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課程設(shè)計(jì)(論文)
題 目 名 稱 數(shù)字溫度計(jì) 課 程 名 稱電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 系 、專 業(yè) 指 導(dǎo) 教 師
摘要 溫度計(jì)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中最常用的測(cè)量?jī)x表。使用溫度測(cè)量?jī)x，首先經(jīng)過(guò)AD590集成溫度傳感器的作用，使外界溫度轉(zhuǎn)換為電流用表示。因?yàn)樯鲜鰹榻^對(duì)溫度K和電流之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而在設(shè)計(jì)中我們需要采用℃，所以我們必須使其轉(zhuǎn)換成攝氏溫度℃和電流之間的關(guān)系，這就要用到K—℃變換器。通過(guò)K—℃變換器的作用，我們便得到想要的℃和電流之間的直接轉(zhuǎn)換關(guān)系。得到的電流再經(jīng)過(guò)放大器的放大，即可直接用電壓表讀出被測(cè)對(duì)象的溫度值。然后放大后的電壓接一比較器，比較器的輸出端接報(bào)警設(shè)備。報(bào)警設(shè)備可由一個(gè)發(fā)光二極管組成。在設(shè)置了預(yù)警溫度后，由比較器輸出端的電壓決定二極管是否發(fā)光，從而起到警報(bào)作用。經(jīng)TC7017AD轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)數(shù)碼管顯示。
目錄 摘要 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1 1.1 總體方案設(shè)計(jì) 1 1.2 系統(tǒng)原理框圖及電路圖 1 2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 2 2.1 溫度傳感器 2 2.2 轉(zhuǎn)換與放大電路 3 2.2.1 K-C轉(zhuǎn)換電路 3 2.2.2 放大器 4 2.2.3 比較器 4 2.2.4 報(bào)警設(shè)備 5 2.2.5 電路原理圖 5 2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 6 2.4 數(shù)碼管顯示 10 3 仿真與調(diào)試 11 3.1 電路的仿真 11 3.2 仿真結(jié)論 13 4 總結(jié) 13 附錄 元件清單14 參考文獻(xiàn) 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1.1 總體方案設(shè)計(jì) 圖1所示為數(shù)字溫度計(jì)的原理框圖。其工作原理是將被測(cè)的溫度信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成溫度變化的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后，通過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，最后將數(shù)字量送顯示電路，用4位LED數(shù)碼管顯示。 圖1.1 1.2系統(tǒng)原理框圖及電路圖 圖1.2 整體原理圖 2系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 2.1溫度傳感器此電路是基于模擬AD590設(shè)計(jì)的，它是利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測(cè)量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化. 1、流過(guò)器件的電流(μA) 等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開(kāi)爾文) 度數(shù)。 2、 可測(cè)量范圍-55℃至150℃. 3、 供電電壓范圍+4V至+30V. AD590集成溫度傳感器進(jìn)行溫度～電流轉(zhuǎn)換。它是一種電流型二端器件，其內(nèi)部已作修正，具有良好的互換性和線性。有消除電源波動(dòng)的特性。輸出阻抗達(dá)10MΩ，轉(zhuǎn)換當(dāng)量為 。器件采用B－1型金屬殼封裝。 溫度—電壓變換電路如圖2.2所示。由圖可得： 由  （R一般取10KΩ） 所以 。 圖2.1 AD590原件符號(hào) 圖2.2 溫度——電壓轉(zhuǎn)換電路 2.2 轉(zhuǎn)換與放大電路 2.2.1K—℃變換器 因?yàn)锳D590的溫控電流值是對(duì)應(yīng)絕對(duì)溫度K，而在設(shè)計(jì)中需要采用℃，由運(yùn)放組成的加法器可以實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，參考電路如下圖2.3
圖2.3 K—℃變換電路 設(shè)流經(jīng)R2,R1,R3的電流分別為  對(duì)圖2.3的反相輸入節(jié)點(diǎn)可列出下面的方程：  若  （實(shí)際應(yīng)用中可取R1=R2=R3=5 KΩ） 而  計(jì)算得  則式 ( 2.3.1 )可變?yōu)?  （ 2.3.2 ) 元件參數(shù)的確定和－UR選取的指導(dǎo)思想是：0℃（即273K）時(shí)，U2 = 0 V 綜合式（2.2.1），可得  。 ( 2.3.3 )2.2.2放大器 圖2.4 反相比例放大器 設(shè)流經(jīng)R4，R6的電流分別為i4，i6。 由虛斷的概念可知，i4=i6， 為了提供一個(gè)合適的靜態(tài)偏置，故在其同向端接入一個(gè)平衡電阻  ( 2.4.2 )要使U3滿足100mV/℃， 又因?yàn)?nbsp; U2=10mV/℃， 2.2.3比較器 電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路,常用于各種電子設(shè)備中.它將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。 
