电子设计.docx

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电子设计

数字式温度监测器的设计

一、设计目的

1通过本设计熟悉拨码开关、数值比较器、A/D转换器等器件的功能及使用方法

2了解温度测量的原理

3建立电子系统的概念，综合运用电子技术课程中所学习到的理论知识完成一个电子系统的设计，进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，学会选择器件。

4熟悉温度传感器的使用方法

二、设计要求

设计一个简易数字式温度监测器，具体要求如下：

1.基本要求：

实现温度的检测和转换

利用8只发光二极管以8位二进制形式显示检测温度

系统的温度检测时间间隔设定为0.5-2秒可调

2．扩展要求

系统温度的给定值由拨码开关设定，当所监测温度大于给定值时将报警灯点亮，小于或等于给定值时报警灯熄灭。

三、方案设计与论证

实现温度传感器来监测温度，实际上有很多种形式和方法。

单单看温度传感器便有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC传感器多种。

方案：

PN结温度传感器是利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性，可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管（将集电极与基极短接）做成PN结温度传感器。

这种传感器测温范围为-50℃至150℃，有较好的线性度，尺寸小，响应快、灵敏度高、热时间常数小的特点，用途较广。

可将普通二极管（如1N4148）或硅三极管用作温度传感器。

但普通二极管或三极管即使型号相同，其温度特性也有较大差异，因而互换性差。

电路由5V稳压电源供电，通过R2可使流过VD的电流在100~30uA之间。

调解R4可使放大器在0℃时输出电压为0。

放大器的增益为5倍，输出灵敏度为10mV/℃，在100℃时，调整放大器参数，使其输出电压为1V。

做在上述0~1V的电压输出端接一个0~2V的数字式表头，则变成一个数字是温度表，其精度可在-1℃~+1℃范围内。

方案：

由555集成定时器及频率计数器组成，其中555定时器的振荡频率由高精度的热敏电阻和高精度的电容组成的RC回路提供。

通过频率计数器测量555的输出频率，从而将温度值直接显示出来。

方案：

由温度传感器和A/D转换电路组成。

热敏电阻是一种固态组件。

本电路采用者为负温度系数之热敏电阻，当温度升高时，电阻会降低。

”热敏电阻”之各是由”热”和”电阻”演变而来的。

在电路中，电阻减少也意味着电流增大。

热敏电阻非常灵敏，最灵敏的约温度每上升一度时，电阻値即下降5%，热敏电阻是利用烧结程序以金属氧化物结晶所制成。

具体情况如下

四、设计原理与电路图

1设计原理

下图是一种简易温度监测器的设计原理框图，总的说来，该系统首先采集温度信号，然后通过转换进行显示和驱动报警电路。

2电路图

温度检测电路

左图为检测电路图，右侧为放大器管脚图

设从电源出来经过25Ω和5KΩ后的电流为i，经10K后接放大器负端的是i1，经热敏电阻的电流为i2，则i=i1+i2,经稳压二极管后的电压Vc为5.1V，设热敏电阻上端电压为VA,20KΩ点则接地端的上端为VB，由放大器的工作原理可知，放大器的正负端电压均为VB,设10KΩ电位器的电阻为RY，100KΩ电位器电阻为RX，流经此电位器的电流为i3，则会有以下公式存在：

i=（5.1-VA）/5K

i2=VA/Rt；i1=（VA-VB）/10K;

