数字温度计设计.docx

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数字温度计设计

数字温度计

摘要：

温度计在实际生产和人们的生活中都有广泛应用。

该设计是数字温度计，首先是对总体方案的选择和设计；然后通过控制LM35进行温度采集；将温度的变化转为电压的变化，其次设计电压电路，将变化的电压量通过放大系统转化为所需要的电压；再通过TC7107将模拟的电压转化为数字量后直接驱动数码管LED对实时温度进行动态显示。

最后在Proteus仿真软件中构建了数字温度计仿真电路图，仿真结果表明：

在温度变化时，可以通过电压的变化形式传递，最终通过3位十进制数显示出来。

关键词：

温度计；电路设计；仿真

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6参考文献11

1设计任务与要求

温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表。

本课题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：

（1）测量范围0～100度。

（2）测量精度0.1度。

（3）3位LED数码管显示。

掌握线性系统的根轨迹、时域和频域分析与计算方法；

（2）掌握线性系统的超前、滞后、滞后-超前、一二阶最佳参数、PID等校正方法；

（3）掌握MATLAB线性系统性能分析、校正设计与检验的基本方法。

2方案设计与论证

数字温度计的原理是：

通过控制传感器进行温度采集，将温度的变化转化为电压的变化；然后设计电压电路，将变化的电压通过放大系统转化为需要的电压；再通过A/D转换器将模拟的电压转换为数字量后驱动数码管对实时温度进行动态显示。

原理框图如图2-1所示：

图2-1数字温度计原理框图

由设计任务与要求可知道，本设计实验主要分为四个部分，即传感器、放大系统、模数转换器以及显示部分。

经过分析，传感器可以选择对温度比较敏感的器件，做好是在某参数与温度成线性关系，比如用温敏晶体管构成的集成温度传感器或热敏电阻等；放大系统可以由集成运放组成或反相比例运算放大器；A/D转换器需要选择有LED驱动显示功能的，而可供选择的参考元件有ICL7107，ICL7106，MC14433等；显示部分用3位LED数码管显示。

方案一：

用一个热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM324运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入MC14433（A/D转换器）进行数模转换和数字显示。

方案二：

用集成温度传感器把温度转化为电压，在把每一度的电压变化值通过LM324集成运放进行放大，使其放大的信号应能满足ICL7107数模转换的要求进行数字显示。

由于MC14433模数转换器的显示部分需要驱动器CD4511，基准电压又需要一个MC1403，也就是需要外接的电路和元件相对复杂和麻烦。

而31/2位双积分型A/D转换器ICL7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换和数码显示。

因此选用方案二。

设计初稿中的元器件大多是通过参考书和网上的资料定下来的，Multisim是最常用的仿真软件。

首次选用Multisim进行仿真，可是在Multisim里始终找不到需要的仿真模型，最后选用Proteus进行仿真。

到了Proteus仿真软件里，很多元器件还是没有仿真模型，只能折中选用仿真模型里有的。

比如放大电路由LM324取代了LM741,A/D转换器由TC7107取代了ICL7107等等。

主要参考元器件有：

LM35，LM324，TC7107，电阻及电容若干。

3单元电路的设计及仿真 

3.1温度传感器 

集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器，这种传感器最大优点是：

直接给出正比于热力学温度的理想的线性输出，另外体积小，成本低廉。

因此，它是现代半导件温度传感器的主要发展方向之一。

目前，已广泛应用于-55～150℃温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。

由于本设计要求，测温范围为0～100℃，故此集成温度传感器满足要求。

3.2放大系统 

放大系统是把温度传感器输出的弱信号放大，将每一摄氏度对应的电压以整数输出，可以利用集成运放LM324组成两个反相比例放大电路，由于温度传感器输出的电压与温度的线性关系为10mv/℃，即温度每升高1℃电压升高10mv,因此可以使得电压通过反相比例运算电路放大10倍，即1℃对应电压为100mv。

（1）反相运算器电路结构：

图3-1反相运算放大器的电路结构图

如图3-1所示，该图为反相运算放大器的电路结构图。

图中的

R1：

输入电阻

Rf：

反馈电阻，引入电压并联负反馈

R2：

平衡电阻，要求R2=R1//Rf

（2）电压放大倍数：

V0和Vi成比例关系，比例系数为-Rf/Ri，负号表示V0和Vi反相比例系数的数值可以是大于、等于或小于1的任何值。

通用型低功耗集成四运放LM324，内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用（3～30v），也可接双电源使用（±1.5～±15v），驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。

