电压表测得LM35芯片输出的电压为0.5V，通过OP-07得到的电压-0.5V，此时输入AD转换芯片的电压为-0.5V，由于参考电压为1V，根据数据手册得知我们的连接使输出数字显示为输入信号乘以1000，所以当输入0.5V时，输出数字为0.5×1000=500,由于我们将小数位设定在原本的个位，所以此时的输出显示为50.0，也就是温度计输出显示读为50.0℃。
这样也就符合我们预期的结果，仿真成功。
4实物图片及调试
本次设计在调试时我们发现了很多问题，比如一开始没有加限流电阻而用5V电压驱动，导致数码管烧坏，问题最多的是AD芯片的连接问题，我们通过查阅数据手册按照上面2V量程选择元器件连接，发现输出数字不正确，通过检查电路发现振荡电路中的电阻连错了，选成了1MΩ，导致输出结果老是不对，在改正之后发现输出仍然不正确，数码管一直显示199.9，也就是超了量程，我们用电压表测得在前两级也就是温度采集部分和信号放大部分之后的电压正常，但是输入到芯片的电压却不正确，明显变高，我们猜测是否二者电压作比较的地是否不同，经检查发现，二者地的确没用连在一起，我们将芯片的负输入端与地连接之后芯片的输入电压恢复正常，但此时输出仍不正确，在温度为27℃时输出结果为150多，明显错误，认真检查电路，发现芯片的元件连接，选择均无错误，观察仿真图发现，芯片的电压连接不正确，调节供电电压至正常，此时输出数字恢复正常。
在本次调试中我们发现了很多问题，究其原因还是没有很好地设计好，由于第一次买的板子过小，连接数码管到芯片上的管脚时导线连接的很乱，不好检查，导致调试缓慢，错误检查困难，吸取教训后，我们第二次采用大板子焊接，数码管连接采用排针用杜邦线从板子上方连接，这样检查起各个数码管就较第一次容易很多，大板子也是我们的元件之间空隙够大，不至于不小心就出现短路，断路之类的问题，为了节省空间，我们还特意采用了贴片电阻作为我们数码管的限流电阻，这样更使我们板子看起来简洁很多，这对于调试都有着很大的方便，同时数码管的烧坏也让我明白了仿真与实际的差距，因为仿真时并不报错，当然这与自己对限流的概念认识不够深刻有关，通过调试让我对于实物制作与理论设计有了自己的体会，收获巨大。
图4.1实物图
5心得体会
数电课设已经告一段落，但在这短短的几天内，我却收获颇多。
通过对题目的分析，设计，搭建实物，调试到最后成功，每一步都留下了自己的足迹，回顾这几天，我觉得自己的动手能力与分析能力在这次的课设中得到了很大的提高，不仅仅是对于理论知识有了更深一步的掌握，同时自己分析问题，处理问题的能力也得到加强。
在设计中，对于一些元器件如LM35，OP-07，ICL7107芯片的功能，引脚，使用注意事项等一系列问题有了自己的体会与认识，在实践中更进一步加强了自己对这些芯片的了解。
本次课设让我深深了解了理论与实际的差距，在仿真过程中我们在采用了5V电压给数码管供电，而且并未加上限流电阻，但是仿真中并不报错，但在实际连接时这样做的结果就是导致2个数码管的烧坏，这一问题的发现让我深深体会到实践才是真正检验真理的唯一标准，我们不能盲目地从理论对问题进行分析，更要联系实际，结合现实。
这次数码管的烧坏也提醒我们在连接实物时应当对于元器件有深入了解，这次对于数码管的供电电压了解不足也是烧坏数码管的原因之一，这个事件也告诉我们问题出现之后不要以为抱怨，而应积极分析，找出并解决问题。
这在以后的生活学习中都有很大的影响。
另外在课设过程中也提高了我的团队合作能力，让我了解到团结力量大的道理，只有善于合作的人才是现代社会所需要的人才，可以说没有团队合作的队伍是不可能取得最后的成功的，我们在团队中应找到自己的位置，为团队发挥自己最大的力量。
课设过程中有人的手被烫了，这也为我们敲响了安全的警钟，无论做什么事情我们都应将安全放在第一位，在完成任务的时候做好安全保护措施，不能忽视安全这个看似飘渺，但是十分重要的方面。
经过本次课设，我会在剩下的时间好好学习理论知识，为以后工作打下良好的基础，坚持理论联系实际。
同样在今后的学习生活中要善于利用网络资源，查阅网络资料，并找出对自己有用的部分，这样让学习变得更直观，更容易理解，从而达到事半功倍的效果。
6元件清单
元件名称
元件型号及参数
个数
电阻
10K
2
100K
1
24K
1
1M
1
470K
1
1K
1
可调电阻
100K
1
20K
1
电容
0.1uF
1
0.01uF
1
0.047uF
1
0.22uF
1
100pF
1
芯片
LM35
1
OP-07
1
ICL7107
1
数码管
共阳极数码管
4
参考文献
[1]毕满清主编．电子技术实验与课程设计.第3版.北京：
机械工业出版社，2005
[2]陈晓文主编．电子线路课程设计.第1版.北京：
电子工业出版社，2004
[3]赵淑范，王宏伟.电子技术实验与课程设计北京：
清华大学出版社，2006.8
[4]王立新，杨少卿.温度检测方法与温度传感器[J]．聊城师院学报,1999
[5]欧伟民.数显温度计的设计与制作无线电第四期总第463期，2001.4
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