南邮温度测量仪实验报告.docx

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南邮温度测量仪实验报告

摘要

本课题是利用A/D转换设计的一个温度测量仪，利用振荡器的敏感特性，去检测展示的温度。

因此，我们必须用模数转换器即A/D转换器把模拟信号转换成数字信号后送入28C64存储器中，再利用显示电路把转换后的数字信号显示出来。

整个流程先通过LM35温度传感器进行操作，实现温度采集。

在转换的过程中用到芯片ADC0809；最后通过译码器显示出温度；本课程还利用到7485比较器，实现报警功能！

第一章技术指标--------------------

1.1系统功能要求--------------------

1.2系统结构要求--------------------

1.3技术指标------------------------

1.4设计条件------------------------

第二章整体方案设计----------------

2.1数据处理流程分析---------------

2.2整体方案-----------------------

第三章单元电路设计--------------------

3.1温度传感器及其放大电路的设计------

3.2A/D转换电路及数字显示电路的设计--

3.2.1设计思路-----------------------

3.2.2数模转换及显示电路--------------

3.371KHz方波信号发生器的设计------

3.4超限比较报警电路的设计------------

3.5整体电路图------------------------

第四章测试与调试----------------------

4.1数字显示电路的调试----------------

4.2存储器和数字显示电路的调试--------

4.3信号发生器电路的测试-------------

4.4A/D转换电路及数字显示电路的调试---

4.5超限比较报警电路的调试--------------

第五章设计小结---------------------------

5.1设计任务完成情况--------------------

5.2问题与改进---------------------------

5.3心得体会-----------------------------

第一章技术指标

1.1系统整体功能要求

温度测量仪能够测量和显示测量的温度值，当温度超过设定的值后，发出超温的指示或报警。

报警温度的设定可根据需要自定。

1.2系统结构要求

温度测量仪的整体框图如图1所示，其中S1为系统复位按键，S2为报警温度设定。

温度测量仪的整体方框图

1.3技术指标

1、电压指标

（1）温度测量范围：

0℃～99℃

（2）显示精度:

1℃

（3）测温灵敏度：

20mV/℃

（4）显示采用四位数码管

（5）温度报警采用LED发光二极管或蜂鸣器

（6）报警温度可以任意设定

1.4设计条件

（1）电源条件：

稳压电源0V～15V可调

（2）可供选择的元器件范围下表所示。

型号

名称及功能

数量

LM35

温度传感器

1只

TL084

运算放大器

1片

ADC0809

八路A/D转换器

1片

7448

七段显示译码器

2片

28C64

EEPROM存储器

74157

同相输出四2选1数据选择器

2片

4511

BCD-七段译码器

2片

7485

四位数字比较器

2片

CD4029

可预置可逆计数器

2片

555

定时器

1片

7400

四2输入端与非门

1片

按键开关

1个

无锁开关

1个

自锁开关

1个

各种R、C阻容件及放光二极管自定

第二章整体方案设计

2.1、数据处理流程分析

温度测量仪顾名思义是通过温度传感器对被测对象的温度变化情况进行测量和监视的，传感器输出的不同电流，经电流-电压变化后放大成不同的模拟电压，再经A/D转换，送入数字电压表，将温度数值显示出来。

温度传感器的原理方框图如下图所示：

温度传感器的原理方框图

温度传感器是温度监测仪的核心部件，它的作用是将温度值转换为电流值。

按温度传感器与被测介质的接触方式分为：

接触式和非接触式温度传感器两大类。

热电阻、热电偶、半导体集成温度传感器都属于接触式温度传感器；红外测温传感器属于非接触式传感器，它通过被测介质的热辐射或热对流达到测温目的。

温度传感器的测量范围极广，从零下几百℃到零上几千℃，测温精度又各有不同，要根据测温的具体要求（如测温范围、精度）合理选择合适的温度传感器。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出型和电流输出型两种，电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度为0K时的输出电压为0V，温度为25℃时的输出为：

2.9815V。

电流输出型的灵敏度一般为1μA/K，25℃时在1KΩ电阻上的输出电压为：

298.15mV。

2.2、整体方案

整个系统电路在面包板上实现，其中核心模块为A/D转换部分及数字电压表部分，以下将做较详尽考虑。

第三章单元电路设计

（1）温度传感器及其放大电路的设计

LM35主要特性：

集成温度传感器LM35具有测温精度高、线性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大及价格较便宜等优点，LM35灵敏度为10mV/℃,即温度为20℃时，输出电压为：

