LM35和ICL7107Word格式.docx
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4.4测试结果-1-
4.5误差分析-1-
5结论与心得体会-1-
参考文献-1-
附录-1-
引言
温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表之一。
随着时代的进步和发展，数字温度计得到了迅速的发展。
数字温度计的优点是准确度高，不易误读，分辨率高，特别是在测量小的温度变化时比较准确。
数字温度计已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。
同时，随着传感器在生活中的更加广泛的应用，利用新型数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发，本文介绍了一种基于LM35温度传感器和ICL7107A/D转换器的温度检测及报警系统。
该系统可以方便的实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。
该系统设计和布线简单，结构紧凑，抗干扰能力强，在大型仓库、工厂、智能化建筑等领域的温度检测中有广泛的应用前景。
1系统方案设计
1.1设计说明及要求
1.1.1设计说明
数字温度计跟一般的信号采集系统一样，分温度采集、信号放大、A/D转换、驱动显示几个部分，数字温度计电路原理系统方框图，如图1.1所示。
图1.1电路原理方框图
1.1.2设计要求
①设计数字温度计电路；
②测量范围0℃~200℃；
③组装、调试数字温度计电路；
④画出数字温度计的电路图，写出总结报告；
⑤选作内容：
数字体温计。
为实现该设计，达到相应的设计要求，本次设计中考虑了三种设计方案，三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同，对于本设计，三种方案均能够实现，最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了方案3，即利用LM35和ICL7107芯片实现温度的采集的温度的显示。
根据整体原理框图，拟定以下几个方案。
1.2方案1
利用当前非常常用的数字式温度传感器DS18b20和单片机，DS18b20温度传感器集温度采集，AD转换于一体，只需单片机按照一定的时序读取其采集并转换后的温度即可。
1.3方案2
通过温度传感器LM35采集到温度信号，然后将电压信号送到3位半A/D转换器
MCl4433，然后通过七段锁存—译码—驱动器CD4511进行译码，最后通过MC1413驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g,七个发光段，进而驱动数码管显示温度。
1.4方案3
通过温度传感器LM35采集到温度信号，将采集的电压信号送到A/D转换器ICL7107。
由于ICL7107集A/D转换和译码器于一体，可以直接驱动数码管。
所以进而可以直接用ICL7107驱动数码管显示温度值。
1.5方案比较
初看方案1最为简单快捷，但由于本设计只是需要测量温度，期间没有太多的控制部分，用单片机控制器就显得小题大做了，浪费了资源，成本相对较高。
所以方案一对本设计是不合适的。
方案2思路清晰，完全按照电路原理系统方框图一步一步做，这样用到的芯片比较多，做起来要了解掌握的芯片较多，同时也给原理图设计及PCB设计带来了很大的困难。
因此也是不合适的。
方案3思路也很清晰，但选择的芯片ICL7107集A/D转换和译码驱动于一体，可以直接驱动共阳数码管显示转换的模拟量。
给原理图设计和PCB设计带来了极大的方便。
成本较低，无需控制器，只需简单的外围电路即可实现。
通过上述比较，方案3最为合适。
因此本数字温度计的设计都是基于方案3设计的。
2单元电路设计
2.1工作原理
数字温度计通过集成温度传感器LM35对温度进行采集，由于被测温度与输出电压近乎线性关系，由此关系只需确定输出电压就可以根据相应的线性关系确定当前被测环境的温度，因此测量温度的重点就转移到测量电压上来了，有环境温度根据线性关系转换而来的电压值属于模拟量，显然要用到A/D转换器将其转化为数字量，进而通过译码器和数码管显示器将实时电压值显示出来，实际上也就是将当前的被测物的温度表示了出来。
而ICL7107就集AD转换和数码管驱动于一体，因此用这个芯片可以直接将模拟量转换为数字量并直接外接数码管显示。
接下来在具体的硬件电路设计中将对数字温度计用到的核心的两个芯片即LM35和ICL7107作详细介绍。
2.2硬件电路设计
2.2.1LM35传感器电路
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。
