数字温度计的设计.docx
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数字温度计的设计
电子工艺实习总结报告
姓名：
专业：
电子信息工程
班级：
学号：
指导教师：
成绩：
第一章设计任务与要求……………………………………………………………2
第二章设计方案……………………………………………………………………2
第三章设计原理与电路……………………………………………………………4
第四章电路的组装与调试…………………………………………………………12
第五章设计总结……………………………………………………………………14
附录…………………………………………………………………………………15
参考文献…………………………………………………………………………16
引言
随着科技的发展和“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显着的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
温度传感器是其中重要的一类传感器。
其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。
为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本文利用TC7107结合温度传感器技术而开发设计了这一数字温度计。
文中将传感器理论与模数转换器实际应用有机结合，详细地讲述了利用热电阻作为温度传感器来测量实时的温度，以及实现热电转换的原理过程。
本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量显示系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、生产温度监控系统等等。
本课题主要任务是完成环境温度检测并显示温度和实时的时间。
设计后的系统具有操作方便，控制灵活移植性强等优点。
本设计系统包括温度传感器，信号放大电路，A/D转换模块，数码显示模块三个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度的数码显示，完成了课题要求。
第一章设计任务与要求
①设计任务设计一数字温度计，将测量的温度值转换为数字量并显示出来，即将收集的模拟的信号转换成数字信号。
②设计要求必须选择一个温度传感器，并且所设计的数字温度计测量的范围为0-200℃,采用数模转换（单片机除外）。
LED数码管进行数字显示。
第二章设计方案
设计思路：
电路主要包括温度的采集与信号的放大，数模转换，数码显示三部分。
温度的采集及放大
模数
转换
数码
显示转换
采用PT100测量温度一般有两种方案：
方案一：
设计一个恒流源通过Pt100温度传感器，用Pt100上电压的变化来接入放大电路。
方案二：
采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100温度传感器，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差接入转换电路。
在本次实验中，为了电路的简洁方便，我选用了方案二。
2-1采集和放大:
温度的改变会影响一些电阻的阻值，温度传感器是通过物体随温度变化而变化的特性来测量的。
一般采用阻值的变化与温度的变化有线性关系的电阻来采集温度，最后通过阻值的变化来反映出温度。
Pt100铂热电阻与温度之间存在着线性的关系，通过阻值的变化可以得到对应的温度。
有些是采用热电偶的方式，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成。
热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。
通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。
本次课程设计主要用PT100温度传感器，它是测温范围很广的温度传感器，而且采用PT100温度传感器的电路比较简单，只需要简单搭建个桥式电路将PT100的电阻输出转换为电压，在进行适当的放大便可以接入数模转换电路。
2-2模数转换
模数转换就是将采集的温度模拟信号转换为数字信号，能够被数码管识别的数字信号。
AD0809,TC7107.MC14433等都是模数转换器，只是AD0809是与单片机搭配电路比较简单，但是该课程设计不能用单片机。
