简易数字温度计的设计.doc

1 赣南师院赣南师院 物理与电子信息学院物理与电子信息学院 数字电路课程设计报告书数字电路课程设计报告书 姓名 姓名 班级 班级 学号 学号 时间 时间 2011 年年 6 月月 10 日日 2 数字温度计的设计 一 总体方案的选择 1 拟定系统方案框图 1 方案一 本方案采用AD590单片集成两段式敢问电流源温度传感器对温度进行采集 采集的电压经过放大电路将信号放大 然后经过3 5位A D转换器转换成数字信 号 在进行模拟 数字信号转换的同时 还可直接驱动LED显示器 将温度显示出 来 系统方框图如下 温度采集 AD590 电压放大 数码管驱动 译码器 LED 显示器 A D 转换 图 1 1 系统方案框图 2 方案二 使用数字传感器采集温度信号 然后将被测温度变化的电压或电流采 集过来放大适当的倍数 进行 A D 转换后 将转换后的数字进行编码 然 后再经过译码器通过七段数字显示器将被测温度显示出来 数字式温 度传感器 信号处理 放大电路 A D 转换 ADC0809 译码器 74HC4511 编码器七段数字显 示器 图 1 2 系统方案框图 3 方案三 使用温度频率转变电路 根据温度与频率的线性关系先将温度转变为 频率 将转换的频率输入频率计中 频率计电路中通过放大整形电路 主门 电路 计数器 锁存器 七段译码输出 在七段显示器中将频率显示出来 显示的频率即为对应的温度值 3 放大整形 电路 振荡器 主 门 电 路 计 数 器 琐 存 器 译 码 显 示 控制电路 温度转换 为频率电 路 图 1 3 系统方案框图 2 方案的分析和比较 方案一中的模数转换器 ICL7107 集 A D 转换和译码器于一体 可以直接驱 动数码管 不仅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 AD590 可 以将温度线性转换成电压输出 而方案二经过 A D 转换后 需要先经过编码器 再经过译码器才能将数字显示出来 方案三只经过温度频率转换就可把温度用 相应的频率显示出来 成本较低 可操作性较强 比较上述三个方案 方案三明显优越于前两个方案 它用热敏电阻采集温 度信号 用 NE555 将温度转化为频率输入频率计中 用 CD40110 驱动数码管直 接实现数字信号的显示 实现数字温度计的设计 省去了另加编码器和译码器 的设计 所以线路更简单 直观 即采用方案三 二 单元电路的设计 通过热敏电阻对温度进行采集 通过温度与频率近乎线性关系 以此来确 定输出频率与其对应的温度 不同的温度对应不同的频率值 故我们可以通过 频率值的改变来判断温度值 再由数码管表示出来 2 1 温度转变为频率电路 在由 NE555 组成的多谐振荡器中 电容 C 的充电时间和放电时间 1 T 各为 2 T 1 T 12 ln CCT CCT VV RR C VV 12 ln2RRC 211 0 lnln2 0 T T V TRCRC V 4 故电路的振荡周期为 1221 2ln2TTTRR C 振荡频率为 21 11 2 ln2 f TRR C 通过改变 R 和 C 的参数可以改变振荡频率 温度的改变可以改变热敏电阻的 2 R 阻值 而的改变又可直接导致振荡频率的变化 即可通过频率的变化来反 2 Rf 映温度的变动 在室温下 设室温为 30 度 可测得负温度系数的热敏电阻的阻值为 10K 取电 容 C 为 1uF 则由以上公式得 得19 2 则取为 20K 12 1 2 ln2 RR fC 1 R 1 R 温度转换为频率如下图所示 555 VIRTUAL Timer GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 1uF C 10nF Cf 12V Vs 3 0 R2 10 0K SMT 1 R1 20k 2 4 图 1 4 温度转换为频率 2 2 频率显示电路 数字式频率计由放大整形电路 振荡电路 控制电路 和由主门电路 计数器 电路 所存器电路 译码显示组成的译码显示电路 1 放大整形电路的设计 此电路由三极管和几个 74LS00 与非门组成 其作用是为了把被测信号放大 然 后整形为与其同频率的方波 电路如图 2 所示 5 图 2 放大整形电路 2 震荡电路 此电路由一个 555 芯片 两个电阻和两个电容组成 电路如图 3 所示 由于低 电平 T1 R1 Cln2 高电平 T2 R1 R2 Cln2 高电平 T2 R1 R2 Cln2 可以 通过改变 R1 与 R2 来改变 T1 T2 的值 为了使电路发出一个合适的震荡信号 可以令 C 100uf R1 1K R2 可以用一个 5 1 K 的电阻和一个 10K 的可变 电阻来代替 电路如下所示 555 VIRTUAL Timer GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 12V Vs 3 R3 10k Key A 50 R2 5 1k 4 D1 1N4007 5 6 R1 1k 100uF C 1uF Cf LED1 R4 10k 0 2 7 C3 10nF C4 100uF 0 1 图 3 震荡电路 3 译码显示电路 6 译码显示电路由计数器电路 锁存器电路 译码显示组成 计数器电路由一片 CD4017 芯片组成 计数器工作时每个高电平维持一个 时钟周期 每输入 10 个时钟脉冲 输出一个进位脉冲来计数 