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数字温度表

课程设计

课程名称：

测控电路设计与实践

题目名称：

数字温度表

学生学院：

信息工程学院

专业班级：

学生姓名：

学号：

邮箱地址：

指导老师：

2013年12月26日

广东工业大学课程设计任务书

题目名称

数字温度表

学院

信息工程学院

专业班级

测控技术与仪器专业

姓名

学号

一、课程设计的内容

1、设计内容

（1）结合参考电路分析数字温度表的工作原理和过程；

（2）详细分析双积分式A/D转换器MC14433的典型应用电路；

（3）分析电路中温度传感器及接口的工作原理；

（4）分析显示接口的工作原理及进行接口设计；

（5）分析时钟振荡电路的工作原理。

2、电路仿真

根据双积分式A/D转换器MC14433的电路工作原理，选用相应软件实

现电路的仿真，观察随着被测温度的变化，输入电压、两次积分以及计数

器信号的变化。

3、使用Protel绘制电路原理图，布局PCB板，使用热转印或者曝光方法

制作电路板，根据系统原理图及所选择的元件及参数，购买相应元器件，完

成电路焊接、调试。

二、课程设计的要求与数据

1、完成数字温度表电路的分析与制作；

2、讨论与分析，制作与调试，演示与答辩，提交设计报告。

一、方案论证与任务安排...............................................1

1.设计目的..........................................................1

2.系统原理..........................................................1

3.设计实验器材......................................................1

4.任务安排..........................................................1

二、方案的设计与实现.................................................2

1.电路原理图.......................................................2

2.电路设计说明.....................................................2

3.各部分电路的功能.................................................3

4.电路元器件的工作原理.............................................3

5.电路制作、调试...................................................7

6.电路的不足........................................................8

7.设计实验现象.....................................................9

三、设计总结与个人心得体会...........................................10

四、元件汇总.........................................................11

五、参考文献..........................................................11

一、方案论证与任务安排

1.设计目的

1.1掌握电子系统的一般设计方法

1.2培养综合应用所学知识来知道事件的能力

1.3掌握常用元器件的识别和测试

1.4熟悉常用仪表、了解电路的基本调试方法

1.5了解温度传感器LM35和MC14433、MC1413、CD4511的功能和运用

2.系统原理

打开电源后MC14433开始工作，温度信号经温度传感器LM35后，在其负载电阻R1上输出按式子Ｕ＝１０（ｍＶ）ｔ变化的电压信号．接着，该电压信号再经滤波电路滤波后由ＶX端输入MC14433进行Ａ／Ｄ转换．由于MC14433的ＥＯＣ端与ＤＵ端相连。

所以MC14433没有启停控制。

即其１次Ａ／Ｄ转换结束输出ＢＣＤ码的同时又开始了新的１次AＤ转换．每次Ａ／Ｄ转换结束后,输出的数据以ＢＣＤ码从MC14433的Ｑ3、Ｑ2、Ｑ1、Ｑ0端输出，同时通过MC14433的ＤＳ1、ＤＳ2、ＤＳ3、Ｄ4端输出数位指示信号．Ｑ3、Ｑ2、Ｑ1、Ｑ0端输出的ＢＣＤ码经CD4511译码后驱动ＬＥＤ数码管的ａ、ｂ、c、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ各段发光二极管，同时，由Ds1，Ds2、Ds3、Ds4端输出的数位指示信号经MC14433后驱动相应位的ＬＥＤ数码管工作

3.设计实验器材

3.1A/D转换器MC14433

3.2BCD七段显示器译码器CD4511

3.3达林顿管阵列MC1413

3.4LM35温度传感器

3.5电容、导线、电阻若干

3.6稳压二极管、二极管、变阻器、四位共阴极数码管

3.7电源、焊接工具

4.任务安排

：

主要负责原理分析，进行电路仿真，同时元件布局和焊接的帮忙。

：

主要负责课程设计报告书的编写，元件资料和电路原理的查找。

：

主要负责电路板的布局和焊接，以及电路正常工作前的检查和改正。

二、实验方法、步骤及测试

1、电路原理图如下

图1：

电路原理图

2、电路设计说明

本电路由温度采集、A/D转换、译码驱动、数位驱动、数字显示和电源等５部分组成．其中：

温度采集部分采用了LM35集成温度传感器；A/D转换部分采用了MC14433、译码驱动部分采用了CD4511、数位驱动部分采用了MC1413、数字显示部分采用了ＬＥＤ显示器．

电路设计说明：

2.1本数字温度表需满足体积小巧便于携带的要求，为减小其体积，显示器件采用小型的，且所用元器件也尽量采用集成器件．

2.2为了达到测量精度高、反应速度快的要求，本测温表采用了专用测温传感器LM35．LM35为新型集成温度传感器．它可在４～30Ｖ的单电源下工作，其静态电流为80μＡ，精度为±1℃，最大线性误差为±0.5℃。