TC7107与MC14433
都是三位半的模数转换器，其可以直接与数码管进行连接显示。
但是MC14433在仿真软件protues中没有，所以只能采用TC7107。
2-3数码显示
数码显示就是将TC7107转换成的数字信号进行显示。
一般数码管有共阳极与共阴极两类共阳与共阴的只要区别就是其公共端是接阳极还是接阴极如果接阴极就为共阴极反之为共阳极。
数码管根据不同的信号显示不同的值但是一个数码管只能显示0—9还有负号与小数点。
0—9的显示主要是其a~g管脚的组合显示。
第三章设计原理与电路
3-1温度传感器原理
PT100温度传感器
电阻式温度传感器（RTD,ResistanceTemperatureDetector）是指一种物质材料作成的电阻,它会随温度的改变而改变电阻值。
PT100温度传感器是一种（Pt）做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示
在0~650℃范围内Rt=R0（1+At+Bt2）
在-200~0℃范围内Rt=R0（1+At+Bt2+C（t-100）t3）
式中A、B、C为常数：
A=3.96847×10-3B=-5.847×10-7C=-4.22×10-12
PT100温度传感器的测量范围广-200℃~+650℃偏差小响应时间短还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点其得到了广泛的应用本设计即采用PT100作为温度传感器。
主要技术指标：
1.测温范围：
-200~650摄氏度
2.测温精度：
0.1摄氏度
3.稳定性：
0.1摄氏度
3-2桥式电路原理
惠斯顿电桥电阻R1，R2，R3，R4叫做电桥的四个臂，G为检流计，用以检查它所在的支路有无电流。
当G无电流通过时，称电桥达到平衡。
平衡时，四个臂的阻值满足一个简单的关系，利用这一关系就可测量电阻。
参考连接如图3-1：
图3-1
3-3模数转换原理
数字温度计将采集的模拟的信号转换为数字信号，并能通过数码管显示出来采用TC7107三位半的A/D转换器进行模数转换。
它能直接驱动7段数码管进行数码显示，最后可得温度的数字信号。
TC7107是高性能，低功耗的三位半的A/D转换器，它自身包含七段数码显示器，显示驱动器，参考源和时钟系统。
三位半是十进制数0000-1999。
所谓三位是指个位，十位，百位，其数字显示范围是0—9而半位是指千位数，它不能与个位，十位，百位那样从0—9，只能由0-1变化，即二值状态，所以称为半位。
如果超过了量程，那么千位数就会显示1，反之就是0，一般采用将该显示的零进行消隐。
与ADC0809芯片相比TC7107使得电路简化的同时又节约了成本，所以选择TC7107更合适。
TC7107是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模的CMOS集成电路，其主要特点是：
◆可以采用是电源供电，5V的电源，有助于实现仪表的小型化。
◆芯片内部有异或门输出电路，可以直接驱动LED显示器。
◆功耗低，芯片本身消耗的电流只有1.8mA，功耗约16mW。
◆输入阻抗高，对输入信号没有衰减作用。
◆能通过内部的模拟开关进行自动调零和自动显示极性的功能。
◆噪声低，失调温标和增益温标均很小。
具有良好的可靠性，使用寿命长。
◆整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便的进行功能检查。
图3-2
图3-2为TC7107的管脚图，一共有40个管脚，其每一个管脚的意义表3-1所示:
1
V+提供正电压
2
D1激活个位显示的d部分
3
C1激活个位显示的c部分
4
B1激活个位显示的b部分
5
A1激活个位显示的a部分
6
F1激活个位显示的f部分
7
G1激活个位显示的g部分
8
E1激活个位显示的e部分
9
D2激活十位显示的d部分
10
C2激活十位显示的c部分
11
A2激活十位显示的a部分
12
B2激活十位显示的b部分
13
F2激活十位显示的f部分
14
E2激活十位显示的e部分
15
D3激活百位位显示的d部分
16
B3激活百位显示的b部分
17
F3激活百位显示的f部分
18
E3激活百位显示的e部分
19
AB4激活千位显示1的上下两部分
20
POL激活负极性显示
21
BP/GND数字接地端
22
G3激活百位显示的g部分
23
A3激活百位显示的a部分
24
C3激活百位显示的c部分
25
G2激活十位显示的g部分
26
V-提供负电源
27
VINT积分输出。
