基础课程设计数显温度计设计与制作.docx
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基础课程设计数显温度计设计与制作
电子课程设计报告
设计课题：
数显温度计设计与制作
专业班级：
09级电子信息工程2班
设计时间：
2011年10月10日—12月28日
一、结构设计方案选择.........................................................................................3
方案一：
汽车尾灯电设计与制作……………………………………….．．3方案二：
数显温度计设计与制作...……………………………………….5
方案比较与选择..............................................................................................…...6
A/D转换的设计部分..........................................................................................................10数码管的驱动部分……………………………………………………...........11
八、主要参考文献......................................................................15
九、实验总结及拓展分析…………………………………………………………..15
十、心得与体会…………………………………………………………………….16
一、制作设计方案选择
方案一：
汽车尾灯的设计与制作
一、设计任务与制作
假设汽车尾部左右两侧各有4个指示灯（用发光二极管模拟）有四种显示模式如下：
1.汽车正常运行时指示灯全灭;
2.右转弯时，右侧4个指示灯按右循环顺序点亮，每灯只亮0.5秒；
3.左转弯时,左侧4个指示灯按左循环顺序点亮，每灯只亮0.5秒；
4.临时刹车时左右两侧所有指示灯同时闪烁。
二、总体框图
1.由于汽车左右转弯时，四个指示灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路顺序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。
由此得出在每种运行状态下，各指示灯与各给定条件的对应关系。
汽车尾灯和汽车运行状态关系表（1-1）。
（表中0表示灯灭状态，1表示灯亮状态）
开关控制
行驶状态
左尾灯
右尾灯
S1S0
D1D2D3D4
R1R2R3R4
00
向前
灯灭
灯灭
01
右转弯
灯灭
按R1R2R3R4顺序循环点亮
10
左转弯
按D1D2D3D4顺序循环点亮
灯灭
11
刹车
所有的尾灯随时钟CP同时闪烁
汽车尾灯和汽车运行状态关系表（1-1）
2.由上述尾灯和汽车状态关系表，分别画出对应的单元电路，而后得出汽车尾灯控制电路原理框图
（1）如下：
显示，驱动电路
译码电路
开关控制电路
三进制计数器
汽车尾灯控制电路原理框图（1-2）
三、总体设计电路图
显示驱动电路由6个发光二极管和6个反相器构成；译码电路由3-8线译码器74LS138和6个与非门构成。
74LS138的三个输入端A2、A1、A0分别接S1、Q1、Q0，而Q1Q0是三进制计数器的输出端。
当S1=0、S0=1,使能信号A=G=1，计数器的状态为00，01，10时，74LS138对应的输出端0Y,1Y,2Y依次为0有效（4Y,5Y,6Y信号为“1”无效），即反相器G1~G3的输出端也依次为0，故指示灯D1→D2→D3按顺序点亮示意汽车右转弯。
若上述条件不变，而S1=1、S0=0，则74LS138对应的输出端4Y、5Y、6Y依次为0有效，即反相器G4~G6的输出端依次为0，故指示灯D4→D5→D6按顺序点亮，示意汽车左转弯。
当G=0，A=1时，74LS138的输出端全为1，G6~G1的输出端也全为1，指示灯全灭灯；当G=0，A=CP时，指示灯随CP的频率闪烁，总体设计原理图如下图（3-1）所示。
汽车尾灯控制电路总体设计原理图（3-1）
方案二：
数显温度计的设计方案
一、设计任务与要求
设计一个数字温度计，测量范围：
0～100℃。
温度的实时LED数字显示。
测量温度信号为模拟量。
基本要求有：
1.画出数字温度计的结构框图。
2.画出系统原理图。
3.用PROTEUS进行仿真实验。
4.按要求完成课程设计报告，交打印报告和电子文档。
2、总体框图
由于温度计的应用很广，所以温度计的设计也不完全一样。
以前一般采用热电偶、玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。
其中热电偶的温度测量范围较宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读数。
在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时间监测，且要求能够快速准确地读数。
此时，上述各类温度计则难以胜任。
而如果将热电偶产生的热电动势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应速度快，测量精度高，功耗小，显示直观。