输出电压与温度的关系为：

Ｕ=10t（ｍＶ）．其中ｔ为摄

氏温度值。

温度范围为0℃～100℃，。

在此温度范围内被测温度与LM35的输出电压关系是１０ｍＶ／℃

2.3为了在明、暗的房间内都能使用,故本温度表采用了数码管显示．

2.4因本电路采用的是±１．９９９Ｖ档，故其参考电压为＋２Ｖ，即使ＶR端高于ＶAG端２Ｖ。

2.5因为本电路采用的是＋９Ｖ单电源供电．故将VEE与ＶSS相连。

并根据MC14433芯片的技术要求．使VAG端至少比ｖEE端的电平高出２．８Ｖ．

3、各主要部分的功能如下

3.1、三位半A／D转换器（MC14433）：

将输入的模拟信号转换成数字信号。

3.2、温度传感器LM35：

输出电压随温度的变化而变化

3.3、译码器（CD4511）：

将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。

3.4、驱动器（MC1413）：

驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。

3.5、显示器：

将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A／D转换结果。

4、电路元器件的工作原理

4.1三位半A/D转换器MC14433的管脚定义跟管脚图及其功能

MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A／D转换器。

和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A／D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。

使用MC14433时只要外接两个电阻（分别是片内RC振荡器外接电阻和积分电阻RI）和两个电容（分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0）就能执行三位半的A／D转换。

MC14433内部模拟电路实现了如下功能：

（1）提高A／D转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00MΩ以上；

（2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成V／T转换即电压—时间的转换；

（3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0”。

比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号；

（4）与外接电容器C0构成自动调零电路。

除“模拟电路”以外，MC14433内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数（0～1999），并锁存于三位半十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号（DU）作用下，实现A／D转换结果的锁定和存储。

借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0～Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1～DS4实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。

MC14433内部的控制逻辑是A／D转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。

根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A／D转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。

在对基准电压VREF进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成A／D转换。

MC14433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，并利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC多谐振荡器，一般外接电阻为360kΩ时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470kΩ时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750kΩ时，振荡频率为50kHz。

就是外接电阻变大，频率就变小。

若采用外时钟频率。

则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI（10脚）端输入，时钟脉冲CP信号可从CPO（原文资料为CLKO）（11脚）处获得。

MC14433内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX的正负极性；而它的过载指示（溢出）的功能是当输入电压Vx超出量程范围时，输出过量程标志OR（低有效）。

MC14433是双斜率双积分A／D转换器，采用电压—时间间隔（V／T）方式，通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压VREF的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。

双积分过程可以做如下概要理解：

首先对被测电压UX进行固定时间T1、固定斜率的积分，其中T1=4000Tcp。

显然，不同的输入电压积分的结果不同（不妨理解为输出曲线的高度不同）。

然后再以固定电压VREF以及由RI,CI所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。

于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数N就是被测电压对应的数字量。

由此实现了A／D转换。

积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。

若时钟频率为66kHz，CI一般取0.1μF。

RI的选取与量程有关，量程为2V时，取RI为470kΩ；量程为200mV时，取RI为27kΩ。

选取RI和CI的计算公式如下：

（1）

式中，ΔUC为积分电容上充电电压幅度,ΔUC=VDD-UX（max）-ΔU,

ΔU=0.5V

4.2数位驱动器MC1413管脚及其功能：

图3：

MC1413管脚图

MC1413是反向驱动电路，但是在实际应用中却出现了问题就是输入5V，输出1V，输入0V，输出还是0V，原因查了一下，如下：

输入5V，输出1V正常。

使用时主要是吸收电流来驱动电路，负载应串联字输出端和电源之间。

如果没有上拉电阻，就没有输出电压的能力。

比如输出接200欧链接12V电源，输入0V，输出12V，电阻上没有电流;输出5V，输出电压为0V，200欧电阻上的电流为12、20=50mA，如果这个不是电阻而是继电器，那么继电器吸合。

4.3译码器CD4511管脚及其功能：

图4：

CD4511管脚图

CD4511是专用于将二-十进制代码（BCD）转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。

（1）四位锁存器（LATCH）：

它的功能是将输入的A，B，C和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。

当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；

当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。

由此可见，利用LE端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。

（2）七段译码电路：

将来自四位锁存器输出的BCD代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端：

①LT（LAMPTEST）灯测试端。

当LT=0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT=1时，译码器输出状态由BI端控制。

②BI（BLANKING）消隐端。

当BI=0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭。

BI=1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。

上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。

（3）驱动器：

利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。

CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V。

使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。

4.4温度传感器LM35：

因为在市场上已找不到LM50这种温度传感器，所以我们用了LM35来替换LM50。

LM35是由国半公司所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式

（2），0 时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。

LM35有多种不同封装型式，而我们用的是TO－９２封装，外观跟管脚如下图所示。

在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到 ±1/4℃的准确率。

其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。

计算公式：

（2）

图5：

LM35封装型式与管脚图

5.电路制作、调试以及出现的问题

5.1电路制作

在电路制作初期，我们选择了进行电路仿真，但由于电路中用到芯片的元件库和封装库找不到，导致了元件的原理图和仿真没能实现，PCB图也没办法制作，所以我们就画了电路的原理图，进行了手工焊接。