积分电容的连接点
28
VBUFF连接积分电阻。
满量程为200mV时，电阻阻值一般为47KΩ；若为2V时，电阻的阻值为470KΩ
29
CAZ自动调零电容的容量对系统噪声会产生影响。
满量程为200mV时，使用的电容为0.47uF；若满量程为2V时，电容为0.047uF
30
VIN-连接的是模拟低电平输入信号
31
VIN+连接的是模拟高电平输入信号
32
ANALOGCOMMON,主要用来设置模拟共模电压，用于电池操作或那些输入信号以电源为基准的系统。
其还可以充当电源。
33（34）
CREF-，CREF+大部分应用中使用0.1uF的电容。
如果存在大共模电压，并且使用的200mV的量程，使用1uF的电容比较好，它将会使翻转误差保持为0.5个计数
35（36）
VREF-,VREF+。
VREF+需要此模拟输入引脚以生成满量程输出即1999个计数。
在引脚35与36之间放置100mV电压，其满量程为199.9mV，在35与36管脚之间加1V的电压时，其满量程为2V
37
TEST测试登。
如果测试电压升至V+时，所有的将会导通，并且数码管显示的读书为-1888.除此之外还可以作为外部小数点的负供电电压
38,39,40
OSC3,OSC2,OSC1。
这三部分组成振荡器部分。
对于48kHz的时钟，38管脚接100pF电容，39管脚接100KΩ电阻，并且电容与电阻的另一端接40管脚
表3-1
TC7107工作原理：
TC7107是双积分型A/D模数转换器，主要是在一个测量周期内进行两次积分，两次积分的方向相反，将被测电压Ux转换成与其成正比的时间间隔，在此时间间隔内填充标准的时钟脉冲，用仪器记录的脉冲个数来反映Ux的值，所以它是U-T变换型的。
其原理图：
图3-3
其工作主要有三个阶段:
（1）准备阶段:
主要使积分器的输出电压变为0，保证输入电压U0=0作为其初始状态。
自动调零电容一般为0.47uF。
（2）采样阶段:
主要是对被测量即对输入的电压进行积分。
一般作正向积分输出的电压U01线性增加，同时逻辑控制电路将闸门打开，释放脉冲个数。
TC7107的信号积分周期为1000个时钟周期或计数。
在内部计时之前，将外部的时钟频率进行四分频。
所以积分时间为：
Fosc为外部设置的时钟频率
所以积分可以得：
Ux是输入的电压即被测电压
T1是标准的时钟周期
C为积分电容,其计算公式为:
Fosc为38管脚上接的时钟频率
VFS为满量程输入范围
RINT为积分电阻,满量程为200mV时选用47KΩ，满量程为2.0V时采用的阻电阻值为470KΩ
VINT希望的满量程积分输出摆幅
C一般选用的电阻的阻值为0.22uF，其必须保持较低的介质吸收率，以最小化翻转误差。
当转换器与测量系统公用同一电源公共端即接地端时，由VIN+和VIN-输入的差分信号必须在器件共模电压的范围之内。
如果转换器与测量系统未公用同一公共端，应该将VIN-接到模拟公共端。
极性是在积分结束后确定。
符号位是真实的极性指示，这样才能正确分辨小于1LSB的信号，从而使得精密零检测只受器件噪声和自动调零残留失调的限制。
（3）参考积分阶段：
这一阶段主要是对系统的标准电压进行与被测电压进行积分方向相反的积分。
如果被测的电压即输入电压进行的正向积分，则对标准电压就应该进行反向积分，反之亦然。
用于在参考电压积分周期期间使积分器输出电压返回到零的参考电压存储在CREF上。
当VIN-连接到模拟公共端时，可使用0.1μF的电容。
如果存在一个大的共模电压VREF-与模拟公共端相连，且应用需要200mV的满量程，可将CREF增加至1.0μF。
翻转误差将保持在半个计数以内。
选用聚酯薄膜型介质电容即可。
输出回零所需的时间与输入信号成比例，在0至2000个计数之间。
显示的数字读数为：
VIN为输入的电压，即从温度传感器输出的电压
VREF为标准电压
下图为TC7107在proteus的仿真图：
图3-4
3-4显示数码管
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）：
按能显示多少个“8”可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。
按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上当某一字段发光二极管的阳极为高电平时相应字段就点亮当某一字段的阳极为低电平时相应字段就不亮。
led数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件引线已在内部连接完成只需引出它们的各个笔划公共电极。