i3=i1=（VB-V01）/RX

VB=5.1*20K/（RY+20K+20K）

经过一系列的化简后得到，输出电压与Rt之间的关系：

若RX取值30KΩ,RY取值为1KΩ，则简化后的关系如下：

针对于上述取值的仿真图如下：

温度转换电路

针对于第一个555，充电时间

放电时间

时间周期

使T为0.5~2s，则变位器的阻值范围约是5KΩ~50KΩ,取值20KΩ左右，保证时间为1s

仿真电路如下：

输出波形：

仿真时如果想要保证是0.5s~2s的时间，调节变位器，结果是最大变位器值为4KΩ，调节至0时，时间约为1.5s。

图像如下：

针对第二个555充电时间：

放电时间：

时间周期：

仿真电路：

显示电路

八位二进制显示

仿真电路如下，由于二极管接电阻后接地灯不亮，应该是由于电压不足，因此加了一个为-5V的电源。

用万用表测量输出电压，测得电压范围是1v~4.3v。

由电路可知，我们选择八位二进制显示，那么整个电路的精度就只能达到1/256，如果选择16位二进制来表示，那么精度就可以达到1/65536，精度可以大大提高。

报警电路

上方是电路图和74LS85的管脚图，实物电路时只比较高四位，仅用一个芯片即可；仿真时每一位都进行比较，用两个74LS85串联，得到如下图像

左侧是对比拨码开关，右侧的拨码开关用来控制输入，仿真对照结果如下：

整体的仿真图如下：

五、元器件清单

六、硬件制作与调试

1.仿真过程的制作与调试

仿真图如上，制作过程当中需要注意的包括元器件的位置放置、连接线的状况、元器件的选择等等均会影响整个电路图。

1．元器件的选择：

整个短路有很多芯片，在MUTISIM里面很多芯片是有多种选择的，在没有特定要求的情况下去选择任意一种，都是可以实现电路仿真的。

但是adc只有一种，且管脚省略掉很多，导致连线的时候要选择连线，不能够让全部的电路全部连接起来。

第一个555就没有办法起到作用，仅有第二个555起到提供时钟信号的作用。

2．连接线的时候最初不容易出现连线错误，但是如果移动了元器件，就会引起连线的紊乱，导致电路出现错误，这个时候最好是要全部重新布线，否则容易引起电路的短路，断路倒是很少出现。

3．元器件的位置选择，这个需要布线有一定经验才会布线漂亮，不会使整个电路杂乱无章，不会使电路有过多的交叉线。

调试过程遇到问题：

针对于温度检测电路，由于没有热敏电阻，用变位器代替热敏电阻，测出输出电压太低。

解决办法：

有三个电位器存在，可以调节三个电位器使输出电压改变，最终由计算使电位器取值为1K和30K，热敏电阻随时调节，得到的波形如上。

针对于温度转换电路，第一个555的仿真一直出现高电平

解决办法：

由于软件熟练程度不够，无法熟练掌握，后知道可以调节整个仿真时间来调节，能够仿真单位时间较长的电路。

针对于ADC转换：

发光二极管一直无法点亮；

解决办法：

一直不断尝试，也测量二极管两端电压，但是就是无法发亮，后加一负电压，使得二极管发亮，但是原理始终不是很清楚。

另外一种可能是加入的三角波频率过小，导致不会有影响变化，只需要调节频率即可点亮二极管。

2．

（一）电路板的制作

1．电路板制作流程如下：

2．Protel原理图如下：

1．PCB布线图如下：

（一）电路板的调试

1、在焊接过程当中就发现两个555芯片有搞混的情况，可能由于对PCB不是很熟练，所以导致后来两个555输出端连接反了，导致后面跳线跳了很多。

2、在焊接过程当中，发现电路连接比较器的是低四位，实际应该是高四位，导致切断2条线路，又跳了几根线。

3、在调试过程当中，发现二极管在接通电源之后都亮了，出了比较器连接的那一盏，但是由于最初的拨码开关设置为0000，即出了显示二极管均灭的情况下，否则此电路一定会报警。

后面经一步一步检查电路连线问题，发现有将本应该不相连的线路连接了，导致以上的结果，断开后一切正常。

4、二极管灯变换的时间过长，实际的要求时间为0.5~2s，后面经过调解第二个555上的变位器，改变了系统的检测时间间隔，大约2s。

七、结论与心得

布线心得：

器件要恰到好处，使作品美观方便；布线要有合适的间距，印制电路会比较简单；走线的时候注意一些技巧，在没有影响的情况下可以让线从管脚中穿过；需要绕线的地方可以使用跳线来简化布线过程

焊接心得：

不要把不相连的点挂接；焊接时烙铁温度不要太高，焊接时间不要过长，以免焊盘脱落和焊接时把器件烧坏；焊接完成后要对电路图进行检测，看是否所有器件都是好的，看是否有挂接和虚焊的

整个设计过程下来，要弄懂每一个部分的原理和作用，包括芯片的作用以及管脚的布局，要进行扎实的计算和校核才能少出错误；亲自动手完成了电路从设计、仿真、制版、调试等一系列的流程，深刻地理解了电路设计的具体过程及注意事项，在不断地调试以及电路设计的尝试中，自己的动手能力以及理论知识都得到了巩固。

同时，由于最初的PCB图有一些错误，导致后面的焊接和调试出现问题，我想今后会更加注意最初的根基，要扎实地一步一步来。

参考文献

[1]秦增煌，电工学第六版下策-电子技术.高等教育出版社1964.5

[3]周淑阁、杨栋、王晓燕，模拟电子技术实验教程.东南大学出版社2008.2

[4]从宏寿、李绍铭，电子设计自动化—mutisim应用.清华大学出版社

[5]侯建军、佟毅、刘颖等，电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计（第一版）.高等教育出版社2007.10

[6]孙余凯、吴鸣山、项绮明，传感器应用电路300例.电子工业出版社