三位半数码管温度计制作设计报告汇总.docx

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三位半数码管温度计制作设计报告汇总

《课程设计——

三位半数字显示温度计》

设计报告

设计时间：

2014.1.9

班级：

12级应用电子技术4班

姓名：

比尔·威廉姆斯

报告页数：

13页

广东工业大学课程设计报告

设计题目：

3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（4）班

学号：

333333333333333333

姓名：

比尔·威廉姆斯

合作者：

比尔·盖茨

成绩评定_优秀______

教师签名___梁秀玲____

一设计思路，方案设计及选择，设计原理

二．电路参数设计与计算和元器件选择依据

三．设计原理图和安装布线图

四．设计原理图和安装布线图

五．调试过程

六．测试的曲线，总结设计过程，分析设计结果

七．心得体会

一．设计思路，方案设计及选择，设计原理

1设计思路

按照上面框图，大致可分为三部分电路：

温度采集部分（采 用LM35），A/D转换及数码管驱动部分（采用7106或7107），数码管按实际情况综合考虑。

2.方案设计及选择。

方案1：

采用LM35，ICL7107，采用四块分立七段LED显示；

方案2：

采用LM35，ICL7107，采用标准的弦31/2位LED显示；

方案3：

采用LM35，ICL7107，采用4位组合LED显示；

方案4：

采用LM35，ICL7107，采用LCD显示。

经讨论，考虑到标准位LED显示采购困难和实践制作能力限制（采用焊锡制而非PCB），所以电路规模受到较大限制，所以不采用4位组合LED显示和LCD显示。

最终决定采用方案1.

3.设计原理：

（1）LM35资料：

LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。

由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。

LM35有多种不同封装型式。

LM35封装：

如图：

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，其引脚如图一所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），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。

在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。

这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。

其计算公式：

规格参数：

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、额定使用温度范围：

-55～+150℃。

11、指定工作温度范围，LM35D0℃to+100℃

（2）ICL7107资料：

ICL7107的特点：

①ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。

、

②能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN。

③在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。

④能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。

⑤输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

⑥整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。

⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

⑧芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

⑨不设有一专门的小数点驱动信号。

使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.

⑩可以方便的进行功能检查。

ICL7107引脚功能

V＋和V-分别为电源的正极和负极。

au-gu,aT-gT,aH-gH：

分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

Bck：

千位笔画驱动信号。

接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

PM：

液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

Oscl-OSc3：

时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。

COM：

模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST：

测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

VREF＋VREF-：

基准电压正负端。

CREF：

外接基准电容端。

INT：

27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件

IN＋和IN-：

模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

AZ：

积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。

BUF：

缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。

ICL7107工作原理：

1.自动稳零阶段：

tAZ=1000TCL+2000TcL-（1000TCLVIN）/VREF

式中：

TCL为时钟脉冲fCL的周期1000TcLVIN/VREF为反积分时间

2.信号积分阶段：

C对模拟信号进行采样积分，时间固定为1000个计数脉冲时间。

积分结束后积分器的输出电压：

VINT0=1/（RINTCINI）∫0kVINdt积分时间为0~t

RINT为积分电阻，CINI为积分电容，K为缓冲器电压放大系数，VIN为模拟输入，t为积分时间1000个计算脉冲.信号积分阶段固定时间为tINT=1000TCL

3．反积分阶段：

DE，C实现对输入模拟信号极性相反的参考电压VREF进行积分，DE时，参考电容上的VREF进入缓冲器进行放大，放大后VREF进入积分器积分，从VINT0开始输出电压为：

UDE=UINT+1/RINTCINI∫kVREFdt

积分器迫压至0的时间为t2-t1，将VINT0积分值代入并对第2项积分：

0=-（t1kUIN）/（RINTCINI）+【（t2-t1）kVREF】/（RINTCINI）.

又可得：

vIN=【（t2-t1）VREF】/t1.

若计数脉冲表示时间t1有1000个计算脉冲，t2-t1就有T个计数脉冲，所以

VIN=（VREFT）/1000.因为VREF为常数，所以VIN与积分器在反积分时迫压至0时的时间成正比。

T用计数脉冲个数表示。

通过译码器就可接收计数器状态，实现模数转换，若

VREF=1000mv，那么VIN的数值=T的数值.

3数码管资料：

在本次设计当中，由于ICL7107的特点，它只能驱动共阳极数码管，故我们要选用共阳极七段数码管。

在连接数码管时，我们要注意数码管各个管脚所对应的字母，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。

LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。

在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。

由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平（3.5V）的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。

数码管使用条件：

a、段及小数点上加限流电阻

b、使用电压：

段：

根据发光颜色决定；  小数点：

根据发光颜色决定

c、使用电流：

静态：

总电流80mA（每段10mA）；动态：

平均电流4-5mA   峰值电流100mA

数码管使用注意事项说明：

a、数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；

b、焊接温度：

260°度；焊接时间：

5s

c、表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。

由以上资料得：

通过ICL7107对LM35输出电压的采集，并使ICL7107驱动数码管。

只要给ICL7107设置正确的外部电路参数，就能实现既定的功能

二.电路参数设计与计算和元器件选择依据

外部条件选择：

1.震荡器部件：

ROSC和COSC。

震荡频率fOSC的系数为：

fOSC=1/（2ROSCCOSC㏑3）=0.45/（ROSCCOSC）.

