数字温度计设计

1、福州大学电气工程与自动化11级电子技术综合性实验 实验报告专业班级 电气（8）班 学 号 011100838 姓 名 张强 指导教师 涂娟 2013年6月一、设计要求温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表，本实验要求用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，即用数字显示被测温度。具体要求如下：温度测量范围为；测量精度；4位LED数码管显示对应的温度值（000.0100.0）；每秒更新数据2次以上。二、方案选择与确定（含各部分电路原理图、工作原理和参数计算）1电路的设计数字温度计电路原理系统方框图，如图1.1. 温度采集电压放大AD转换数码管驱动温度显示 图2.1 电路原理方框图通过温

2、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。 2电路原理及其电路组成 数字温度计的设计原理图见附录1。它通过LM35对温度进行采集，通过温度与电压近乎线性关系，以此来确定输出电压和相应的电流，不同的温度对应不同的电压值，故我们可以通过电压电流

3、值经过放大进入到A/D转换器和译码器，再由数码管表示出来。2.1传感电路LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。因而，从使用角度来说，LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4的常用的室温精度。LM35具有以下特点：（1）工作电压：直流430V；（2）工作电流：小于133A（3）输出电压：+6V-1.0V（4）输出阻抗：1mA 负载时0.1；（5）精度：0.5精度（在+25时）；（6）漏泄电流：小于60A；（7）比例因数：线性+10.0mV/；（8）非线性值：±1/4；（9

4、）校准方式：直接用摄氏温度校准；（10）封装：密封TO-46 晶体管封装或塑料TO-92 晶体管封装；（11）使用温度范围：-55+150额定范围传感器电路采用核心部件是 LM35AH，供电电压为直流15V 时，工作电流为120mA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。电压输出采用差动信号方式，由2、3 引脚直接输出，电阻R 为18K 普通电阻，D1、D2 为1N4148。传感器电路原理如图2.1.采样值的准确量化是温控电路正常工作的关键，这里采用以下换算办法来进行量化。设经过信号调理后的电压为Ui，则已知10V 对应的温度为55，10V 对应的温度为125，易求得比例因数Kt0.11

5、1V/。温度为0时，T55（即相对于55的变化量）。图2.1传感器电路原理图 Ui 转换为数字量后，每个数字量对应电压值为4.883mV，（由12 位AD，满量程20V 可得），用Ks 表示。可求得数字量变化与温度变化的对应关系：（0.111V/）/（4.883mV/数字量）22.73 数字量/当0时，AD 输出的数字量D0 = 0+55×22.73 数字量/125004E2H。温控电路由传感器电路、信号调理电路、A/D 采样电路、单片机系统、输出控制电路、加温电路构成。电路基本工作原理：传感器电路将感受到的温度信号以电压形式输出到信号调理电路，信号经过调理后输入到A/D 采样电路，

6、由A/D转换器将数字量值送给单片机系统，单片机系统根据设计的温度要求判断是否需要接通加温电路。2.2 温度信号采集电路Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP-07A最大为25V），所以OP-07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP-07A为±2nA）和开环增益高（对于OP-07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP-07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07具有以下特点： 超低偏移： 150V最大 。  (1)低输入偏置

7、电流： 1.8nA 。  (2)低失调电压漂移： 0.5V/ 。  (3)超稳定，时间： 2V/month最大   (4)高电源电压范围： ±3V至±22V它的引脚图如图2.2所示。1 8 2 73 64 5 图2.2OP-07引脚图OP-07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+。OP-07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。由LM35和OP-07组成的信号采集电路如图2.3所示：图2.3信号采集电路

8、由输出短路法及输入求和方式可判断该电路是电压并流负反馈放大电路。因此可知If=-Vi/Rf，反馈系数F=If/Vo，所以F=-1/R3A=Vo/Ii，放大倍数AF=A/（1+AF）2.3 A/D转换电路 ICL7107是高性能、低功耗的三位半AD转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感

9、器时会有更突出的特点。ICL7107转化器原理图如图2.4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。图2.4 ICL7107转化器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。 钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED

10、。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2.5所示图2.5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2.6所示。 1 V+ OSC1 402 D1 OSC2 393 C1 OSC3 384 B1 TEST 375 A1 REF HI 366 F1 REF LO 357 G1 CREF+ 348 E1 CREF 339 D2 COMMON 3210 C2 I CL7107 IN HI 3111 B2 IN LO 3012 A2 A-Z 2913 F2 BUFF 2814 E

11、2 INT 2715 D3 V- 2616 B3 G2 25 17 F3 C3 2418 E3 A3 2319 AB4 G3 2220 POL GND 21 图2.6 ICL7107管脚排列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。2.4 数码管显示数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阴极是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每一LED的阴

12、极分别为a,b,c,d,e,f,g及sp（小数点），它的内部结构图如图2.7所示。 a GbcdefgSP 图2.7 共阳极数码管内部结构 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。三、总线路图与实物图四、元器件选择（含明细表）元件名称元件型号及参数个数电阻10K3100K124K11M1240K21K1可调电阻100K120K1电容0.1 uF10.01 uF10.047 uF10.22 uF1100 pF1芯片LM351

13、OP-071ICL71071数码管共阳极数码管4五、实验调试 第一次调试的时候，数码管无法正常显示数字，第一个管显示一个负号，第三个管显示数字1，第二和第四个管无显示。起初是认为可能是数码管的管脚有焊接错误，在拆芯片与温度传感器准备进一步检查的时候，发现温度传感器发烫，温度特别高。因此又有可能是因为电源接反或者器件装反了的原因。在利用万用表检查各个线路的连接没问题后，我再次装上元件进行第二次调试，在装温度传感器的时候，发现第一次装的时候真的把电源和地的管脚接反了。于是在正确安装温度传感器之后，数码管得显示就正常了，得到了正确的实验现象。六、心得体会经过这次的电子技术综合实践，加深了我对数字电路的理解。一学期来我都只是学到的课本上的知识，对于枯燥的原理以及各种器件的真值表和管脚图，并不了解这些芯片器件是怎么真正工作的。而这次可以理论联系实践，使我越加有干劲。我觉得焊接电路之前，需要画好布局电路图，尤其要分布好芯片的位置，这一步是焊接的开始，也是焊接的关键。然后