毕业设计led数字式测温系统设计.docx

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毕业设计led数字式测温系统设计

LED数字式测温系统

工学部

工学一部

专业

自动化

班级

B641301

学号

B64130105

姓名

庞秋楠

指导教师

刘国昌

负责教师

刘国昌

沈阳航空航天大学北方科技学院

2010年6月

摘要

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实践中最普遍最重要的热工参数之一。

在日常的生活生产中，我们有时候要知道现场的温度，或是某单元位置的温度。

但是普通的温度计多为长条的，需要读刻度的，不利于我们对温度的监控。

因此我们要制作一个既方便又实用的测温系统——LED数字式测温系统。

该系统主要由ICL7107组成一个双积分模数转换集成电路。

只要在外部接入部分元件即可组成一个三位半数字表头。

若将转换器电路作为输入环节，连接到数字表头的输入端，就可组成数字温度计等测量仪器。

为了达到某些需要，我们还对电路进行完善，使之实现上限预置，超限报警等功能。

关键词：

LED；ICL7107；测温；报警

Abstract

Temperatureisaphysicalobjectstoreflectthelevelofheatorcold,while，isoneofthemostpopularandthemostimportantthermalparametersinindustrialproductionandscientificpractice.Indailyproductionlife,sometimes，weneedtoknowthetemperaturefield,orthetemperatureofaunitorposition.Butforordinarythermometer,needtoreadthestriponthescale,sothat，wecannotmonitorthetemperatureeasily.Therefore,weshouldmakeaconvenientandpracticaltemperaturemeasurementsystem-——LEDdigitaltemperaturemeasurementsystem.ThesystemismainlycomposedbyadoubleintegralICL7107frequency-fieldintegratedcircuits.Justintheexternalaccesstoathreepartcomponentsanddigitalheaders.Ifregardtheconvertercircuitasinput,connectedtothedigitalmultiplierofinput,andcouldformadigitalthermometermeasurementinstrumentorsomeotherinstruments.Inordertoachievecertainneed,wewillimprovethecircuit,achieveon-linepreset,overrunalarmfunctionandsoon.

Keywords:

LightEmittingDiode；ICL7107；temperaturemeasurement；alarm

第一章绪论

1.1温度的概念

温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。

它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。

目前国际上用得较多的温标有华氏温标（°F）、摄氏温标（°C）、热力学温标（K）和国际实用温标。

从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。

温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。

对于个别分子来说，温度是没有意义的。

1.2测量温度的方法

测量温度的方法很多，按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类。

　　接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。

这种方法优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。

　　非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可以避免接触式测温法的缺点，具有较高的测温上限。

此外，非接触式测温法热惯性小，可达1/1000s，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。

由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他的介质的影响那个，这种方法一般测温误差较大。

1.3研究背景与意义

在整个宇宙当中，温度无处不存在。

无论在地球上还是在月球上，也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。

例如，太阳表面温度约为6000℃，而处于太阳系里离太阳较远的冥王星的表面温度却只有-240℃。

又如，传说中的牛郎星与织女星，在夜里的星空中，它们只是闪烁的小亮点，而怎能让人一下子想到牛郎星的表面最高温度竟达8000℃，织女星的表面最高温度竟达10000℃，真可谓是“热恋之星”。

正因为宇宙中各行星的冷热不同，才决定着生命的存在与否。

想想看，如果人类要到太阳去，还没到达早已化为灰烬了；再想想，如果人类要到阴冷的冥王星去，恐怕人的第一次呼吸还没完成就早已在寒冷的温度当中冻成了冰尸。

当然，在这样莫大的宇宙中，只要位置适当，生命是完全可以存在的。

现在的地球就是典型一例。

地球上生命的诞生有人说是偶然的，其实它也是必然的。

第一个有生命细胞的诞生，那是蕴含着“造物主”多少心思啊，其中温度是必不可少的因素之一。

因为只有在适宜的温度下，化学反应才能正常进行物质分解或重组，才有了今天这个美丽的世界山川、河流、绿树、红花……才有了生命的诞生。

温度是分子平均功能的标志，它决定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量，它的基本特征在于一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。