因而，从使用角度来说，LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供±
1/4℃的常用的室温精度。
LM35具有以下特点：
（1）工作电压：
直流4～30V；
（2）工作电流：
小于133μA
（3）输出电压：
+6V～-1.0V
（4）输出阻抗：
1mA负载时0.1Ω；
（5）精度：
0.5℃精度（在+25℃时）；
（6）漏泄电流：
小于60μA；
（7）比例因数：
线性+10.0mV/℃；
（8）非线性值：
±
1/4℃；
（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℃额定范围
传感器电路设计如图2.1所示。
图2.1LM35温度采集电路
该传感器电路采用核心部件是LM35，供电电压为双电源供电模式，即采用直流+5V和-5V供电，工作电流约为120uA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。
输出电压有标识TOUT线输出，其输出电压值与温度成很好的线性关系，线性关系为10mV/℃。
通过该电路，就将温度信号转化为我们熟知的电压信号了，在后续电路中，主要任务就是测量出这个电压值并显示出来。
2.2.2A/D转换电路
A/D转换的核心芯片是ICL7107，ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。
ICL7107可直接驱动共阳极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10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。
真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。
在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。
ICL7107转化器原理图如图2.2所示。
其中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。
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。
图2.2ICL7107转化器原理图
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。
第三，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。
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。
总之，ICL7107是集A/D转换和译码器为一体的芯片，而且这芯片能够驱动三个数码管工作而不需要更多的译码器，这给我们连接电路或者分析电路提供了一定的方便。
ICL7107芯片的管脚比较多，每一个管脚所代表的功能也各不相同，能够组成各种电路，比如说有积分电路。
这要求我们在接电路时要小心，不能出现错误。
ICL7107的各管脚连接如图2.4所示。
图2.4ICL7107各管脚连接图
各引脚功能简单介绍如下：
1脚，正电源端，接直流+5V；
2~20脚、22~25脚，接相应的数码管；
21脚，接GND；
26脚，负电源端，接直流-5V；
27脚，积分器输出端，外接积分电容C（一般取C=0.22uF）；
28脚，输入缓冲放大器的输入端。
外接积分电阻R（一般取R=47k）；
29脚，积分器和比较器的反向输入端，接自校零电容C（一般取C=0.47uF）；
30、31脚，模拟量输入端；
32脚，模拟信号公共端；
33、34脚，基准电容端；
35、36脚，基准正负电压端。
37脚，测试端。
38、39、40脚，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R、C元件。
通过如图所示的连接，若将P5两端（即35脚和36脚）之间的电压调节至100mV，则其测量电压的量程即为0~200mV.这样一个200mV量程的电压测量仪就出来了，不过由于LM35温度的电压的线性关系为10mV/℃，若温度为150℃，则电压为1.5V，显然，200mV量程是不够的，至少需要2V的量程。
则需要将待测的电压信号通过一个电阻衰减网络。
2.2.3电阻衰减网络
由上节分析可知，需要将量程扩大10倍，则只需简单的两个阻值为1：
9的电阻构成即可。
具体电路如图2.5所示。
图2.5电阻衰减网络
TOUT即为LM35采集到的温度信号（电压的形式）通过电阻衰减网络，即可将电压降低十倍，从而使得ICL7107的量程扩大十倍。
2.2.4数码管显示电路
