三位半数字显示温度计课程设计.docx

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三位半数字显示温度计课程设计

一．设计任务与要求

二．设计方案及比较

三．系统设计总体思路

四．系统原理框图及工作原理分析

五．组成电路主要器件的参数，工作原理、外形图及选择

六．电路原理图

七．产品制作及调试

八．实验结果与数据处理

九．结论（设计与分析）

十．心得体会

一．设计任务与要求

设计任务：

3位半数字显示温度计

（一）．训练目的

1、熟悉温度传感器、A/D转换器、LED或LCD液晶显示器、数码显示器的原理和特点，掌握其实际应用的工作原理与方法。

2、加深对模/数转换工作原理的理解，巩固相关的理论知识。

3、在熟悉数字显示温度计的电路组成与工作原理，掌握相关芯片的作用与使用基础上，培养设计、制作、调试电路等一系列工程设计的能力。

4．掌握相关IC的性能参数及使用方法。

培养综合运用模电、数电、传感器等理论知识为实际电路设计的应用能力。

（二）预习要求与参考、收集相关信息

1．认真预习有关数字显示温度计设计、构成等方面的知识；熟悉数字显示温度计的基本结构原理，掌握相关芯片的性能参数及使用方法。

2．参考《高频电子电路》、《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《集成电路大全》《传感器技术》等书。

（三）设计要求和设计指标

设计任务：

采用温度传感器LM35，位A/D转换器、数码或液晶

显示器设计一个日常温度数字温度计。

产品指标及技术要求：

①温度显示范围：

0℃~45℃；

②数字显示分辨率：

0.1℃；

③精度误差≤0.5℃；

④电路工作电源可在5~9V范围内工作.

参考芯片:

3位半A/D转换器：

CC7106/CC7107、CC7126/CC7127

温度传感器：

LM35

LCD显示器：

数码显示管:

共阳或共阴极

（二）实验测试要求

1．测温度传感器输出曲线，即V/℃曲线；

2．调整电路的参数以及参考电压；

3．用示波器测量A/D转换器的BP、POL管脚波形及输出驱动波形；

4．记录Vin与显示的数值关系；

二．设计方案及比较

（一）设计方案

1.方案一：

基于LM35和ICL7107的数字显示温度计

2.方案二：

基于单片机的数字显示温度计

（二）方案比较

方案一的设计思路清晰、原理简单，容易实现。

而由于现阶段对单片机的知识掌握不多，用方案二实现有一定的难度，所以选择方案一更合适，也更好实现。

三．系统设计总体思路

1.数字温度计电路原理系统方框图，如图

电路原理系统方框图

通过温度传感器LM35采集到温度信号，经过整形电路送到A/D转换器，然后通过译码器驱动数码管显示温度。

ICL7107集A/D转换和译码器于一体，可以直接驱动数码管，省去了译码器的接线，使电路精简了不少，而且成本也不是很高。

ICL7107只需要很少的外部元件就可以精确测量0到200mv电压，LM35本身就可以将温度线性转换成电压输出。

综上所述，采用LM35采集信号，用ICL7107驱动数码管实现信号的显示。

四．系统原理框图及工作原理分析

（一）数字温度计电路原理（系统）框图及工作原理

1.数字温度计电路原理（系统）框图

电路的组成：

温度传感器、A/D转换器和LED显示器

2．工作原理：

温度传感器将感受到外界的温度经传感器内部电路处理后输出一个与外界摄氏温度成线性比例的电压信号。

此信号差动输入到A/D转换器，A/D转换器的双积分器输出信号通过控制逻辑电路向数据锁存器发出一个锁存信号，锁存器将计数器的数据锁存并经译码驱动电路驱动LED工作，显示感应的温度数值。

五．组成电路主要器件的参数，工作原理、外形图及选择

1．温度传感器

（1）.温度传感器的类型及选择

在自动控制、机电整合的应用中，温度的测量为常见的需求，感测温度的产品有多种类型，依特性可概分为膨胀变化型、颜色变化型、电阻变化型、电流变化型、电压变化型、频率变化型…等，常用的有热敏电阻、热电偶、热电阻、双金属片传感器、集成温度传感器。

集成温度传感器是将传感器、信号处理电路集成一体，因而极大地提高了它得性能。

它具有测温精度高、线性优良、体积小、稳定性好、输出信号大、热容量小等优点而广泛被应用。

集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型。

常见的电压变化型的温度传感器有LM35、LM335，其不同点为LM35之输出电压是与摄氏温标呈线性关係，而LM335则是与凯氏温标呈线性关系。

由于摄氏温标较常使用，因此选用LM35做介绍。

（2）.LM35集成温度传感器

a.LM35内部结构及原理

LM35是由NationalSemiconductor所生产的温度感测器，其输出电压与摄氏温标呈线性关係，转换公式如式下式，0°C时输出为0V，每升高1°C，输出电压增加10mV。

LM35有多种不同封装型式，外观如图1所示。

在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±°1/4C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2所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静默电流-温度关系如图3所示，单电源模式在25°C下静默电流约50μA，非常省电。

图1：

LM35封装及引脚排列

b.LM35的主要参数

•工作电压：

直流4～30V；

•工作电流：

小于133μA   

•输出电压：

+6V～-1.0V适合于远程应用   

•输出阻抗：

1mA负载时0.1Ω；   

•精度：

0.5℃精度（在+25℃时）；   

•漏泄电流：

小于60μA；  

•比例因数：

线性+10.0mV/℃；   

•非线性值：

±1/4℃；   

•自热效应:

小于0.08℃

•校准方式：

直接用摄氏温度校准；   

•封装：

密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装；   

•使用温度范围：

-55～+150℃额定范围。

LM35应用范围于温度探头电子式直读温度计，汽车自动检测线上的温度测量。

一些数字万用表具有温度检测功能，狭小空间工业设备测温和控制。

冷冻库，粮仓，机房电缆线槽等测温和控制领域。

2.A/D转换器

模／数转换电路的作用是将输入连续变化的模拟信号变换为与其成正比的数字量信号输出。

在进行模／数（即A／D）转换时，通常按取样、保持、量化、编码四个步骤进行。

较常见和使用较多、市面上易找的有双积分型A／D转换器。

（1）.双积分型A／D转换器的优点：

①转换精度高，成本低；

②转换精度与积分电阻，积分电容的精度无关。

③转换器精度与时钟频率的漂移无关；（表明其时钟振荡器不一定采用价格较贵的石英晶体，使用普通的R、C已满足要求）

④抗干扰能力强；

⑤外围电路简单。

（2）.影响精度的因素：

①积分电容CINT和自动稳零电容CAz的介质损耗小聚丙乙烯电容，（电容的类型较重要）

②A/D转换的基准电源的变化直接影响转换精度（芯片内部的基准电压源一般受温度的影响较大，当精度要求较高时，应采用外接基准电压源）

（3）.根据设计任务，选用3.5位双积分型A／D转换器.。

3.5位双积分型A／D转换器具有大规模集成的优点，其内部包含有模拟电路，数字电路和控制逻辑电路。

它只需要小量外围R、C元件就可完成A/D转换的工作。

（4）.ICL7107的介绍

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转化器原理图如下图所示。

其中计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。

控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。

驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。

ICL7107原理图：

控制器的作用有三个：

第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。

第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。

第三，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。

锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。

它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。

双积分型A/D转换器的电压波形图如下图所示

双积分型A/D转换器的电压波形图

ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图所示。

ICL7107AD转换器引脚图

（2）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。

第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：

Fosl=0.45/RC

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。

如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

BUF：

缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。

其输出级的无功电流（idlingcurrent）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

ICL7107是集A/D转换和译码器为一体的芯片，而且这芯片能够驱动三个数码管工作而不需要更多的译码器，这给我们连接电路或者分析电路提供了一定的方便。

ICL7107芯片的管脚比较多，每一个管脚所代表的功能也各不相同，能够组成各种电路，比如说有积分电路。

这要求我们在接电路时要小心，不能出现错误。

3.数码管

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。

4.其他元件

A.电位器:

RV1=5K

B.电容:

C1=0.01uF,C2=0.47uF,C3=0.22uF,C4=0.1uF,C5=100pF

C.电阻：

R2=200ΩR3=100KΩR4=2KΩ

R5=1MΩR7=47KΩ

六电路原理图

电路原理图

七．产品制作及调试

产品的调试可以及时发现产品所存在的问题，然后根据问题想出相应的解决方案，对产品进行修复完善，最后得出一个完美的成功的作品。

（1）按照电路图检查相关元器件接入及连线是否正确

（2）用万用表蜂鸣端检查焊接中是否存在虚焊或者不必要的短路和断路，检查七段数码管是否能正常工作

（3）当上步骤完成后，接通电源，观察数码管和二极管是否亮，若不亮时，要对电路电源进行检测，看是否线路接触不良或者电路短路

（4）数码管能正常显示示数且不闪动后，用电烙铁等工具改变LM35的温度值，观察数码管是否随着温度变化而变化，若示数没有改变，则应当检查线路连接情况或元器件能否正常工作

（5）若数码管数值与温度值相差太大，则要检查信号采集电路中各元件值是否正确

（6）为了使实验结果更精确完美，最后应当调节电位器RV1改变LM35电压与数码管示数的关系从而改变基准电压使之接近标准值1V，再调节电位器RV2使数码管示数显示亮度合适。

八．实验结果与数据处理

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

24.0

25.1

26.0

27．0

28.1

29.1

30.1

31.1

32.1

数码管显示值℃

0.239

0.250

0.260

0.271

0.281

0.291

0.302

0.311

0.321

LM35输出压V

33.1

34.1

35.0

36.1

37.0

38.1

39.0

40.1

41,1

数码管显示值℃

0.331

0.340

0.349

0.361

0.370

0.381

0.389

0.400

0.412

LM35输出压V

42.0

43.1

44.1

45.0

46.0

47.1

48.0

49.1

50.1

数码管显示值℃

0.421

0.431

0.440

0.451

0.460

0.472

0.482

0.492

0.501

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+:

4.32vV-:

-4.02v

九．结论（设计与分析）

本次实验主要采用LM35、ICL7107A/D转换器、和七段数码管。

通过温度传感器LM35采集到温度信号，经过整形电路送到A/D转换器，然后通过译码器驱动数码管显示温度。

在这次实验当中，我们初步了解了AD转换器的工作原理以及数码管的连接方法。

此外，通过实验中所遇到的问题，我们总结出：

电路图的设计是最重要的一个环节，没有电路图什么都做不了。

我们要通过上网搜集资料或者查阅相关书籍等方式，了解各芯片的工作情况，然后设计出各芯片的连接方式，最后完成整个电路图的制作。

其中，信号采集电路比较重要，要对电路中各个元件数值进行精确的计算，防止电路输出变化太大，对测量不利。

在其他元件数值选择上也要绝对准确，否则容易损坏电路其他部分或者得不到正确的结果。

本次设计出的产品精度≤0.1。

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