故选用LM324进行放大系统。

参数计算：

U3：

A（反相比例运算放大器）用电压放大倍数选择输入电阻和反馈电阻，选用输入电阻R4=1k，故反馈电阻R3=10.03k。

平衡电阻R6=R4//R3=1.1k。

放大后的电压为负电压，所以还需要级联一个U3：

B（同比例反相器），选用输入电阻R8=10k，反馈电阻R9=10k，平衡电阻R7=R8//R9=5k，使它由负电压变为正电压。

放大系统电路，如下图所示：

图3-2两个反相器构成的放大系统

如图3-2所示，给放大电路一个初始电压，例：

V1=0.36v时，经一个10倍的反相运算放大器放大后，电压为-3.59v，经一个同比例反相运算放大器后，电压为+3.59v。

仿真与理论存在微小误差（在可允许范围类）,故放大系统部分设计成功。

3.3A/D转换器及数字显示

TC7107是一块应用非常广泛的集成电路，它包含31/2位数字A/D转换器可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。

31/2位双积分型A/D转换器TC7107的引脚图和管教图以及功能简介31/2位双积分型A/D转换器TC7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。

TC7107内部电路含有模拟电路和数字电路两大部分。

TC7107的管脚图，如下所示：

图3-3TC7107

如图3-3所示，介绍TC7107各管脚的功能：

1端：

V+ 为电源正极。

26端：

V- 为电源负极。

19端：

AB4，千位数笔段驱动输出端，由于31/2位的计数满量程显示为“1999”，

所以AB4输出端应接千位数显示器显示“1”字的b和c笔段。

20端：

POL，极性显示端（负显示），与千位数显示器的g笔段相连接（或另行设置的负极性笔段）。

当输入信号的电压极性为负时，负号显示，如“-19.99”；当输入信号的电压极性为正时，极性负号不显示如“19.99”。

21端：

POL，液晶显示器背电极，与正负电源的公共地端相连接。

27端：

VINT，积分器输出端，外接积分电容C（一般取C=0.22μF）。

28端：

VBUFF，缓冲放大器输出端，外接积分电阻R（其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K）。

29端：

CAZ，积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容C（如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

）。

30、31端：

VIN-、VIN+，输入电压低、高端。

由于两端与高阻抗CMOS运算放大器相连接，可以忽略输入信号的注入电流，输入信号应经过1000k电阻组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。

2~8端：

个位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与个位数显示器对应的笔段a~g相连接。

9~14、25端：

十位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与十位数显示器对应的笔段a~g相连接。

15~18、22~24端：

百位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与百位数显示器对应的笔段a~g相连接。

32端：

ACOM，模拟公共电压设置端，一般与输入信号的负端，负基准电压端相接。

33、34端：

CREF-、CREF+，基准电容负压、正压端，它被充电的电压在反相积分时，成为基准电压，通常取REFC=0.1μF。

35、36端：

VREF-、VREF+，外接基准电压低、高位端，由电源电压分压得到。

37端：

TEST，数字地设置端及测试端，经过芯片内部的500电阻与GND相连。

38、39、40端：

OSC3~1，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接阻容元件。

振荡器主振频率f与R、C的关系。

因为芯片TC7107采用双电源供电，能输出较大的电流，适合于驱动发光二极管（LED）数码显示器，并且TC7107芯片内部包括7段译码，可以用硬件译码的方法直接驱动发光二极管（LED）数码显示器，所以显示方式采用共阳极数码管LED显示，由于TC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳级数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。