锁存器电路由 CD40110 组成 40110 为十进制可逆计数器 锁存器 译码 器 驱动器 具有加减计数 计数器状态锁存 七段显示译码输出等功能 作用 是将计数器在结束时所得的数和温度转换成的频率信号合成的结果进行锁存 使显示器上能稳定显示此时计数器的值 译码显示电路通过 CD40110 和七段数码管来显示 如下图所示 图 4 译码显示电路 7 2 2 总体电路 总电路图如下所示 图 5 总原理图 三 元器件清单 序号编号名称型号数量 1DS1 DS2 显示器 DCD HEX RED GRE EN 2 2Q1 Q2译码驱动器CD401102 3U1 U2 U3与非门74LS001 4U4 U6多谐振荡器NE5552 8 5U5计数器CD40171 6R1 R7电阻7 7RQ热敏电阻1 8C1 C7电容7 9D1 D2二极管1N41482 10D3发光二极管1 11RP可变电阻10K1 四 仿真测试 软硬件结合测试步骤和结 按所设计电路 在 Multisim 中分模块进行仿真测试 1 温度转变为频率电路测试 在常温下 热敏电阻所感受的温度转变为频率 用频率计测出此时的频率即为 该温度值 测试电路如下所示 555 VIRTUAL Timer GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 1uF IC 0V C 10nF IC 0V Cf 12V Vs 3 0 R2 10k 1 R1 20k 5 2 4 XFC1 123 5 图六 温度转变为频率电路测试 在频率计中观察到频率计显示的频率为 28 746HZ 即此时的温度值约为 28 746 9 度 该温度值在所估计的误差范围内 2 放大整形电路的测试 把被测信号放大然后整形为与其同频率的方波 电路输入正弦波频率为 10HZ 振幅为 1V 仿真结果如图 7 所示 Q2 2N2221A U14A 74LS00D U15A 74LS00D U16A 74LS00D R6 47k R7 2k R8 15k R9 1k R10 50k C4 47uF D2 1N3491 VCC 5V C5 100uF C6 100uF XFG2 13 12 11 VCC 98 7 6 5 XSC1 A B Ext Trig 10 0 14 图 6 放大整形电路测试电路 图 7 放大整形电路测试波形 3 震荡电路测试 震荡电路输出周期为 1 279 秒 高电平脉冲为 0 68 毫秒的方波 10 555 VIRTUAL Timer GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 12V Vs 3 LED1 D1 1N4007 R3 10k Key A 50 C3 10uF C4 100uF R2 5 1k R1 1k 4 2 100uF C 6 1uF Cf R4 10k 0 7 1 0 XSC1 A B Ext Trig 5 图 8 震荡电路测试电路 五 实验结果及误差分析 将该电路的硬件进行测试得 在数码管中显示的数值为 30 即测得的温度值为 30 度 此实验的相对误差为 3028 746 100 4 18 30 t A 误差分析 此实验出先的误差主要的因为 1 热敏电阻对温度的灵敏度不是理想的 不能精确的反映温度的 大小 2 计算出的参数有一定的误差 3 元器件的数值与理想值存在着一定的偏差 4 受到外界因素的影响 引起温度值的变化 六 设计收获和体会 此次设计我们得到的最终结论如下 数字温度计的设计可以通过把温度转 换成频率 频率信号通过放大整形后 可以测出其频率 数码管显示其频率 本实验还有着其不足之处 只能粗劣的测出温度值 不能精确的测出温度 温度有一定的限度 通过此次设计 我们进一步加深了对数字电路知识的认识 与理解 掌握了数字率计的设计 组装与调试方法 更加熟练的运用仿真软件 并学习了运用软件测试 调试 改进电路 培养了独立思考 分析 解决问题 11 的能力 并培养了我们的动手能力 从实验审题 原理的认识 器件参数的计算 误差的分析 电路的焊接等 一系列的工作都是建立在独立查询资料的基础之上的 让我从从中学到了很多 不仅是对该电路的认识 更是培养了自己独立思考问题解决问题的能力 加深 了对数电 模电知识的理解 巩固了学到的知识 有助于自己今后的学习 总之 在这次的课程设计过程中 我收获了很多 即为我的以后学习设计 有很大的帮助 也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫 最后 我要感谢杨老师的指导 在杨老师的指导和改正下 让我及时发现了 我所设计的不足之处 完善了我的电路设计 衷心的谢谢杨老师 七 参考文献七 参考文献 谢自美 电子线路设计 实验 测试 M 武汉 华中理工大学出版社 2000 年 阎石 数字电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2006 年 王港元 电工电子实践指导 M 江西 江西科学技术出版社 2009 年 付家才 电子实验与实践 M 北京 高等教育出版社 2004 年 梅慧楠 朱中华 程时杰 基于 park 变换的 UPQC 检测方法研 究 J 电力科学与工程 2005 01 17 21 12 附 A4 纸 赣南师范学院赣南师范学院 20102010 20112011 学年第学年第二二学期数字电路学期数字电路 课程设计课程设计 行政班级