在电路制作的过程中，最大的问题就是芯片比较多，电路比较复杂。

本课程设计一共用了3个芯片，一个数码管，两个变阻器以及二极管，电阻，电容若干。

特别是MC14433与MC1413的连接中，不可避免的就要跳线。

由于所用跳线较多，所以电路板焊得不是特别美观。

当然，由于电路的复杂，在焊电路板的时候也会有一些疏忽。

比如CD4511的第五引脚忘了接地，以至于在数码管调试的时候全部显示（8.），最后通过检查电路发现并解决了问题。

由于更换了LM35作为温度传感器，输出电压与温度的关系有了变化。

LM50的输出电压与温度关系是：

U=10t+500（mV）,而LM35的输出电压与温度关系是：

U=10t（mV），所以需要改变一些元件的参数才能达到想要的效果。

5.2电路调试

（1）电路焊接好以后，发现电路不能正常工作，于是认真分析和检查电路，发现有一个元件和一个地没接好，并接好

（2）经过检查和向老师请教发现MC1413没有电压，无法正常工作，于是重新购买了4个2.3K的电阻，有了上拉电压，数码管终于工作了

（3）但是数码管虽然工作了，但是总是显示4个8，经过检查CD4511的5脚没有接进电路，接好以后电路成功。

（4）因为给数码管的DP脚接了9V电源，导致数码管的四个小数点一直长亮；通过和队友查找资料，讨论分析找到了解决方案。

我们利用数码管的动态显示和视觉残留，以及MC1413的反向作用（输入MC1413的2脚高电平时，芯片反向作用使得15脚低电平，数码管第二个单元被点亮），通过把DP脚和MC1413的2脚相连，使得当第二个单元被点亮时，它的小数点亮，并通过视觉残留达到一直显示的效果，而其他的三个小数点一直不亮，问题的到解决。

6.电路的不足

6.1Vr的电压无法调到比Vag大2V,达不到芯片的工作电压要求，导致温度的精度和灵敏度不够。

6.2LM35的电压只能接近工作电压，导致温度的精度和灵敏度不够。

6.3由于无法模拟零下温度，不确定零下温度时能否正常工作，只能知道在零下温度升温时显示数值会下降。

7.设计实验现象

图6：

室内温度表显示图

图7：

加温后温度表显示图

三、实验总结与心得体会

1.实验总结：

老师在实验之前说这个课题做出来的电路显示可能会有跳动，所以在电路的布局方面，我们选择了大板，希望电路各部分不会互相产生一些未知的影响。

而由此产生的代价是增加了飞线的数量。

为了减少飞线的数量，我们尽量把原件对好位置，能焊接的就焊接，但由于芯片较多，管脚排列混乱，我们也使用了很多飞线。

由于电路复杂，导线较多，检查起电路很麻烦，需要在焊接时小心翼翼，尽量让电路不出错。

我们在这方面也需要努力，要尽量减少焊接错误。

因为找不到LM50，我们选择了与之相近的LM35，而两者的电路接法存在区别，我们测试了几种典型的接法，选择了一个最为接近的方法。

在实验中，我们也深刻理解了数码管的工作原理以及它与其他芯片之间的联系，优化了原先的电路，将小数点的显示做到更加好，容易操作。

由于时间的关系，我们的电路上也存在这一些问题。

例如，LM35的接法我们还不是完全正确的，存在误差。

主要是与LM35相连的电阻、电容、电压等关系，我们还未完全弄明白，导致测量还存在着一定的误差。

2.个人心得体会：

四、元件汇总

元件

大小

型号

数量

A/D转换器

——

MC14433

达林顿管阵列

——

MC1413

BCD七段显示器译码器

——

CD4511

数码管

——

四位共阴

温度传感器

——

LM35

电阻

510Ω

——

470K

——

510K

——

电容

0.1u

——

100u

——

470u

——

稳压管

5.1V

——

变阻器

20K

——

二极管

——

电池

——

五、参考文献

张国雄等编。

测控电路，机械工业出版社，2001.8.

刘征宇主编，线性放大器应用手册，福建科学技术出版社，2005.1.

蔡锦福等编，运算放大器原理与应用，科学出版社，2005.7.

自编，测控电路设计型实验任务书.

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