数字式温度采集系统设计

1、班级： 姓名： 学号： 课题：数字式温度采集系统设计 电子技术课程设计报告课题： 数字式温度采集系统设计 班级 学号 学生姓名 专业 测控技术与仪器 系别 电子与电气工程学院 指导教师 电子技术课程设计小组 淮阴工学院 电子与电气工程学院2015年6月1 设计目的 (a)培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。(b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。(c)进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运

2、用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。(d)培养学生的创新能力。2 设计要求(1)能够实现坏境温度的检测及转换，检测精度为±0.1；(2)测量值用数字显示，显示范围为-50+150；(3)画出总体电路图；(4)主要单元电路和元器件参数计算、选择；(5)安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；(6)调试电路；(7)电路性能指标测试；(8)要求性能可靠、操作简便；(9)提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；3 总体设计环境温度是影响工农业生产的重要因素。本

3、课题要求用电子元器件设计一个数字式温度采集系统，利用数码管显示当前温度，具有读数方便、测量范围广、测量准确等优点。基准电压显示译码器CD4511双积分A/D转换器MC14433LED数码管显示字位驱动MC1413信号调理检测电路图1温度采集报警系统方案框图3.1总体设计框图 图1为温度采集报警系统方案框图。该温度采集报警系统由以下几部分组成：（1）检测电路（2）信号调理（3）双积分A/D转换器（4）基准电压 （5）显示译码器（6）字位驱动（7）LED数码管显示3.2电路组成图及工作原理 图2 数字式温度采集系统设计 电路图如图2所示的电路中，电阻R1R3、二极管VD1VD3、三极管V1构成温度

4、传感器电路。其中，VD1、VD2串接作为测温探头；R1R3、VD3、V1构成恒流源电路，给测温探头提供恒定的正向电流。3.3各框图的功能和实现该功能的可选电路及特点(1) 检测电路：在实际实验操作中元器件的输出电量常常难以直接进行显示,记录,处理和控制.这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号。(2)信号调理：简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。将数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等)来改变输入的讯号类型并输出之(3)双积分A/D转换电路：能将模拟量转换成数字量的电子电路，它是属于间接型 AD 转换器，

5、把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间 T ；然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。(4）基准电压：所有模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)都需要一个基准信号，通常为电压基准, ADC的数字输出表示模拟输入相对于它的基准的比率；DAC的数字输入表示模拟输 出相对它的基准的比率。有些转换器有内部基准，有一些转换器需要外部基准。不管怎样所 有转换器都必须有一个电压(或电流)基准(5）显示译码器：译码器是一类多输入多输出组合逻辑电路器件, 显示译码器用来将二进制数转换成对应的七段码，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类(6）字位驱动MC1413：是一种反相驱动器，他的功能是用

6、各种电路的后级驱动设备，对前级电路的影响很小。(7）LED数码管显示：LED数码管以发光二极管作为发光单元。3.4 电路制作所需的工具表 3-1工具名称 工具数量 电烙铁 1 万用表 1 剪刀 1 镊子 1 钳子1 3.5 元器件列表表 3-2元件名称 元件数量 MC144331CD4511 1 MC14131 78091 510K电阻 120K电阻3 3K电阻 1 4.7K电阻 1 2K电阻 1810K滑阻 2 300K电阻 1 470UF电容 1 2200UF电容1 0.1UF电容 3IN4148 390131 电路板 1 焊锡丝，导线 若干 3位半共阴数码管1 4 单元电路设计4.1 M

7、C14433芯片MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 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，其主要功能特性如下： 1.精度：读数的±0.05%±1字 2.模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档 3.转换速率：2-25次/s 4.输入阻抗：大于1000M 5.输入阻抗：大于1000M 6.功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值） 7.功耗：

8、8mW（±5V电源电压时，典型值） 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。 图3 MC14433引脚图1. Pin1(VAG)模拟地，为高科技阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。 2. Pin2(VR)基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR)，就能够复为至转换周期的起始点。 3. Pin3(Vx)被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系： 输出读数=(Vx

9、/Vr)*1999因此，满量程的Vx=VR。当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV2.000V之间选取。 4. Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接积分元件端。次三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470k，而满量程为200mV时，R1取27k。 5. Pin7、Pin8(C01、C02)外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容即可。 6. Pin9(DU

10、)更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。 7. Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300k即可。 8. Pin12(VEE负电源端。VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0

11、.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。 9. Pin13(Vss)数字电路的负电源引脚。Vss工作电压范围为VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。 10. Pin14(EOC)转换周期结束标志位。每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。 11. Pin15（OR非）过量程标志位，当|Vx|>VREF时， 输出为低电平。 12. Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路选通脉冲输出端。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

12、，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。 13. Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD码数据输出端。该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息。14. Pin24(VDD)正电源电压端。4.2 数字电压表软件流程 图 4 数字电压表软件流程图4.3 A/D转换、译码和驱动部分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。控制器的作用有三个：第一，识

13、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图5所示图 5双积分型A/D转换器的电压波形图4.4显示译码器 显示译码器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，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存

14、控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511引脚图 图6 CD4511引脚图BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、

15、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。5 调试焊接、安装好电路后，该数显温度计需要经过调试方可正常使用。调试前，先准备好0的冰水和100的沸水各1000ml.调试步骤如下:(1) 将RP1调到最上端，使Vref为最高电压，把二极管测温探头置于0冰水中，调节RP2，使四只LED数码管显示的读数为“00.0”。(2) 将二极管测温探头置于100的沸水中，调节RP1，使得四只LED数码管显示的读数为“100.0”，且IC1(MC14433)的第15脚OR为高电平。经上述调试后，该数显温度计就可以正常工作了，其测温范围是50

16、150。该数显温度计的测温范围仅受二极管测温探头的限制，若改用其他的温度传感器，则无需变动附图所示电路的其他部分，就可获得不同测温范围的数显温度计。6 电路测试及测试结果先检查线路是否短路，断路，是否有虚焊。对照图纸插放元器件，用万用表校检，检查每个元器件插放是否正确、整齐，二极管，电解电容是否正确，电阻读书的方向是否一致，全部合格后方可进行元器件的焊接。按原理图，接上所有元器件，接通电源。通电后先观察数码管是否正常点亮，为了安全起见最好在通电测试前在数码管的公共端阳极串入一个限流电阻防止出现错误烧坏数码管。模拟部分的调节主要是调节滑阻，用万用表观察稳压源输出端与运放正极之间的电压。经过一系列

17、的测试之后，最终得其结果。7 设计总结经过短短两个星期的课程设计，我掌握和了解数字式温度采集系统设计的基本原理，认识了MC14333、IN4148、MC1413等元器件。对双积分A/D转换器工作原理有了进一步的认识。也对电子元件及电路板制作工艺有一定的感性和理性认识;对电子信息技术等方面的专业知识做进一步的理解;培养和锻炼自己的实际动手能力，而且还具有较强的实践动手能力，为以后的顺利就业作好准备。总体来说在本次设计的过程中，我收获了很多，同时也发现不少的问题，虽然以前焊接过万能表、收音机，但由于时间长久的原因，本次焊接过程中存在虚焊现象，在练习版上练习之后，这种错误减少了不少，同时注意到在进行焊接时