因此，由热电偶、A/D转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。
其系统结构框图如下（1-1）所示：
系统结构框图（1-1）
3、总体设计电路图
主要包括四个方面的版块：
1.取样电路设计；2.译码驱动电路；3.A/D转换电路;4.数码管显示模块。
其总体设计原理图如下图（1-2）所示。
总体设计原理图（1-2）
对上述两个方案的比较与选择
首先，从原理设计的思路上来看，方案一运用的是纯数字电子电路的知识，设计思路相对单一，简单，通过一些逻辑分析和正确的判断即可实现电路的功能。
而方案二，在理论知识体系上，既运用到了数字电路的知识，又运用到了模电中的知识，是典型的模数结合设计出来的应用电路。
能更系统的强化我们对前面学过知识的掌握，达到理论与实际相结合的目的。
其次，方案二与方案一相比较，方案而更能体现电路设计中模块化的设计理念，现实现各单元电路的功能，进而整体连接，实现要求结果。
再次，从难以程度分析，方案一能先通过一些常用的仿真软件如PROTEUS仿真而验证试验的可行性，进而在实验向上搭建电路。
而方案二因器件在仿真软件的元件库里找不到，不能预先借用仿真原理来检验电路的可行性，只能通过实际的实验箱上模拟来验证方案的正确性，这无疑给实际制作中造成了麻烦。
而从更长远的角度考虑来看，方案二用到的知识远比方案一的多得多，方案二在器件的选择和运用上对以后的进一步学习更有帮助，如对一些集成芯片数据手册的阅读和学习，对一些基本器件如电阻，电容，二极管的选择，这些都是方案一所缺陷的。
因此，总的比较得出，方案二更能体现这次课程设计所要达到的要求和对自身能力的提高，更具合理性。
数显温度计的设计与制作
一、引言
随着人们生活水平的不断提高,数字化无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围较广，测温准确，其输出温度采用数字显示等特点，该设计采用Motorola公司的MC14433作为A/D转换核心，测温传感器使用LM35芯片，一个译码器就能驱动4只共阴极LED数码管，实现温度显示,就能准确达到要求。
二、摘要
此次实验的目的是设计和制作数字温度计。
温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,LM35是一种应用广泛的温度传感器,它具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点。
温度传感器将采集的温度信号转换为电压信号后通过A/D转换芯片MC14433,把被测的电压转换为对应的BCD码，A/D芯片同时有位选通控制管脚，将转换的BCD码分别送到CD4511译码器的4个输入端,经译码器的译码后送入LED数码管的各个字形口，对应点亮相应的数值。
最终达到了将输出温度用数码管数字显示的目的。
关键词：
传感器温度计A/D译码数显
三、设计思路与要求
数显温度计顾名思义就是靠温度传感器来采集温度并实现数字显示的一种温度计，其利用温度传感器随外界温度单值变化的规律将其转换为电压信号进而测量，再将电压值显示出来。
此中关键在与采集的信号如何实现数字化显示，所以实现了数字化显示也就达到了本次设计的目的，本次设计采用的是LM35温度传感器，采集的仅仅是一个模拟量，所以就需要进行模数转换。
转换后的已经是数字量，此时便可送入数字显示器，显示现在我们最常用的就是LED和LCD显示。
最终要结果就是，温度传感器测到得温度要数字化显示出来，LM35变化所需的温度可以通过实验室中试验箱的白炽灯或旁边放一个热水杯来改变，同时试验箱上还有一支温度计来比照所测的温度是否精确。
温度传感器的主要技术参数理论上测量范围为：
-55℃～+150℃。
四、单元电路设计
本设计主要构成部分应该是由模拟传感器、A/D转换分析、驱动电路及显示四部分组成。
结构框图大致如下：
下面主要详细介绍各个电路的具体功能。
1.取样电路设计
采用NationalSemiconductor公司的LM35A温度传感器集成芯片，其输出电压与摄氏温标呈线性关系,转换关系为：
0输入时，输出为0V，每升高1°，输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封裝型式。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达较高的准确率。
其电源供应模式有单电源与正、负双电源两种，正、负双电源的供电模式可提供负温度的量測；两种接法的静默电流-温度关系，单电源模式在25°下静默电流約50μA，非常省电它能将温度与电流形成线性关系，以电压的形式输入A/D转换器进行转换与分析。
取样电路设计如下图（1-1）所示：
取样电路图（1-1）
2.译码驱动电路
为了让LED正常工作，设计了这个译码驱动电路，这里采用的芯片译码器：
CD4511;驱动器：
MC1413。
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器。
CD4511是BCD-锁存/七段译码/驱动器：
有灯测试功能；以反相器作输出级，用以驱动LED或数码管；具有消隐输入；显示数6时，a=0,显示9时，d=0.
