南邮 温度测量仪试验报告

本文格式为Word版，下载可任意编辑——南邮温度测量仪试验报告

摘要

本课题是利用A/D转换设计的一个温度测量仪，利用振荡器

的敏感特性，去检测展示的温度。因此，我们必需用模数转换器即A/D转换器把模拟信号转换成数字信号后送入28C64存储器中，再利用显示电路把转换后的数字信号显示出来。整个流程先通过LM35温度传感器进行操作，实现温度采集。在转换的过程中用到芯片ADC0809；最终通过译码器显示出温度；本课程还利用到7485比较器，实现报警功能！

目录

第一章技术指标1.1系统功能要求1.2系统结构要求1.3技术指标1.4设计条件其次章整体方案设计2.1数据处理流程分析2.2整体方案第三章单元电路设计3.1温度传感器及其放大电路的设计3.2A/D转换电路及数字显示电路的设计--3.2.1设计思路3.2.2数模转换及显示电路3.371KHz方波信号发生器的设计3.4超限比较报警电路的设计3.5整体电路图第四章测试与调试4.1数字显示电路的调试4.2存储器和数字显示电路的调试4.3信号发生器电路的测试

4.4A/D转换电路及数字显示电路的调试

4.5超限比较报警电路的调试第五章设计小结5.1设计任务完成状况--5.2问题与改进

5.3心得体会

第一章技术指标

1.1系统整体功能要求

温度测量仪能够测量和显示测量的温度值，当温度超过设定的

值后，发出超温的指示或报警。报警温度的设定可根据需要自定。

1.2系统结构要求

温度测量仪的整体框图如图

1所示，其中S1为系统复位按键，

S2为报警温度设定。

温度测量仪的整体方框图

1.3技术指标

1、电压指标

（1）温度测量范围：0℃～99℃（2）显示精度:1℃（3）测温灵敏度：20mV/℃（4）显示采用四位数码管

（5）温度报警采用LED发光二极管或蜂鸣器（6）报警温度可以任意设定

1.4设计条件

（1）电源条件：稳压电源0V～15V可调（2）可供选择的元器件范围下表所示。

09001717沈健

型号LM35TL084ADC0809744828C647415745117485CD40295557400按键开关无锁开关自锁开关

名称及功能温度传感器运算放大器八路A/D转换器七段显示译码器EEPROM存储器同相输出四2选1数据选择器BCD-七段译码器四位数字比较器

可预置可逆计数器定时器四2输入端与非门

数量1只1片1片2片

2片2片2片2片1片1片1个1个1个

各种R、C阻容件及放光二极管自定

5温度测量仪

其次章整体方案设计

2.1、数据处理流程分析

温度测量仪顾名思义是通过温度传感器对被测对象的温度变化状况进行测量和监视的，传感器输出的不同电流，经电流-电压变化后放大成不同的模拟电压，再经A/D转换，送入数字电压表，将温度数值显示出来。

温度传感器的原理方框图如下图所示：

温度传感器的原理方框图

温度传感器是温度监测仪的核心部件，它的作用是将温度值转

换为电流值。按温度传感器与被测介质的接触方式分为：接触式和非接触式温度传感器两大类。热电阻、热电偶、半导体集成温度传感器都属于接触式温度传感器；红外测温传感器属于非接触式传感器，它通过被测介质的热辐射或热对流达到测温目的。温度传感器的测量范围极广，从零下几百℃到零上几千℃，测温精度又各有不同，要根据测温的具体要求（如测温范围、精度）合理选择适合的温度传感器。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出型和电流输出型两种，电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度为0K时的输出电压为0V，温度为25℃时的输出为：2.9815V。电流输出型的灵敏度一般为1μA/K，25℃时在1KΩ电阻上的输出电压为：298.15mV。

2.2、整体方案

整个系统电路在面包板上实现，其中核心模块为A/D转换部

分及数字电压表部分，以下将做较详尽考虑。

第三章单元电路设计

（1）温度传感器及其放大电路的设计LM35主要特性：

集成温度传感器LM35具有测温精度高、线性优良、体积小、

热容量小、稳定性好、输出电信号大及价格较低廉等优点，LM35灵敏度为10mV/℃,即温度为20℃时，输出电压为：200mV。常温下测温精度为0.5℃以内，消耗电流最大也只有70μA，自身发热时测量精度的影响在0.1℃以内。采用+4V以上的单电源供电时，测量温度的影响范围为：2℃～150℃；而采用双电源供电时，测量温度范围为：-55℃～+150℃，电压使用范围为4V～20V。

