数字式温度时钟仪器设计-陆爱国

PAGE数字式温度时钟仪器设计摘要随着全球一体化的加剧，人们已进入了微利时代，怎样提高企业的竞争力是每个企业管理者面临的最大考验，数字电子钟以及数字温度的电路在电子行业中占了很大的作用。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化,通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化,实现模拟信号到数字信号的转换,然后利用数字信号处理方法计算得出温度值,实现温度的测量。关键词：数字温度时钟仪器设计目录第一章引言 1第二章数字钟的设计 22．1设计的任务与要求 22．1．1设计指标 22．1．2设计要求 22．2数字钟工作原理 22．3设计方案 32．3．1晶体振荡器电路 32．3．2时间计数电路 42．3．3译码驱动及显示单元电路 52．3．4校时电路 52．3．5整点报时电路 6第三章数字温度电路设计 63．1数字温度电路简述 63．2测温原理 73．3电路的设计 83．3．1频率测量电路 83．3．2数据处理电路 93．3．3温度映射电路 9参考文献 12附1：设计心得体会 12附2：调研报告 13PAGE13第一章引言20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以，要制作一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。

提出一种内嵌时钟功能的温度测量电路的设计方案。测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化,通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化,实现模拟信号到数字信号的转换,然后利用数字信号处理方法计算得出温度值,实现温度的测量。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。第二章数字钟的设计2．1设计的任务与要求数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。因此，我们此次设计数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟。而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。2．1．1设计指标1.时间以12小时为一个周期；2.显示时、分、秒； 3.具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；4.计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；5.为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。2．1．2设计要求1.画出电路原理图（或仿真电路图）；2.编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。2．2数字钟工作原理数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。图1数字电子钟方案框图2．3设计方案2．3．1晶体振荡器电路晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768HZ的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用TTL门电路构成；另一类是通过CMOS非门构成的电路，本次设计采用了后一种。如图（2）所示，由CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。图2CMOS晶体振荡器（仿真电路）2．3．2时间计数电路74HC290、74HC390等来实现时间计数单元的计数功能。本次设计中选择74HC390。由其内部逻辑框图(如图3)可知，其为双2-5-10一般采用十进制计数器如异步计数器，并每一计数器均有一个异步清零端（高电平有效）。秒个位计数单元为十进制计数器，无需进制转换，只需将ＱＡ与ＣＰＢ（下降沿有效）相连即可。ＣＰＡ（下降没效）与１ＨZ秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信号与十位计数单元的ＣＰＡ相连。图374HC390内部功能图秒十位计数单元为六进制计数器，需要进制转换。将十进制计数器转换为六进制计数器的电路连接方法如图4所示，其中Ｑ２可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的ＣＰＡ相连。图4十进制-六进制转换电路分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为十二进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行十二进制转换。利用１片74HC390实现十二进制计数功能的电路如图5所示。图5十二进制计数器电路另外，图5所示电路中，尚余－个二进制计数单元，正好可作为分频器2ＨZ输出信号转化为1ＨZ信号之用。2．3．3译码驱动及显示单元电路选择CD4511作为显示译码电路；选择LED数码管作为显示单元电路。由CD4511把输进来的二进制信号翻译成十进制数字，再由数码管显示出来。这里的LED数码管是采用共阴的方法连接的。计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD码转变为七段数码送到数码管中显示出来。2．3．4校时电路数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。即为用COMS与或非门实现的时或分校时电路，In1端与低位的进位信号相连；In2端与校正信号相连，校正信号可直接取自分频器产生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信号；输出端则与分或时个位计时输入端相连。当开关打向下时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向上时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。