圖2.5 電壓比較器 由電壓比較器組成，如圖2.5所示。Uref為報(bào)警時(shí)溫度設(shè)定電壓5V，R7,R8用于穩(wěn)定輸入電壓。R9用于改善比較器的遲滯特性，R10用于報(bào)警設(shè)備的輸入電阻，用來(lái)控制輸入電流的大小。這些電阻決定了系統(tǒng)的精度。 由比較器的虛短和虛斷概念得經(jīng)過(guò)調(diào)試，可取   2.2.4報(bào)警設(shè)備 發(fā)光二極管為其核心設(shè)備,其發(fā)熱量小，耗電量也少，節(jié)能。由低壓電源供給，供電電壓大大約為6-24 V之間。 當(dāng) 的值小于 的值時(shí)， 輸出為低電平，三極管截止，發(fā)光二極管無(wú)響應(yīng)。 當(dāng) 的電壓值大于時(shí)，輸出為高電平，三極管導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生警報(bào)！ 圖2.6 發(fā)光二極管 圖2.7報(bào)警設(shè)備電路 2.2.5 電路原理圖 由上述各設(shè)計(jì)電路可得出如圖2.8所示電路原理圖。 圖2.8 轉(zhuǎn)換與放大電路 2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 TC7107是一種高性能、低功耗的三位半A\D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)。TC7107可直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED數(shù)碼管。TC7107將高精度、通用性和真正的低成本很好的結(jié)合在一起，它有低于10uV的自動(dòng)校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測(cè)量負(fù)載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時(shí)會(huì)有更突出的特點(diǎn)。 TC7107的特點(diǎn)： 1. 保持零電平輸入時(shí)，各量程的讀值均為零； 2. 1pA典型輸入電流； 3. 很低的噪聲（小于15 Vp-p）； 4. 片上自帶時(shí)鐘； 5. 低功耗； 6. 不需外接有源電路。 7. 真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考電源，直接LCD顯示驅(qū)動(dòng)。  TC7107的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示圖的部分電路原理圖如下：圖2.9 TC7107數(shù)字部分框圖 TC7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.9所示。其中計(jì)數(shù)器對(duì)反向積分過(guò)程的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。控制邏輯包括分頻器、譯碼器、相位驅(qū)動(dòng)器、控制器和鎖存器。 驅(qū)動(dòng)器是將譯碼器輸出對(duì)應(yīng)于共陽(yáng)極數(shù)碼管七段筆畫(huà)的邏輯電平變成驅(qū)動(dòng)相應(yīng)筆畫(huà)的方波。 圖2.10 TC7107轉(zhuǎn)化器原理圖 控制器的作用有三個(gè)： 第一，識(shí)別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，使各模擬開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。 第二，識(shí)別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號(hào)顯示 第三，當(dāng)輸入電壓超量限時(shí)發(fā)出溢出信號(hào)，使千位顯示“1" ，其余碼全部熄滅。
釣鎖存器用來(lái)存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動(dòng)LED 。它的每個(gè)測(cè)量周期自動(dòng)調(diào)零（AZ）、信號(hào)積分（INT）和反向積分（DE）三個(gè)階段。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如圖2.11所示 圖2.11雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖 TC7107AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖2.12所示： 圖2.12 TC7107管腳排列 TC7107引腳功能： V＋和V-分別為電源的正極和負(fù)極（或地） au-gu,aT-gT,aH-gH：分別為個(gè)位、十位、百位筆畫(huà)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次接個(gè)位、十位、百位LED顯示器的相應(yīng)筆畫(huà)電極。 Bck：千位筆畫(huà)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。接千位LEO顯示器的相應(yīng)的筆畫(huà)電極。 PM：液晶顯示器背面公共電極的驅(qū)動(dòng)端，簡(jiǎn)稱背電極。
Oscl-OSc3 ：時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據(jù)下列公式來(lái)決定：Fosl = 0.45/RC COM ：模擬信號(hào)公共端，簡(jiǎn)稱“模擬地”，使 用時(shí)一般與輸入信號(hào)的負(fù)端以及基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連。
TEST ：測(cè)試端，該端經(jīng)過(guò)500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”。
VREF＋ VREF- ：基準(zhǔn)電壓正負(fù)端。
CREF：外接基準(zhǔn)電容端。
INT：27是一個(gè)積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件