200mV。

常温下测温精度为±0.5℃以内，消耗电流最大也只有70μA，自身发热时测量精度的影响在±0.1℃以内。

采用+4V以上的单电源供电时，测量温度的影响范围为：

2℃～150℃；而采用双电源供电时，测量温度范围为：

-55℃～+150℃，电压使用范围为4V～20V。

设计思路

因为用户要求测温灵敏度20mV/℃，而LM35的灵敏度为10mV/℃的电压输出型温度传感器，因此传感器温度变换后应有一个同相2倍的电压放大电路，这部分电路可简单地运用运算放大器LM324来实现。

②温度变换及其电压放大模块电路图

说明：

图3中的跟随电路A1是为了避免后续电路对V（t）的过多影响而增设的电压跟随器，以保证V（t）能真实地反映温度场的正确温度。

（2）A/D转换电路及数字显示电路的设计

①设计思路

将V（t）的模拟电压送入A/D转换器的输入端，转换为二进制码，用该码作为存储器EEPROM的地址信号，将事先预置在存储单元的温度值取出，经译码显示电路将数字显示出来。

A/D转换器

A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。

采样和保持:

采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。

将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。

模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。

采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。

因此，在取样电路之后须加保持电路。

保持电路

取样保持电路及输出波形

场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。

取样保持电路及输出波形

在采样脉冲S（t）到来的时间τ内，VT导通，UI（t）向电容C充电，假定充电时间常数远小于τ，则有：

UO（t）＝US（t）＝UI（t）。

－－采样

采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI（t）不变，直到下一个采样脉冲到来为止。

－－保持

量化与编码:

输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。

而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。

因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个近似问题。

量化是指将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程就称为量化。

用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。

取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。

舍尾方法②四舍五入方法

本设计中采用ADC0809在同一芯片上设计了一个8位的A/D转换器和8通道模拟开关，因此可以直接输入8个单端的模拟信号。

该器件主要性能如下：

（1）采用单+5V电源逐次逼近式A/D转换，工作时钟典型值为640KHz，转换时间约为100μs。

（2）分辨率为8位二进制码，总失调误差：

ADC0809为±1LSB。

（3）当用+5V电源供电时，模拟量的输入电平范围0～5V，不需要零点和满度调节。

（4）具有8通道闩锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量。

（5）数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL电平。

（6）容易与各种微处理器连接，也可以独立工作。

ADC0809芯片管脚和内部结构图：

逐次逼近式ADC的工作原理介绍:

1.工作思想：

可用天平秤重过程作比喻来说明。

若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。

设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：

组成：

（1）电压比较器

（2）D/A转换器（3）时序分配器（4）JKFF（5）寄存器

时序分配器输出波形

电压比较器C：

将输入uI和D/A转换器输出参考电压U'REF进行比较，当U'REF

时序分配器：

它的作用是产生较有用的节拍脉冲，它通常由环形计数器构成，在CP的作用下产生CP0～CP4的节拍脉冲，其波形如下图所示。

JK触发器：

在节拍脉冲CP0～CP4的作用下，记忆每次比较结果，向D/A转换器提供输入数码。

寄存器：

由D触发器构成，在节拍脉冲的作用下，记忆最后比较结果，并行输出二进制代码。

逐次逼近型A/D转换器的工作原理：

假设D/A转换器的基准电压UREF=8，采样保持信号为uI=4.75V。

第一步：

转换开始前先将逐次逼近寄存器清“0”；

第二步：

第0个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。

这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uREF’，并送到比较器中与uI进行比较。

若uI＜u’REF，说明数字过大，故将最高位的1清除置零；若uI≥u’REF，说明数字还不够大，应将这一位保留。

具体分析为：

QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压u'REF=4V。

u'REF

此时，4个JKFF的J=1，K=0。

第三步：

在节拍脉冲CP1下跳的作用下，QD=1，QC=1，QB与QA仍保持“0”态。

这样在CP1作用后，JKFF的状态为：

QDQCQBQA=1100。

D/A转换器输出参考电压U'REF=6V。

由于U'REF>uI，因此，电压比较器输出F=0，G=1，4个JKFF的J=0，K=1。

第四步：

在节拍脉冲CP2下跳的作用下，QD=1QC=0，QB=1，QA=0。

这样在CP2作用后，JKFF的状态为：

QDQCQBQA=1010。

D/A转换器输出参考电压U'REF=5V。

由于U'REF>uI，因此，电压比较器输出F=0，G=1，4个JKFF的J=0，K=1。

第五步：

在节拍脉冲CP3下跳的作用下，QB=0，QA=1。

这样在CP3作用后，JKFF的状态为：

QDQCQBQA=1001。

D/A转换器输出参考电压U'REF=4.5V。

由于U'REF

第六步：

在节拍脉冲CP4下跳的作用下，QA=1。

4个JKFF的状态为：

QDQCQBQA=1001。

CP4的上升沿将DFF的1001状态存入4个DFF,并且保持下来,输出为D3D2D1D0=1001。

即：

输入模拟信号uI=4.75V,由A/D转换后输出4位二进制代码1001。

逐次逼近式A/D转换器完成一次转换所需的节拍数为（n+1）,其中n为二进制代码位数，完成一次转换所需时间为（n+1）TCP，其中TCP为时钟周期。

举例：

若UREF＝8V，n＝4。

当采样保持电路输出电压uI=4.75V时，试列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。

解：

量化单位为

转换的结果为：

D3D2D1D0＝1001。

逐近A/D转换器完成一次转换所需的时间（n+1）TCP。

28C64简介：

模数转换乃数字显示电路除用到ADC0809外，还用到28C64与两片4511.28C64是一个含163=4096个单元的存储器，每个单元8bit，单元地址从0000H——0FFFH。

28C64，13地址端输入，4地址端输出，其具体功能表详见数字电路书。

本实验将28C64的0000H——0063H分别存储00——99的BCD码。

即：

0000H→00H

0001H→01H

0002H→02H

0009H→09H

000AH→10H

000BH→11H

0063H→99H

74157简介：

74157是一个A4——A1，B4——B1根据1号管脚电平，选择输出的芯片。

本实验中切换当前感应温度与设定温度就是用到此器件，其具体功能见数字电路书相关内容。

本实验将28C64输出的I/07——I/00连至两个74157的A4——A1，再将脉冲置数器的两个Q1——Q4连到74157的两个B4——B1端。

改变1管脚电平值实现显示切换。

74157管脚图：

说明：

ADC0809的CLOCK端需要一个71K左右的方波信号，若不提供信号发生器，我们可以采用555定时器制成自激多谐振荡器来实现。

而输入端V（t）选择INO端口，地址为000。

71KHz方波信号发生器

用555定时器构成的多谐振荡器如图5所示，它无需加激励，只要接通电源就可以输出方波。

关于555的功能表，详见数字电路书相关章节。

信号发生器电路：

其中Ra=1KΩ,Rb=100KΩ，则若取C=0.0001uF，则

T=0.7*2*100*0.1*10-6S=1.4*10-5S

F=1/T=71KHZ

这个频率已经可以满足ADC0809的时钟要求了。

超限比较报警电路的设计

设计思路

设定一个报警温度Tg，将Tg折算成对应的比较电压Vg，即Vg=Tg×20mV/℃。

要想使Vt〉Vg时，电路报警，可将两电压通过一个电压比较器后经发光二极管显示是否报警。

②报警电路图

7485简介：

要用以上方案就必须使用7485,7485是一个二进制4位数字比较器通过比较A3——A0与B3——B0得出结果。

因为本方案的温度是十进制两位数，所以必须使用两片7485来比较，即8位2进制比较。

其电路图如下：

用此电路可直接比较Vt7——Vt0与Vg7——Vg0.