数码显示部分由3个数码管显示数据。

4总电路设计及其仿真调试过程

4.1总电路设计

根据设计任务知，本系统由传感器、放大系统、A/D转换器和数码显示四部分组成，按照要求将四部分在Proteus仿真软件上级连起来绘出总的电路原理图。

总电路原理图，如下图4-1所示：

图4-1总电路原理图

特别注意：

1）Proteus里的7107有点问题，30、32这两个引脚不能与电源共地。

意思是说电压输入电路自己构成回路即可。

不可添加电源地的符号。

（注意理解‘地’的含义）

2）参考电压部分通过滑动变阻器调制到10v。

3）电源部分注意标号，例如：

+15和+15v（v不区分大小写）不同，应为后者。

4.2仿真结果及其分析

改变温度传感器的温度；观察输出变化的温度信号电压（即放大电路输出电压）；检查控制是否符合要求；LED显示是否正确。

任选三个温度值（例：

0℃、36℃、100℃）对总电路进行调试分析。

1.温度计为0℃，如下图所示：

图4-2温度计为0℃时

如图4-2所示，当温度传感器温度为0℃时，放大输出电压为0v，数码显示部分为0℃，故该数字温度计电路设计成功。

2.温度计为36℃，如下图所示：

图4-3温度为36℃时

如图4-3所示，当温度传感器温度为36℃时，放大输出电压为3.61v，数码显示部分为35.9℃，仿真与理论存在微小误差（在可允许范围类），故该数字温度计电路设计成功。

3.温度计为100℃，如下图所示：

图4-4温度为100℃时

如图4-4所示，当温度传感器温度为100℃时，放大输出电压为10v，数码显示部分为99.9℃，仿真与理论存在微小误差（在可允许范围类），故该数字温度计电路设计成功。

5结论与心得

温度计广泛应用于实际生产和人们的生活中。

该设计是数字温度计，首先是对总体方案的选择和设计；然后通过控制LM35进行温度采集，将温度的变化转为电压的变化；其次设计电压电路，将变化的电压量通过放大系统转化为所需要的电压，调试时，发现放大电路的放大倍数不正确，为0.05倍，经检查电路发现，反馈电阻和平衡电阻阻值不正确，由图3-1运算放大器的电路结构、电压放大系数和平衡电阻的要求修改其阻值，得出放大倍数正确为10倍（有微小误差）；再通过TC7107将模拟的电压转化为数字量后直接驱动数码管LED对实时温度进行动态显示；最后通过对各个可以仿真的电路图在Proteus软件上进行必要的仿真和调试，对一些电阻和电容的参数进行适当的修改，在Proteus仿真软件中构建了数字温度计仿真电路图，仿真结果表明：

在温度变化时，可以通过电压的变化形式传递，最终通过3位十进制数显示出来。

总电路图基本上能够实现理论上的实践。

有些理论可能不是很完善，但与传统的温度计相比该数字温度计具有示数直观，精度高，测量范围广，功能易扩展等优点。

本设计在实现温度变化时，通过电压的变化形式传递，最终通过3位十进制数显示出来。

在温度测量电路中，实现的温度变化率达到了10mv/℃。

测量范围在0～100℃，测量精度为0.1度，基本符合设计要求。

通过这次课程设计，我感到我的数字电路、模拟电路以及电子技术实验等基础知识并不十分扎实，更没有完全的融会贯通，故在设计时有时会漏掉一些细节问题，比如：

由于模电部分不是很清晰，导致连接运算放大器的时候，遇到很大的阻力。

但在查阅了大量的资料和请教老师后，很快将问题解决了，终于完成了任务。

并且让我对这些内容所包含的知识要点有了深刻的理解。

可见通过实际的动手操作，能够更好的掌握所学的知识。

所以在以后的生活和学习中一定要注重基础知识的积累和运用，增强自己的实践能力。

总之，在这次课程设计的过程中，我学习到了许多的知识，发现了许多问题，增强了我分析问题和解决问题的能力，提高了我们设计的综合能力，我还明白了团队合作的重要性。

单纯靠一个人的力量是无法完成的。

只有在一个团队的共同努力下，才能最终走向成功。

这次课程设计令我受益匪浅，为我以后的学习和工作奠定了基础。

今后我会更加努力学习知识，吸取更多的经验教训，把理论和实际更融洽的结合起来，设计出更好的作品，越来越成功。

6参考文献

[1]韩焱.数字电子技术基础[M].电子工业出版社（第2版）.2014

[2]童诗白,华成英.模拟数字电子技术基础[M].高等教育出版社（第4版）.2006

[3]彭介华.电子技术课程设计指导[M].高教出版社（第1版）.1997

[4]童敏明.传感器原理与检测技术[M].机械工业出版社（第1版）.2015

[5]胡启明.Proteus从入门到精通100例[M].电子工业出版社（第1版）.2012

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