智能检测数字显示仪表制作报告DOC.docx
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智能检测数字显示仪表制作报告DOC
1.概述-1-
1.1设计要求-1-
1.2实验步骤-1-
1.3数字仪表-1-
1.31数字仪表概述-1-
1.32数字仪表组成及作用-1-
2.设计方案-2-
2.1系统原理-2-
2.2器件选用-2-
2.2.1热电偶-2-
2.2.2放大器——ICL7650-3-
2.2.3A/D转换——MC14433-3-
2.2.4地址锁存器——74LS373-4-
2.2.5EEPROM线性化器——MC28C64-5-
2.2.6计数译码——CD4511-6-
2.2.7数字显示与数码输出——七段码转换器-6-
2.3全部实验器材-7-
2.3.1集成电路芯片有：
-7-
2.3.2开发环境如下：
-7-
3.制作及调试过程-8-
3.2遇到的问题及解决方法-9-
4.结果及分析-9-
4.1实验结果截图-9-
4.2误差及分析-10-
5.心得及体会-11-
6.参考文献-12-
北京信息科技大学
自动化学院
实验报告
课程名称智能检测技术及仪表
实验名称基于热电偶的数字温度显示仪
专业自动化（信息与控制系统）
班级/学号自控/
学生姓名
实验日期2013.4.10-4.25
实验地点7-109
成绩
指导教师
1.概述
1.1设计要求
制作E,K型热电偶数字温度表,其大体可以采用放大,记数,时钟,译码,显示等数字仪表组建方式,其间也有一些是属于热电偶的特殊之处,在制作过程中区别于其他的数字仪表。
1.2实验步骤
图1.1实验步骤
1.3数字仪表
1.31数字仪表概述
数字式显示仪表是一种以十进制数形式显示被测量值的仪表，与模拟式的显示仪表相比较，数字显示仪表具有读数直观方便，无读数误差准确度高，响应速度快，易于和计算机联机进行数据处理等优点
1.32数字仪表组成及作用
1.运算放大器：
对传感器测出的微弱电压电流信号进行放大。
2.模/数（A/D）转换器：
将模拟信号转换为数字信号,为后面仪表显示做准备。
3.计数器/译码器：
通常用作对上一步的数字信号做相应的逻辑变换。
4.时钟电路：
必不可少的,提供给整个系统的时钟信号。
5锁存器/缓冲器：
提高数字电路的驱动能力。
6.驱动电路：
驱动数字仪表的显示器件。
7.标度/线性化电路：
对信号进行量纲变换,克服传感器的非线性特性。
8.显示电路：
数字仪表的显示部分,常用发光二极管,液晶显示屏等。
2.设计方案
2.1系统原理
图2.1系统原理图（从左到右，由下至上）
2.2器件选用
2.2.1热电偶
热电偶是工业上常用的测温传感器，尤其在高温环境下更能体现其优点。
在此，选取K型和E型热电偶做为获取温度信号的敏感元件，K型测温范围是0℃至1300℃，E型测温范围是0℃至800℃。
可以根据不同测量精度选择使用其中的一种热电偶。
在本实验中E型热电偶作为温度信号的输入元件.