置数电路：

本电路最终使用两个加法（减法）计数器，CD4029来置数，其基本电路如下：

S2为脉冲开关，，S1为加（减）切换开关。

整机电路图（最后另附）

第四章测试与调试

4.1数字显示电路的调试

再给4511的管脚号1、2、6、7中的一个施加电源时，其他的接地就会分别显示0、1、2、4、8，当四个管脚号全部接地时译码管显示的是0。

如下表：

①建表

输入十位

显示

输入个位

显示

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

②结论：

达到设计要求。

4.2存储器和数字显示电路的调试

分别给28C64的管脚号3、4、5、6、7、8、9、10中的一个接电源，其他的接地就会显示出下表的数值，值得注意的是：

当管脚号全部接地时，译码管显示的是0.当管脚号3（高位）接电压时，译码管不会显示，因为27已经超过了99，因此不会显示！

还有就是有可能两个（或两个以上）接电压时，译码管显示相应的数值。

这里就不一一列表了。

①建表

地址

显示十位

显示个位

00000000

00000001

00000010

00000100

00001000

00010000

00100000

01000000

10000000

不显示

②结论：

达到设计要求。

4.3信号发生器电路的测试

①波形如下

T=1.4*10-5S

②结论：

达到设计要求。

4.4A/D转换电路及数字显示电路的调试

理想

实测

误差

Vout（mv）

INo（mv）

显示（℃）

Vout（mv）

INo（mv）

显示（℃）

（℃）

250

500

246

492

200

400

200

400

225

450

220

440

结论：

达到设计要求。

4.5超限比较报警电路的调试

给LM35加温或降温（相当于改变VT），这时数码显示的数值在变化。

再给VG设定报价电压，是发光二级管点亮，该电路就可以工作了。

设定值

实际值

是否报警

是

否

结论：

符合设计的要求。

第五章设计小结

5.1设计任务完成情况

整个实验全部完成，基本达到了要求。

能够正常的测量温度，当给振荡器加热时，译码器的上的数字会正常的增加。

5.2问题与改进

首先出现的问题是：

芯片有可能是坏的，在烧28C64时，一定要确认是否烧制成功。

在连接555定时器时，确定电阻电容的大小，不能连接错误，尤其是管脚号2和6，它们是短路的。

在调测方波时，细心点就好了！

在放置LM35振荡器时，不要接错正负极了，以免吧器件烧坏了！

还有就是线路的检查，一定要细心。

有时候一个线路就有可能导致实验的失败！

接在译码器上的电阻要小一点，否则译码器显示的数字不稳定。

译码器显示不稳定，需要在芯片的两端加一个电容就好了！

5.3心得体会

课程设计实习已经结束了，但心中的兴奋却依然存在，此时此刻心还沉浸在实习的气氛当中。

本以为实习会是枯燥无味的，但说实话，没想到实习这么快就结束了，还真有点意犹未尽的感觉。

通过这几天的亲身体会，虽说只是短短的几天的时间，但自己真的发现原来实习是那么的有趣。

并且也使自己认识到了理论学习与实践相结合的重要性。

在实习中，让我体会最深的就是：

做事情的认真态度。

实习让我明白，作任何事都要仔细认真，也许一个小小的疏忽都将导致整个工作前功尽弃。

相反，认真可以发现“柳暗花明又一村”的效果。

遇到实际问题时，只要认真思考，用所学的知识，再一步步探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。

就拿接线这个环节说吧，面对那错综发杂的线路，还有那针眼板的插孔，对初学者来说一不小心就会出错，但只要认真细心的对照原理图和每个芯片的管脚号，就可以完美的把电路图接好，同时认真的观察设计可以在保证质量的同时提高自己的效率。

这几天的学习让我重新认识了自己，并且对自己身上的不足之处有了更深的了解。

通过实际动手操作,才发现理论和现实事物之间的差距,才明白不是只要学好课本上的知识就能胜任将来的工作。

通过本次实习使我们对28C64元件一定的感性和理性认识；对通信信息技术等方面的专业知识做进一步的理解；培养和锻炼我们的实际动手能力，使我们的理论知识与实践充分地结合，作到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践动手能力。

在这里将自己这次温度测量仪实习感触总结一下：

第一、是心态问题。

要做好一件事，心态是很重要的。

有好的心态，就会投入十二分的心力去努力，做事效果也是事半功倍。

第二、就是遇事多动脑，并且注意学习其他人的长处，吸收老师和教导者的经验，多和其他同学交流。

第三、动手能力的培养。

这次实习，使我们动手能力得到很大的提高。

在生活中遇到一些小事情时自己动手解决，这样可以增强我们的自信心，对我们将来去适应陌生事物是有很大帮助的。

第四、学习处理新事物的方法。

对新的陌生事物，我们总是通过不停地尝试着去了解它，运用它。

通过对实际事物的比较，使我们平时学习到的课本上的知识得到了检验，加深了我们对知识的理解和掌握，并从实践中找到许多不足之处，使我们将来在学习中能更好地有针对性的学习。

面对任何事情都不要缺少自信心，我们不怕失败，我们可以输得起任何东西，青春年华、精力、力量，惟独自信不可失。

实习是短暂的，但留给我的感受是深刻的。

我们没必要在怜惜什么，以为我已得到很多了。

自己现在该做的，就是当认识到自己的不足时，那就该如何去改造自己，如何完善自己。

大学的生活是丰富多彩的，大学中每个人要完成的事情是很多的，但那需要每个人的认真投入。

每个人不必再感叹世事的沧桑，不必遗憾岁月的来去匆匆，我们要做的那就是在这有限的时间内，完成自己应该完成的事，经历自己应该经历的事情。

读书心存志远，实践悟出真知。

实习给我的不单单是一种对待事情的态度，它的背后还有动手能力的锻炼，更有一种思维的培养与创新。

能使自己的思考方式不单单局限在理论上的那种方式，更要向实际靠拢。

这对我们以后参加工作是大有帮助的，尤其对我们这些以后从事工科的学生。

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