由于用ICL7107直接驱动共阳数码管，因此数码管显示无需外加驱动电路。
数码管显示电路如图2.6所示。
图2.6数码管显示电路
图中R4和GND是为了显示一个小数点，由于量程为2V,这当温度为150℃时，显示为1500，而此时的温度为150℃，因此小数点应该在S2数码管显示。
2.2.5温度报警系统
温度报警系统分为三个部分：
一是报警温度的产生，直接通过电阻分电源电压得到。
当然，直接通过这种方式分得的电压容易受后续电路的影响，故可在输出电压后再接一级射极跟随器电路，电路如图2.7所示（电压跟随器在次未画出，具体见总体电路图）。
当需要调节报警温度时，直接将分压电压输出到ICL7107转换显示即可实现实时调节报警温度；
二是报警温度与被测环境光温度的比较，可以直接用运放构成一个比较器，报警温度从运放+端输入，被测环境温度由运放-端输入，由此，当温度高于报警温度时，运放输出端输出低电平（具体电路见总体电路图）；
三是报警，报警的话最直接简单的方式就是发出声音，因此直接利用运放输出的低电平控制蜂鸣器发声，从而达到报警的目的，显然运放无法直接驱动蜂鸣器发声，需要加一级驱动，在这里使用的是三极管驱动，电路如图2.8所示。
图2.7报警温度产生电路
图2.8温度报警电路
R8未接的一端（左端）接比较器运放的输出端。
至此，整个报警系统就完成了。
2.2.6系统总体电路图
系统总体电路图如图2.9所示。
图2.9系统总体电路图
图中LED1，LED2为正、负电源指示灯，C2、C3、C4为各个去耦电容。
图中用到的LM324为运算放大器，其间集成了四个运放。
有两个用作电压跟随器。
一个用作比较器。
3硬件电路制作
利用altiumdesigner软件设计原理图和制作PCB，最后做出实物。
3.1altiumdesigner原理图设计
图3.1原理图设计
3.2altiumdesignerPCB制作
图3.2PCB制作结果
图中红线并非双面板，而是标识跳线而已。
3.3设计结果（实物图）
4系统测试
由于该作品需实现的功能仅为测量温度，在此不列出其他性能的测试。
4.1环境温度的测量
图4.1环境温度测量
4.2加热后的温度测量
图4.2加热时温度测量
4.3报警温度的调节
报警温度调节前，需按下按钮开关，时数码管显示当前的报警温度，而后再进行调节，使得报警温度随调节实时显示。
4.4测试结果
为了验证设计电路的正确性以及它的实验数据，我们对实物进行验证。
用带有温度测量的数字万用表和本次设计的电路对相同温度下物体进行相应的测量并绘成表格进行比较。
如表3.1。
测量工具
测量环境
数字万用表
数显温度计
室温
32.0℃
32.1℃
空调处的温度
26.0℃
26.7℃
烈日照射下
35.0℃
35.3℃
表4.1万用表与设计电路数据的比较
由上表的数据可以得出，本系统的误差<
1℃,分辨率为0.1℃。
同时，在此基础上，还验证了报警电路，当测量温度高于设置的报警温度时，蜂鸣器会发出刺耳的蜂鸣声。
4.5误差分析
产生误差的原因有很多，硬件电路本身设计带来的误差，温度传感器LM35测量温度时产生的误差，以及A/D转换器ICL7107转换带来的误差。
5结论与心得体会
通过第四节的测试与验证，整体来讲，通过一系列仿真和设计，数字温度计还是比较成功的做出来了。
一路下来还是比较坎坷，从原理到实物，从调试到调试成功，遇到了很多问题。
在设计初期，遇到了一个当时觉得非常困难的问题，就是如何选择合适的芯片，要从使用、价格、性能等多方面考虑，在硬件的原理图设计中，报警电路也让人煞费苦心。
通过这次设计也收获了很多，知识层面上，学得了很多新知识，解决问题的新方法。
增强的查找资料，阅读资料的能力；
实践方面，提高了动手能力，提高了解决实际问题的能力等等；
在思想上，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
同时，在设计中遇到问题在所难免，这也使我更加明白了坚持不懈的重要性，学习探索的重要性，实践动手的重要性。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础数字部分，1997，53（3）：
1～7.
附录
元器件清单：
元件名称
元件型号及参数
数量
电阻
680Ω
3个
100kΩ
1个
9kΩ
1kΩ
1MΩ
22kΩ
47kΩ
10kΩ
2个
电位器
50kΩ
20kΩ
电容
104
4个
100pF
0.1uF
0.47uF
0.22uF
PNP三极管
9013
Led灯
红色、绿色
温度传感器
LM35
A/D转换器
ICL7107
1片
开关
六脚开关
运算放大器
LM324
蜂鸣器
有源蜂鸣器
显示器
数码管
排针
若干
插座
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