2.2.1.1热电偶工作原理
1823年塞贝克（Seebeck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。
这个物理现象称为热电效应。
如图2-1：
两种不同材料的导体A和B，两端联接在一起，一端温度为T0，另一端为T（设TT0），这时在这个回路中将产生一个与温度T，T0以及导体材料性质有关的电势EAB（T，T0），显然可以利用这个热电效应来测量温度。
在测量技术中，把由两种不同材料构成的上述热电交换元件称为热电偶，称A，B导体为热电极。
两个接点，一个为热端（T），又称工作端，另一个为冷端（T0），又称为自由端或参考端。
2.2.2放大器——ICL7650
热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不能做为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大到0至1v的范围，采用ICL7650进行同相放大，同相放大公式为：
A=1+R2/R1
所以放大倍数如下：
K：
A1=A-1=1000/51.612-1=18.4
E：
A1=A-1=1000/59.825-1=15.7
采用ICL7650作为放大器，它具有极低的输入失调电压，温漂、时漂也较低。
Cextb：
外接电容1
Cexta：
外接电容2
-Input：
反向输入端
+Input：
同向输入端
V-：
负电源端
Cretn：
外接电容的公共端
Output：
输出端
V+：
正电源端
Int/clk：
时钟输出端
Ext/clk：
时钟输入端
图2.2.2ICL7650各引脚
2.2.3A/D转换——MC14433
在温度测量系统中，温度变化过程比较平稳，不需要高速的A/D变换器。
这里采用双积分型的A/D转换器MC14433。
它能将模拟信号转换为BCD码，并且动态扫描输出，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲。
转换公式如下：
输出读数＝Vx/Vr*2000
采用MC14433作为A/D转换器，
它的转换速度和转换精度非常适用于温度测量系统。
图2.2.3MC1443各引脚
2.2.4地址锁存器——74LS373
MC14433A/D转换结果采用BCD码动态扫描输出，因此每位数字要增加一个四位的锁存器74LS373，把经过多路组合的数据分离出来，并寄存在相应的锁存器内，由MC14433的多路调制选通脉冲DS4，DS3，DS2控制Q0，Q1，Q2，Q3BCD码三位数据的输出，经个位，十位和百位锁存器锁存，输出个，十，百三位BCD码，在下一步中，以这十二位BCD码作为EEPROM的地址线，对其进行寻址。
在最初设计中，EEPROM的寻址应该使用二进制码进行，但是由于BCD码到二进制码的转换芯片已经停产，所以直接用BCD码做为EEPROM的地址线，所以，就要在相应的存储单元存储相应的温度值。
控制线转换的频率是由A/D转换芯片的频率决定的，通过选定外围电路的电阻值来控制频率的高低，在地址锁存的时候本应该在控制信号到来时传输数据的，由于我将A/D转换的频率设置在70赫兹，这样在后续电路显示的时候，人眼是分辨不出来的。
图2.2.3MC1443各引脚
2.2.5EEPROM线性化器——MC28C64
A／D转换器的输出作为地址码访问EEPROM时，EEPROM存放的表格内容将被取出，送入显示器以显示被测的温度。
表格的编制方法如下：
首先根据热电偶的E～t特性曲线，在E坐标上进行有限等分。
K型的镍铬—镍硅热电偶用于测量0～1299℃。
设量化单位为q。
E～t的量化曲线如图4-3所示。
这种线性化的精度取决于划分的程度，划分得越细，越多，则精度越高，不过还取决于实际电路所能达到的程度，也就是芯片的分辨率，A/D转换的分辨率越高，就可以分的越高，这样也就跟热电偶分度表的真实性越接近。
线性化的结果是在一定程度上模拟热电偶的分度表曲线，但不是完全符合，而是允许在一定的误差范围之内。
这样做，可以在不搭建复杂模拟电路系统的情况下，实现对热电偶的非线性特性补偿。
此种做法的不足之处是，在计算新的分度表时，过程较繁琐，但相对于复杂的模拟电路来说，还是有很大改进的。
K型热电偶的温度特性曲线是非线性的，为了在数字转换部分使电路简化，就应当在这里对非线性进行补偿，从它的温度特性曲线可以看出，采用通常的折线法或是最小二乘法都可以，不过就加大了计算的复杂程度，而且在后续的A/D转换时就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整个设计的经济成本，为此，采用了这种借助线性化辅助曲线的方法，详述如下：
首先将K型热电偶在1299℃时其转换电压是51.612mv，将其分成一千份，那么其最小分度就是q＝0.0561mv，分得越小，其精度越高，不过要受后续器件的精度影响。