如当温度较低时，分子、原子振动的速度很小，无法挣脱分子、原子也变小，分子之间距离就较大，此时物质为液态。

但随着温度的不断升高，分子运动十分激烈，分子间的距离也变大，此时物质为气体。

整个世界这么精彩就是因为这些不同的分子，原子在不同的温度下变化而来的。

综上所述，我们的生活离不开温度，所以研究如何测量温度的意义是非常重大

的。

1.4研究内容与论文组织

1.4.1研究内容

本课题主要对以下内容进行了研究：

（1）充分研究各种元器件的属性功能及用途。

（2）设计电路以及焊接电路。

（3）对电路进行调试。

1.4.2论文组织

论文的组织结构为：

第1部分，绪论。

本章对温度做了简单的介绍，并且对温度的测量作了简单的分析，还提出了本课题研究的背景及意义，以及本论文研究的主要内容。

第2部分，电路的设计及其工作原理。

根据题目的要求设计出适合本课题的电路并且对它的工作原理进行介绍。

第3部分，元器件的选择。

根据电路的工作原理，选择合适的元器件。

第4部分，元器件的介绍。

本章对电路里面涉及的元器件作了具体的介绍，对每个器件的属性功能以及用途做了深入的分析。

第5部分，制作电路及电路的调试。

根据电路图制作电路。

并对电路进行调试，完成LED数字式测温电路并且实现上限预置，超限报警的功能。

第6部分，结论。

第二章设计电路及其工作原理

2.1设计电路的思路

本次毕设的题目是：

LED数字式测温系统，根据题目的要求，进行电路的设计。

本次课题主要针对的是一个测温系统，由于题目给出数码管LED，所以联想到芯片ICL7107可以直接驱动数码管LED，并且在外部接入少量元件，即可组成一个三位半数字表头，进而可以显示温度。

用三极管来做感温器件，通过调节电位器，使温

度发生变化，最终实现整个电路。

根据ICL7107的工作原理和基本特点，通过结合一定的资料得出由它组成的典

型的电路图如图2.1所示：

图2.1ICL7107的引脚图及典型应用

在此基础上，通过计算和仔细的研究之后，添加一些阻容件，完成本次毕业

设计的电路图。

电路的原理图如图2.2所示：

图2.2电路原理图

2.2电路的工作原理

依靠ICL7107双积分模数转换集成电路，外接阻容件，组成一个三位半数字表头，调整可调电位器，确定初始温度，用三极管做感温器件，所测得的温度用数

码管显示，根据需要，加入上限预置，超限报警等环节。

第三章元器件的选择

3.1LED

简单地说，LCD与LED是两种不同的显示技术，LCD是由液态晶体组成的显示屏，而LED则是由发光二极管组成的显示屏。

LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。

LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。

LED与LCD的功耗比大约为1:

10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160°的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示屏还可以进行联网播出。

有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。

利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。

由于LED的这些优点，所以本次课题选择LED。

3.2芯片ICL7107

ICL7106和ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路。

它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。

ICL7106含有一背电极驱动线，适用于液晶显示（LCD），ICL7107可直接驱动发光二极管（LED）。

ICL7106和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10μF的自动校零功能，零漂小于1μV/℃，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个系统中都很有用。