实际使用时，因为电路开关存在抖动问题，所以一般会接一个RS触发器构成开关消抖动电路，所以整个较时电路就如图6。图6带有消抖电路的校正电路2．3．5整点报时电路电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。报时电路可选74HC30来构成。74HC30为8输入与非门。图7整点报时电路第三章数字温度电路设计3．1数字温度电路简述测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化,通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化,实现模拟信号到数字信号的转换,然后利用数字信号处理方法计算得出温度值,实现温度的测量。用传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们在数字化时代的要求。本文提出了一种新型的数字式温度测量电路的设计方案,该方案集成了温度测量电路和实时日历时钟电路。温度测量电路的测温范围在-20℃～50℃之间,分辨率为1℃3．2测温原理温度监测主要是利用温度传感器来实现。本设计的温度传感器采用的是NTC热敏电阻,即具有负温度系数的热敏电阻,其电阻值(RT)随温度(T)的升高而迅速减小。阻值温度关系表达式为:式中,A、B是由半导体材料和加工工艺所决定的两个常数,B值为热敏指数。设计中选用的是R25℃为100kΩLTC1799是一种电阻可编程振荡器[1],可以产生占空比为50%的方波,并具有温度稳定和电源电压稳定的特性,是一种低功率器件,外围仅需一个元件,即设置电阻和旁路电容。LTC1799标准电路如图1所示,图中0.1μF的电容接在电源引脚与地之间,可以将电源噪声降至最低。第1、3引脚之间连接设置电阻,用来控制输出频率,本设计中用热敏电阻替代设置电阻。第4引脚是一个三态分频引脚,决定主控时钟在输出前是被1、10或100分频,设计中将该引脚接地,即输出分频系数为1。第5引脚为输出引脚,输出频率与设置电阻之间的关系为:由于热敏电阻的阻值随温度的变化而改变,这样便可以通过LTC1799建立温度和频率之间的关系,以实现对温度的测量。由(1)、(2)式可知电路设计中存在两种非线性关系:一是热敏电阻的阻值和温度之间的非线性关系,二是阻值频率转换时的非线性。对非线性问题,可以用数学方法进行处理,但算法比较繁琐,而且要占用大量的硬件资源。因此设计中采用了另外一种方法进行处理,即利用ROM预先存储频率—温度的数据,通过查表法进行温度映射。这样既避免了非线性问题的影响又节省了硬件资源。图8LTC1799标准电路3．3电路的设计3．3．1频率测量电路频率测量电路主要是采用频率计数的方法,外部晶体振荡器分频后通过门控电路得到周期为2T的采样基准信号count_en和计数复位信号count_clr,在采样基准信号正半周计数器计数使能,计数模块开始对输入信号的频率进行测量,测量时间恰为T,并在采样基准信号的下降沿将采样的数据结果锁存。若在时间T内计数器测得信号脉冲个数为N,则被测信号的频率为:FX=N/T。计数复位信号用于每一次测量开始时对计数模块进行复位,以清除上次测量的结果。各信号之间的时序关系如图9所示。图9采样控制信号之间的时序关系另外,由于测量过程中被测频率信号与采样控制信号之间没有同步锁定关系,在计数的末尾将产生±1的附加误差,即参考文献[2]中所提到的量化误差。所以采样时间T和计数器的位数一定要选择合理。在本设计中,测量的频率在10kHz～300kHz的范围内变化,在待测的温度范围内温度每变化1℃,则阻值最小变化0.5828kΩ。当取T=20ms,R=100kΩ时,N=1000,则±3．3．2数据处理电路由于在频率测量电路中必然会存在测量误差,所以必须对这些测量数据结果进行处理。本设计针对数据处理提出了一种新的思路,其数据处理流程如图10所示。如图中所示,将频率测量电路中的数据结果N’先通过若干个寄存器移位寄存,然后利用比较器对寄存的数据进行比较,去除最大和最小值后将剩下的中间值相加,最后通过除法器得到平均值N。图10数据处理流程框图采用该处理方法处理数据的优点为:(1)有效降低了测量误差的影响。通过比较器可以将突发的偶然错误数据排除。根据随机误差的补偿性原理,对于有限次测量,可以近似认为多次测量的算术平均值即为真值的最佳估计值。(2)可以动态地反映被测信号变化趋势。这种方法适用于很多对实时性测量要求较高的场合中。3．3．3温度映射电路温度映射电路框图如图11所示。由图4可知,地址计数器和温度值计数器都是通过有限状态机来控制的。状态1:计数器清空;状态2:计数器计数;状态3:锁存计数结果;状态4:计数器结果输出。反复执行以上四种状态可实现温度的实时测量控制。图11温度映射电路框图由于温度测量范围是-20℃～50℃,分辨率仅为1℃,所以ROM中只需存储70个数据,选用128×12位的ROM即可满足要求。同时,ROM中存储的不是如1℃、2℃、3℃等整数点的值,而是1.5℃、采用ROM进行温度映射除了具有前面提到的优点以外,还使其设计灵活通用,在此电路中只需更改ROM中存储的数据就可以适用于多种类型的温度传感器。图12时钟计时显示框图图13时钟工作模式参考文献[1]阎石数字电子电路北京中央广播电视大学出版社1993年[2]实用电子电路手册北京高等教育出版社1992年[3]任为明：电子技术基础课程设计指导[4]赵建领.51系列单片机开发宝典[M].北京:电子工业出版社,2007.[5]边春元等.C51单片机典型模块设计及应用[M].北京:机械工业出版社,2008.[6]彭为等.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.[7]王廷才.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000.[8]何宏.单片机与接口技术，国防工业出版社2007[9]余锡存曹国华.单片机原理及接口技术[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2000.7[10]雷丽文等.微机原理与接口技术[M].北京：电子工业出版社，1997.2附1：设计心得体会通过这次对数字式温度时钟仪器设计，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于数字钟测温电路的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实