1--B,2--C,3--LT（为灯测试输入端）,4--BI（数据输入端）,5--LE（锁存使能，锁存输入使能）,6--D,7--A,8--VSS（电源负极）（A，B，C，D为门电路的输入端）
9--e,10--d,11--c,12--b,13--a,14--g,15--f,
16--vdd（电源正极）（a,b,c,d,e,f,g为译码输出；显示字符端输出，连接数码管的相应脚）。
MC1413是反相驱动器，他的功能是用各种电路的后级驱动设备，对前级电路的影响很小。
3.A/D转换电路
在这部分电路里面，主要就是用MC14433集成A/D转换器，这与其强大的功能是离不开的。
.MC14433是美国Motorola公司推出的单片3又1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。
如原理图中，R1、R1/C1、C01、C02、CLKI、CLKO分别为构成积分器、自动调零补偿电路及改变电路时钟频率电路。
这里用的是常用的参数，时钟频率66KHz，UI,UAG则为输入信号的两极，UR为参照电压，即Ａ／Ｄ转换最大电压，能过对UAG与UR的调节，可以将传感器输出的电压信号正确地从零开始线性增加，这也是本电路设计的核心部分，通过这个设置，还可以扩大数字温度计的适用范围，对显示部分电路稍作修改就可以对开尔文温度直接显示，只是精度有改变了。
D1稳压管是为确保输入的电压不超过A/D转换器的转换范围。
另外，芯片工作采用的是双电压工作的。
其主要功能特性如下：
精度：
读数的±0.05%±1字
⏹模拟电压输入量程：
1.999V和199.9mV两档
⏹转换速率：
2-25次/s
⏹输入阻抗：
大于1000MΩ
⏹电源电压：
±4.8V—±8V
⏹功耗：
8mW（±5V电源电压时，典型值）
采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。
MC14433采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考下图所示的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：
（1）端：
VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。
（2）端：
RREF，外接基准电压输入端。
（3）端：
UX，是被测电压输入端。
（4）端：
RI，外接积分电阻端。
（5）端：
RI／CI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。
（6）端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。
（7）和（8）端：
C01和C02，外接失调补偿电容端。
推荐外接失调补偿电容C0取0.1μF。
（9）端：
DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。
若该通过一电阻和EOC短接，则每次转换的结果都将被输出。
（10）端：
CPI（CLKI），时钟信号输入端。
（11）端：
CPO（CLKO），时钟信号输出端。
（12）端：
VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。
（13）端：
VSS负电源端．
（14）端：
EOC，转换周期结束标志输出端，每一A／D转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的1／2。
（15）端：
OR，过量程标志输出端，当|UX|>VREF时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。
（16）～（19）端：
对应为DS4～DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。
～Q3输出的BCD代码是该对应位上的数据。
（20）～（23）端：
对应为Q0-Q3，分别是A／D转换结果数据输出BCD代码的最低位（LSB）、次低位、次高位和最高位输出端。
（24）端：
VDD，整个电路的正电源端。
4.显示电路
显示电路主要是由三个LED七段显示器，从左到右分别为百位、十位、个位及小数位。
显示电路图（4-1）
5.总原理及元件清单
1.总原理：
测温显示原理：
温度的采集采用LM35温度传感器，因为要实现温度的数字显示，就必须有A/D转换。
在本电路中，是以Motorola公司生产的A/D转换器MC14433为核心。
采集到的信号由A/D转换器（Pin3（Vx）—被测电压的输入端）输入，转换后的BCD码由A/D转换器（Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）—BCD码数据输出端）分别送到译码器的4个输入端,译码器的译码后送入LED数码管的各个字形口。
字位由A/D转换器 Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）—多路选通脉冲输出端送到反相驱动器MC1413，再由MC1413中的4个达林顿复合晶体管驱动。
DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。
当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。
1、A／D转换器（MC14433）：
将输入的模拟信号转换成数字信号。
2、基准电源（MC1403）：
提供精密电压，供A／D转换器作参考电压。
3、译码器（MC4511）：
将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。
4、驱动器（MC1413）：
驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，5、驱动发光数码管（LED）进行显示。
6、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。
工作过程如下：
数字显示电压部分，A/D转换通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的A／D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。
DS1～DS4输出多路调制选通脉冲信号。
DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0～Q3端输出。
每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。
DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。
以下依次为DS2，DS3和DS4。
其中DS1对应最高位（MSD），DS4则对应最低位（LSD）。
在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0～9．在DS1选通期间，Q0～Q3输出千位的半位数0或l及过量程、欠量程和极性标志信号。
在位选信号DS1选通期间Q0～Q3的输出内容如下：
Q3表示千位数，Q3=0代表千位数的数宇显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0。
Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX0，Q2的电平为0，表示极性为负，即UXX为负电压时，Q2端输出置“0”，Q2负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻RM使显示器的“-”（即g段）点亮；当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“-”旁路而熄灭。
小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。
若量程不同则选通对应的小数点。
过量程是当输入电压UX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR。
当OR=0时，|UX|1999，则溢出。
|UX|UR则OR输出低电平；当OR=1时，表示|UX|R。
平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。
MC14433的OR端与MC4511的消隐端BI直接相连，当UX超出量程范围时，OR输出低电平，即OR=0→BI=0，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。
总原理图如下（5-1）所示：
总原理图（5-1）
下表1为元器件清单：
编号
名称
规格大小
数量
芯片
LM35、MC14433、CD4511
各1片
R2、R12
电阻
100K
2
R13
电阻
51K
1
R15、R16
电阻
100
2
D2
稳压二极管
1V
1
R14
电阻
470K
1
C3、C4
电容
0.1uF
2
R17
电阻
300K
1
Q2Q3
三极管
PNP
2
U4、U5、U12
LED
LED
3
表1
六、安装与调试
因该设计方案以模电知识为主，需要的器件在PROTUES仿真软件的元件库中难以找到，使得原理设计在软件的仿真难以实现，于是我们先通过在实验室提供的试验箱上面搭建线路来初步实现，包括芯片的安装和测试。
通过几次反复搭线，调整电路，最终实现了功能。
然后通过焊接万能版最终制作出实物。
当然在模拟中遇到了许多安装和调试的问题，总结一下有：
安装时芯片确保不要接反，然后安装好芯片，根据其数据手册和论证好的外围电路搭建，时刻有模块化的思想。
对芯片的每个管脚要熟知其作用，一个一个按要求接，强调的是，对芯片其接电源和地脚一定要单独引出和留意，很多问题和现象未能显示出来多数是因为对这些貌似不值一提的细节导致的。
最后将各模块之间整体连接好，反复检查无误后，接通电源，观察实验现象。
遇到不是要求的实验现象有：
接通电源数码管无显示，很明显是线路不通没回路，通过整体查看数码管有显示了；有显示了，当给A/D芯片提供输入电压时，数码管显示不完整，且不停的跳变，这也是难以避免的问题，然后再次回查译码器和驱动器的连接，看是不是哪里接触不良或未连接，方法总是有的，只要肯想肯做，勤动手，问题最终还是解决了！
在数码管的显示时还测试了显示的亮暗在接了驱动后效果明显不一样。
如下为在试验箱上搭建出来的实物图：
仿真实物图
（一）
对初学者，焊的板子很不稳定，容易短路或断路。
除了布局不够合理和焊工不良等因素外，缺乏技巧是造成这些问题的重要原因之一。
掌握一些技巧可以使电路反映到实物硬件的复杂程度大大降低，减少飞线的数量，让电路更加稳定。
下面是焊板子时借鉴别人的一些技巧加自己的体会总结出来的一些经验
1、初步确定电源、地线的布局
电源贯穿电路始终，合理的电源布局对简化电路起到十分关键的作用。
某些洞洞板布置有贯穿整块板子的铜箔，应将其用作电源线和地线；如果无此类铜箔，你也需要对电源线、地线的布局有个初步的规划。
2、善于利用元器件的引脚
洞洞板的焊接需要大量的跨接、跳线等，不要急于剪断元器件多余的引脚，有时候直接跨接到周围待连接的元器件引脚上会事半功倍。
另外，本着节约材料的目的，可以把剪断的元器件引脚收集起来作为跳线用材料。
3、善于设置跳线
特别要强调这一点，多设置跳线不仅可以简化连线，而且要美观得多。
4、善于利用元器件自身的结构。
5、善于利用排针。
6、在需要的时候隔断铜箔。
7、充分利用板上的空间。
七、性能测试
性能测试方法及过程简述如下：
先在室内（一温度相对恒定的环境）用万用表测出温度传感器转化后的电压量。
将此采样值输入A/D转换芯片后读出其显示值，记录。
然后用手捂住温度传感器（等于是给其加热），也可用其它方法如旁边放一个热水杯或热毛巾都可。
通过改变温度，观察显示数值的变化规律，理论应该是温度值与显示读数应一致，但考虑到外界温度变化的不稳定性和实际电路设计方案的不完美性，使实测值与理论值多多少少总会产生偏差，在误差允许的范围内，都可认为实验结果是正确的。
对实验数据和结果整体分析和比较得出：
对LM35系列是电压输出式集成温度传感器.，0摄氏度时输出为0V,每升高1摄氏度,输出电压增加10mv，即灵敏度为10mV/°C；对属于双积分型A/D转换芯片MC14433，其被测电压与基准电压有以下关系：
输出读数=
×1999
满量程的Vx=VR。
当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV—2.000V之间选取，我们此次设计选择的基准电压值为2.0V。
实际测试中是把它看作一个数显电压表，对其输入一个可调的电压值，逐步改变其输入值观察输出与显示结果是否对应。
对数码管的测试有：
判断四位一体数码管是共阴还是共阳的方法：
先看型号，共阴的型号后
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