在用于测量负载单元、压力规管和其他桥式传感器时会有更突出的优点。

真正的差动输入和差动参考源，LCD直接显示驱动（ICL7106）和LED显示驱动（ICL7107）。

因此选芯片ICL7107。

3.3积分电阻

缓冲放大器和积分器都有甲类输出放大器，静态电流均为100μA左右。

输出为4μA时的非线性度很小，可忽略不计。

积分电阻必须足够大，以使在整个输入信号范围内的积分电流都落在这个线性度很好的区间。

同时积分电流又必须大到印刷版上的漏电流可以忽略。

对于2V的满量程，470KΩ是最优的。

满量程为200mV，可选用47KΩ。

3.3积分电容

积分电容的选择须使得最大电压摆幅不达到积分器输出电压的最大饱和摆幅，（约比电源和地低0.3V和高0.3V）。

当ICL7106和ICL7107的模拟公共端用作参考点时，积分器输出满量程标称为2V时最佳。

当ICL7107用＋5V电源供电，模拟公共端接地时，±3.5V到＋4V的标称输出摆幅为最好。

在每秒3个读数时（时钟频率为48KHz），CINT的标称值分别为0.22μF和0.10μF。

当然，在使用不同的振荡频率时，该电容的值也要往相反的方向进行修正，以保持同样的输出摆幅。

选择积分电容的另一个要求是其漏电要小，以减少翻转误差。

较合适的电容是聚丙烯电容，它的漏电几乎可完全忽略，而成本又很低。

3.4自动校零电容

校零电容的大小对系统的噪声会有些影响。

在200mV满量程时，噪声显得很重要。

推荐使用0.047μF电容，这样，噪声在合理的范围内，同时，也加快了过载时的恢复速度。

3.5参考电容

绝大多数使用场合下，0.1μF的电容效果最好。

然而，当存在较大的共模电压（即REFLO管脚未与模拟公共端连接）和使用200mV的满量程时，可选用较大的电容，以防止产生翻转误差。

一般地，1μF的电容在这种情况下可将翻转误差控制在0.5个显示字范围之内。

3.7振荡器元件

所有的频率范围内，推荐使用100KΩ的振荡电阻，振荡电容的值用下式进行推算，f=0.45/RC。

在48KHz振荡频率时（每秒3个读数），C=100pF。

3.8参考电压

满量程读数值输出（2000个计数值）所需的模拟输入电压Vin=2VREF,这样,对于200mV和2V的量程,VREF在分别为100mV和1V。

然而，在许多应用场合，该A/D电路直接连接到传感器的输出，在数字输出和输入电压间就存在一个量程因子的问题。

例如，在一个称重系统中，设计者可能会希望传感器的电压输出为0.662V时，A/D转换器的数字输出为满量程。

这时，应将传感器的输出电压直接接到A/D输入，参考电压调至0.331V，（而不是将传感器的输出电压衰减至200mV），并将积分电阻和积分电容选至合适的120KΩ和0.22μF。

这样会使系统显得简洁，并去掉输入端的衰减网络。

在用±5V供电的ICL7107的输入端可接受±4V的输入信号，这类系统的另一个优点是在输入电压VIN≠0时，可将输出数字读数调为零。

这对于测温和称重系统就是一个例子：

为方便地将数字输出调为零，可将传感器的输出电压接至INHI和COMMON端，可调整的（或固定的）调零电压加在COMMON和INLO端。

第四章元器件的介绍

4.1LED介绍

4.1.1LED的基本信息

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型[1]半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料的禁带宽度决定的。

LED的结构图如图4.1所示：

图4.1LED结构图

4.1.2LED的发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

　　假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）

式中Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

比红光波长长的光为红外光。

现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，

使用不普遍。

4.1.3LED的优点

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。

（1）体积小：

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。

（2）耗电量低：

LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。

工作电流是0.02-0.03A。

这就是说：

它消耗的电能不超过0.1W。

（3）使用寿命长：

在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。

（4）高亮度、低热量：

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

（5）环保：

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

（6）坚固耐用：

LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

（7）高节能：

节能能源无污染即为环保。

直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

（8）寿命长：

LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。

固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

（9）多变幻：

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

（10）利环保：

环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

（11）高新尖：

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。

4.1.4LED的应用

鉴于LED的自身优势，目前主要应用于以下几大方面：

（1）显示屏、交通讯号显示光源的应用。

LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三色和单色显示屏，全国共有100多个单位在开发生产。

交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会；

（2）汽车工业上的应用。

汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。

汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。

1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。

由于LED响应速度快，可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。

此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED显示。

我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机。

近几年内会形成年产10亿元的产值，5年内会形成每年30亿元的产值。

　　（3）LED背光源。

以高效侧发光的背光源最为引人注目,LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势,因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。

LED是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件。

现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED芯片。

目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对于国产LED产品来说,这是个极好的市场机会。

　　（4）LED照明光源。

早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。

目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。

日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目（称为"照亮日本"），头五年的预算为50亿日元,如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源，相当于五个1.35×106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。

我国也于2004年投资50亿元大力发展节能环保的半导体照明计划。

（5）其它应用。

例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍，该公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3亿只发光灯；正在流行的LED圣诞灯,由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强

劲，收到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有灯泡的圣诞市场。

4.2芯片ICL7107介绍

4.2.1ICL7107的基本信息

ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路。

它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。

ICL7107可直接驱动发光二极管（LED）。

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10μF的自动校零功能，零漂小于1μV/℃，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个系统中都很有用。

在用于测量负载单

元、压力规管和其他桥式传感器时会有更突出的优点。

4.2.2ICL7107的基本特点

（1）ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。

（2）能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN。

（3）在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF。

（4）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。

（5）输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

（6）整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。

（7）噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

（8）芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

（9）不设有一专门的小数点驱动信号。

使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+。

（10）可以方便的进行功能检查。

4.2.3ICL7107的引脚功能

ICL7107管脚排列如图4.2所示：

图4.2ICL7107管脚图

ICL7107的引脚功能如下：

（1）V＋和V-分别为电源的正极和负极。

（2）au-gu,aT-gT,aH-gH：

分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

（3）Bck：

千位笔画驱动信号。

接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

（4）