①设计思路

由于用户要求测温灵敏度20mV/℃，而LM35的灵敏度为

10mV/℃的电压输出型温度传感器，因此传感器温度变换后应有一个同相2倍的电压放大电路，这部分电路可简单地运用运算放大器LM324来实现。

②温度变换及其电压放大模块电路图

说明：图3中的跟随电路A1是为了避免后续电路对V(t)的过多影

响而增设的电压跟随器，以保证V(t)能真实地反映温度场的正确温度。

（2）A/D转换电路及数字显示电路的设计①设计思路

将V(t)的模拟电压送入A/D转换器的输入端，转换为二进制码，用该码作为存储器EEPROM的地址信号，将事先预置在存储单元的温度值取出，经译码显示电路将数字显示出来。

A/D转换器

A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。

采样和保持:

采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。

将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。

模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。

保持电路

取样保持电路及输出波形

场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。

取样保持电路及输出波形

①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，UI(t)向电容C充

电，假定充电时间常数远小于τ，则有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样②采样终止，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不

变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持

量化与编码:

输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个近似问题。

量化是指将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程就称为量化。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值寻常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。①舍尾方法②四舍五入方法

本设计中采用ADC0809在同一芯片上设计了一个8位的A/D转换器和8通道模拟开关，因此可以直接输入8个单端的模拟信号。该器件主要性能如下：

（1）采用单+5V电源逐次迫近式A/D转换，工作时钟典型值为640KHz，转换时间约为100μs。

（2）分辩率为8位二进制码，总失调误差：ADC0809为1LSB。（3）当用+5V电源供电时，模拟量的输入电平范围0～5V，不需要零点和满度调理。

（4）具有8通道闩锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量。（5）数字量输出采用三态规律，输出符合TTL电平。（6）简单与各种微处理器连接，也可以独立工作。

ADC0809芯片管脚和内部结构图：

逐次迫近式ADC的工作原理介绍:

1.工作思想：

可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，

每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：

09001717沈健

CFAG

D0AD/AQAD1

转QB

BD2

UREF

换CQC器D3

DQD01234UREFCP时序分派器

组成：(1)电压比较器(2)D/A转换器(3)时序分派器(4)JKFF(5)寄放器

16温度测量仪

时序分派器输出波形

电压比较器C：

将输入uI和D/A转换器输出参考电压U'REF进行比较，当U'REFuI

时，输出F=1；当U'REF≥uI时，输出F=0。时序分派器：

它的作用是产生较有用的节拍脉冲，它寻常由环形计数器构成，在CP的作用下产生CP0～CP4的节拍脉冲，其波形如下图所示。JK触发器：

在节拍脉冲CP0～CP4的作用下，记忆每次比较结果，向D/A转换器提供输入数码。寄放器：

由D触发器构成，在节拍脉冲的作用下，记忆最终比较结果，并行输出二进制代码。

逐次迫近型A/D转换器的工作原理：

假设D/A转换器的基准电压UREF=8，采样保持信号为uI=4.75V。第一步：转换开始前先将逐次迫近寄放器清“0〞；

其次步：第0个时钟脉冲首先将寄放器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uREF’，并送到比较器中与uI进行比较。若uI＜u’REF，说明数字过大，故将最高位的1清除置零；若uI≥u’REF，说明数字还不够大，应将这一位保存。具体分析为：

QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压u'REF=4V。u'REFuI，因此，电压比较器输出F=1，G=0。此时，4个JKFF的J=1，K=0。第三步：在节拍脉冲CP1下跳的作用下，QD=1，QC=1，QB与QA仍保持“0〞态。这样在CP1作用后，JKFF的状态为：QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参考电压U'REF=6V。由于U'REFuI，因此，电压比较器输出F=0，G=1，4个JKFF的J=0，K=1。

第四步：在节拍脉冲CP2下跳的作用下，QD=1QC=0，QB=1，QA=0。这样在CP2作用后，JKFF的状态为：QDQCQBQA=1010。D/A转换器输出参考电压U'REF=5V。由于U'REFuI，因此，电压比较器输出F=0，G=1，4个JKFF的J=0，K=1。

第五步：在节拍脉冲CP3下跳的作用下，QB=0，QA=1。这样在CP3作用后，JKFF的状态为：QDQCQBQA=1001。D/A转换器输出参考电压U'REF=4.5V。由于U'REFuI，因此，电压比较器输出F=1，G=0，4个JKFF的J=1，K=0。

第六步：在节拍脉冲CP4下跳的作用下，QA=1。4个JKFF的状态为：QDQCQBQA=1001。