IN＋和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號(hào)的正端和負(fù)端。
AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動(dòng)調(diào)零電容CAz 。如果應(yīng)用在200mV滿刻度的場(chǎng)合是使用0.47μF，而2V滿刻度是0.047μF。
BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。其輸出級(jí)的無(wú)功電流( idling current )是100μA，而緩沖器與積分器能夠供給20μA的驅(qū)動(dòng)電流，從此腳接一個(gè)Rint至積分電容器，其值在滿刻度200mV時(shí)選用47K，而2V滿刻度則使用470K。 TC7107的工作原理： 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器TC7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過(guò)對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用脈沖時(shí)間間隔，進(jìn)而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。838電子
它的原理性框圖如圖2所示，它包括積分器、比較器、計(jì)數(shù)器，控制邏輯和時(shí)鐘信號(hào)源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，積分器先后對(duì)輸入信號(hào)電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號(hào)與零電平進(jìn)行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信一號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)源的標(biāo)準(zhǔn)周期Tc 作為測(cè)量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。它是由內(nèi)部的兩個(gè)反向器以及外部的RC組成的。其振蕩周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC 。 數(shù)碼管可以分為共陽(yáng)極與共陰極兩種，共陰極是把所有LED的陽(yáng)極連接到共同接點(diǎn)com，而每一LED的陰極分別為a,b,c,d,e,f,g及sp（小數(shù)點(diǎn)），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.13所示。 圖2.13 共陽(yáng)極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于TC7107的特點(diǎn)，它只能驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極數(shù)碼管，故我們要選用共陽(yáng)極七段數(shù)碼管。 3 仿真與調(diào)試 3.1 電路的仿真 仿真電路如圖3.1,3.2和3.3所示 其中，圖3.1是溫度未達(dá)警戒線79℃的仿真電路；圖3.2是溫度剛好為80℃的仿真電路；圖3.3是溫度超過(guò)警戒線100℃的仿真電路。 圖3.1 79℃的仿真電路 圖3.2 80℃的仿真電路 圖3.3 100℃的仿真電路 3.2 仿真結(jié)論 即仿真所得的實(shí)際結(jié)果與理論相同。所以，仿真成功，可以通過(guò)此裝置測(cè)得溫度。 4總結(jié) 采用AD590、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管。通過(guò)溫度傳感器AD590采集到溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路送A/D轉(zhuǎn)換器，然后直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度。在這次設(shè)計(jì)當(dāng)中，初步了解了A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理以及數(shù)碼管的連接方法。 在這個(gè)設(shè)計(jì)中，信號(hào)采集電路和A/D轉(zhuǎn)換電路比較重要，要對(duì)電路中各個(gè)元件數(shù)值進(jìn)行精確的計(jì)算，防止電路輸出變化太大，對(duì)測(cè)量不利。 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程.通過(guò)這次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序.通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路原理圖 ，能獨(dú)立完成電路圖的繪制，在設(shè)計(jì)電路圖過(guò)程中充分了解各芯片和元器件的功能作用。通過(guò)這次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì),使我對(duì)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用有了更深刻的理解。通過(guò)該課程設(shè)計(jì)，把死板的課本知識(shí)變得生動(dòng)有趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。 通過(guò)這次學(xué)習(xí)，讓我對(duì)各種電路都有了大概的了解，所以說(shuō)，坐而言不如立而行，對(duì)于這些電路還是應(yīng)該自己動(dòng)手實(shí)際操作才會(huì)有深刻理解。
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數(shù)字溫度計(jì)課程設(shè)計(jì).doc
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