led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点还有一种是类似于3位“+1”型。
因为TC7107能够直接驱动数码显示可以直接在TC7107的数码驱动端口接LED数码管。
并且在该设计中采用的数码显示器是共阳极的即将使用的几个LED数码管的公共端连接在高电平上。
图3-5
每一个LED数码管只能显示的是从0至9的数字，其他的数字不能进行显示。
如要显示0-9之外的数，就要使用多个数码管，TC7107是三位半的模数转换器，所以其数码管有个位数码管，十位数码管，百位数码管，半位的千位数码管。
数码显示器还可以显示负号，负号的显示是只有g段显示，而其他的都不显示。
负号主要是为了表示其极性。
如果为正极性，那么表示负号的g段将不会显示，但是也不会出现正号。
图3-5为本次实验中数码管的proteus仿真图：
图3-5
第四章电路的组装与调试
Protues中仿真
图4-1为数字温度计的仿真电路：
图4-1
在完成电路的设计之后就要设置对应的参数，设置参考电压，采用20k的电阻与120k的滑动变阻器进行了分压，调节滑动变阻器，可以减小输入电压与显示值之间的误差。
仿真的结果与实际值之间相差了0.3。
且PT100显示的值有二位小数，它会自动的进行四舍五入。
以下为测量176℃情况下得到的结果：
输入176℃时的PT100的显示值为176.00.数码显示为176.3，误差为0.3。
图4-2
第5章设计总结
在这次设计中,遇到的问题比较多,自己设计的也存在很多的问题。
大部分的知识都是课本上的,但是不会运用。
我觉得主要的问题在：
（1）对课本的知识掌握的程度仅仅限于考试的范围，不能灵活运用于实践。
一些过程太过于理想化。
认为只要有一个大概思路就能做出来。
就如这次的数字温度计，首先温度传感器感应温度，之后模数转换，最后数码显示。
但是未曾考虑其中存在很多问题，只有一个思路，到真正做起来的时候，却很难实现。
（2）元器件的选择是一个很重要的问题。
在选择A/D转换器的时候，先前一直认为ADC0809是合适的，因为在网上查资料发现其后面接单片机比较简单。
但后来发现如果接数码管的话，那将是一个很麻烦的过程。
于是询问老师之后，将模数转换器改为TC7107，其主要的特点是直接驱动数码显示。
温度传感器则直接采用PT100。
（3）对仿真软件不了解。
这一次是第一次接触仿真软件。
刚开始听老师讲，还是一知半解的。
整个操作界面都是英文的，使用很不方便。
（4）课外积累的知识太少。
对超过课程的知识，就很陌生。
虽然在这次课程设计实验中遇到的问题很多，但同样的收获也很多。
首先了解到了PT100温度传感器的工作方式及原理，和如何将其输出的电阻信号转换为电压信号。
告诫我们思考问题要学会转弯。
然后，对A/D转换有了更深刻的体会以及了解到TC7107的工作原理和连接方式。
除此之外，还学会了使用proteus仿真软件。
刚开始自己动手操作的时候只有大眼瞪小眼，什么都不会。
还因为整个软件都是英文，就在网上查proteus的元件库。
随后在不断的使用中加强了对它的理解，虽然元器件的英文名记得的不多，操作的不怎么流畅，但也算是比较熟练了，至少不会找不到东南西北。
总的来说，通过这次实验，综合了以前所学的数电、模电及电子测量技术的相关知识。
还了解到了相关的专业知识，虽然懂的并不多，但也为今后的学习奠定了基础。
另外还知道了现今数字温度计的广泛应用，自己所做的实验还是有实际的应用。
没有付出就没有收获，在经历了这么多艰难困苦之后，终于将任务完成的那种喜悦是难以言表的。
在这里也由衷的感谢老师的指导，以及对我疑问的细细解答和耐心细致的教导。
附录：
元件
数量
PT100温度传感器
1
模数转换器TC7107
1
电阻R
200,20k,100,470k,1M,2k,2k,80
滑动变阻器
120K,50
电容C
0.047uF,0.22uF,1uF,0.2uF,100pF
7段数码显示器
4
直流数字电压表
2
表5-1
参考文献：
《模拟电子技术基础》第四版清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编高等教育出版社
《数字电子技术基础》第五版清华大学电子学教研组编阎石主编
高等教育出版社
《电子技术测量》第三版林占江等主编电子工业出版社
《自动控制原理》吴秀华等主编中国水利水电出版社
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