通常COSC=100pF，采用为2.5次/秒时，而输入脉冲频率必须满足

1000TCL×4=20ms×N

式子中N为整数，取值为：

1,2,3,4,…N

一般取N=5∴TCL=0.025sfOSC=40kHz,所以ROSC=110kΩ。

实际产品只有120kΩ，所以选择120kΩ。

2.积分电阻RINT保证ICL7107在输入电压范围内线性工作，RINT要足够大，可由下式求得：

RINT=VFS/IINT

一般IINT=4μA，而VFS=2V，得RINT=500KΩ。

主要考虑到信号输入最大电压本来在1V以内，但是为了让7107绝对在线性的工作，所以VFS选择最大为2V。

3.积分电容：

CINT，它的大小主要决定于在A/D转换器额定转换速率和额定电流下使积分器输出不饱和为原则

所以：

CINT=（4000IINT）/（fOSCVIs）

当转换速率为2.5次/秒，IINT=4μA，积分输出电压VIs为3V时，CINT=0.1μF，它一般可选0.1~0.2μF。

转换速率提高，在其他条件不变，要Vis要相同，则CINT下降，反之CINT上升。

4.自动稳零电容CAE=0.047μF。

因为7107的转换精度为0.05V±1字，所以在VFS=2V，分辨率为1字/1mv。

5.CREF可以用1μF.使翻转误差在1字以内。

6.参考电压VREF：

满度值时，T=2000，VIN=VFS。

（T为计数脉冲个数，下同）

所以VREF=0.5VFS，

输出读数=T=1000×VIN/VREF。

当VIN=10×100mV，输出读数为1000

所以VREF=1000mV,同理VIN=10×50mV输出读数为500.

所以VREF=1000mV.

三：

设计原理图和安装布线图；

1，原理图：

布线图：

四．设备和元件清单：

器件名或仪器名

参数

数量

数字万用表VC890D

电压源（自制）

ICL7107

一片

8位共阳数码管

4片

电阻

1kΩ

各一个

510KΩ

120KΩ

200Ω

电位器

10k

一个

LM35

一个

电容

100nF

3个

47nF和100pF

各一片

印刷板

一片

排针，杜邦线和导线

若干

五调试过程：

刚刚焊完，忍不住激动的心情，立马接通电源测试，结果连小数点都不能显示，这种结果出现后最大可能就是电源直接与地短接了，用万用表测试以后果然是这个原因。

第2次的结果在意料之中，只显示了一个小数点。

在测试完芯片的引脚电压后，发现显示驱动的引脚输出在1.95V到2.20V之间，所以猜想有可能是数字地未接，发现果然是，与此同时，还发现IN—未接地。

接上后又只能能显示乱码，即可猜想应该为焊接短断路，所以观察数码管的显示规律后理论上可判断可能是那几个引脚短接。

经过检查并解决了问题，最后调节VREF=1V，正常显示，作品制作成功。

六：

测试的曲线，总结设计过程，分析设计结果

1，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，通过测量LM35的输出电压和数码管的显示值得到如下表格

LM35输出压V

0.22

0.24

0.260

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

数码管显示值℃

22.0

24.0

26.0

28.0

30.0

32.

34.0

36.0

LM35输出压V

0.36

0.41

0.46

0.51

数码管显示值℃

36.0

41.0

46.0

51.0

绘制出测温度传感器输出曲线，即℃/V曲线，如图：

℃/V曲线

产品检验的参考电压为：

V+:

+4.7VV-:

-4.6v

2、总结设计过程和分析设计结果：

此次的设计过程进展比较顺利，主要是前期做了较为充分的准备，包括查找芯片的各种资料，传感器的各种资料，在较为充分了解ICL7107原理的基础上计算得来的外部电路参数，是此次顺利成功的关键。

由于实际制作水平受限，未能像其他同学一样采用PCB板，而是采用焊接制板，所以电路规模受到较大的限制。

所以也未能制作出能使用独立电源的方便自己使用的温度计，不能不说是一种遗憾。

当然，也采用了isis进行原理图设计，但是由于软件出于盗版问题，仿真不了。

但出于对计算参数结果准确度的信心和考虑到仿真软件不一定奏效的原因。

讨论后，决定直接实践。

所以采用了AltiumDesigner10进行原理图布线。

这也是出于为了减少在实际电路板走线过程的错误和合理设计电路布局的考虑。

由于上学期已在焊接电路板方面有过课程的学习，所以这次焊锡制板过程较为成功，只有在少数地方出现相邻线之间的短路现象，导致显示出现乱码，还有就是芯片的数字地和IN-地段忘接数字地未接地，直接的后果是芯片的数码管显示驱动端输出1.95V的高电平，而共阳端只有3.4V的低电压：

3.4V-1.95V=1.4V<1.6～1.8V的数码管起动电压，IN-未接地也是输出不正常的原因。

这两个问题解决后，并把短路的部分修好，整个电路就完成了。

3.结果分析：

1.在其他条件元件数值选择上基本准确的情况下，取VREF=1000mv,测得与正常室温相比高于室温0.4度，基本符合要求，本次设计出的产品精度≤0.1。

七.心得体会：

通过此次的课程设计让我感觉到自己理论与实践都还相当欠缺，首先理论知识没有经过实践的强化容易忘却，其次，实践技能差，看着同学们都做了PCB板，我却还不行，再次，我发现自己所学的理论，没有怎么去在实践中用过的，所以很容易就忘掉，所以，此次实践最大的收获就是有充分的理由要求自己不断动手去实践，并在此基础上强化自己所学到的理论知识。

参考文献：

《COMS集成电路原理及应用》光明日报出版社，1986年8月第一版

《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程——基本技能训练与单元电路设计》电子工业出版社

《数字电子技术基本教程》清华大学出版社

《模拟电子技术基本教程》清华大学出版社

《ProtelDXP2004电路设计基础与典型范例》电子工业出版社

《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程——模拟电子设计》电子工业出版社