其次，在热电偶的温度特性表上每隔10℃找一个参考点，它的作用在于使线性化补偿之后的拟合曲线始终在原温度曲线附近，不会偏差太多，也可以选择20℃，或更高，参考点相距越近，测量精度就越高。
最后，在测量的时候，将实际测量的转换电压与特性表中的参考点比较，这里以向下寻找为标准，找到一个和实际电压最接近的一个参考点，这时，就以改参考点为基准温度值，然后计算出二者的电压差，在将该电压差除以最小分度q，得出一个在10℃之内的温度值，最终显示温度为：
最终显示温度＝参考点基准温度＋附加温度值
按照这种方法制作EPPROM内的温度表格，这样把主要的精力用在寻找非线性补偿的方法上，简化了电路的设计，只需把计算出的温度表格输入到存储器中即可，而且这种利用线性化辅助曲线进行非线性补偿的方法，计算简单，易行，精度高（根据参考点和最小分度值的选取），分辨率高，不仅适用于温度补偿系统还可以在近似的情况中应用。
只要后续转化器件的精度高，就允许将参考点选取的更近，将最小分度值选取的更小。
测量结果就更接近实际温度值。
2.2.6计数译码——CD4511
整个系统的工作频率由A/D转换器时钟电路决定，在段码转换时采用了4511七段码转换芯片。
图2.2.6CD4511各引脚
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
2.2.7数字显示与数码输出——七段码转换器
从EEPROM线性化器读出的数分别送到四个七段码的译码器之中，从里面送出的数码是BCD码，然后把BCD数码通过4511转换为七段码，再通过限流电阻接到数码管上，若采用的是共阴极的数码管，可以直接把4511的输出接到数码管的限流电阻上，然后接到七段码上，但通常使用的是共阳极的数码管，这时就需要把4511输出的七段码经过非门74HC04做一下反向。
限流电阻一般可以根据具体情况来选择，这里选择240欧姆的阻值。
本实验中我们使用的事共阴极的显示管.最终的温度值显示使用LED数码管输出，也可以将其输入计算机中做进一步运算处理。
图2.2.7电路各部分组成
2.3全部实验器材
2.3.1集成电路芯片有：
（1）热电偶：
K型（镍铬-镍硅）和E型（镍铬-铜镍）两种型号热电偶
（2）前置放大器：
ICL7650CMOS斩波稳零单片集成运算放大器
（3）A/D转换器：
MC144333.5位双积分型A/D转换器
（4）锁存器：
74系列的74LS373
（5）EEPROM线性化器：
MC28C64
（6）七段数码管转换器：
BCD码到七段码转换器4511
2.3.2开发环境如下：
（1）PC机一台
（2）示波器一台
（3）万用表一个
（4）频率计一个
（5）高精度电源一台
（6）面包板一块
（7）剥线钳，镊子各一个
（8）导线，不同阻值电阻若干
3.制作及调试过程
3.1电路图
图3.1系统电路图
3.2遇到的问题及解决方法
Q1:
测试时LED无反应
Solvemethods:
用万用表检查实验线路发现电面包板上的5V与地并未完全串联。
用导线把所有的5V与地应该接地线路接好
Q2:
测试时LED灯亮但不稳定，示数混乱对照实验连线图校正改
Solvemethods:
EEPROM（AT28c64）中的引脚错位。
重新连接纠正线路板上的错误连线。
Q3:
改正线路后LED显示灯未有反应。
Solvemethods:
万用表检查实验线路发现由于多次移动和线路的改正导致由于多次移动改正线路等一系列因素导致EEPROM（AT28c64）中控制个位和十位的芯片与面包板接触不实。
4.结果及分析
4.1实验结果截图
实验结果数据：
数码管显示
20.7
21.2
21.8
22.4
22.9
23.5
24.1
24.7
25.8
26.7
实际温度
20
20.5
21
21.5
22
22.5
23
23.5
24
24.5
4.2误差及分析
最小二乘法程序：
axis（[030030]）;
coords=[2020.52121.52222.52323.52424.5;20.721.221.822.422.923.524.124.725.826.7];
grid
hold
plot（coords（1,:
）,coords（2,:
）,'*'）;
x=coords（1,:
）;
y=coords（2,:
）';
b=size（coords）;
c=ones（1,b
（2））;
MT=[c;x];
M=MT';
f=inv（MT*M）*MT*y;
['y=',num2str（f
（2））,'x+',num2str（f
（1））];
x=-max（x）:
max（x）;
y=f
（1）+f
（2）*x;
mistake=max（x-y）/（max（y）-min（y））;
fprintf（'智能检测仪表的系数灵敏度S=%5.3f%%\n',abs（f
（2）））
fprintf（'非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake）
plot（x,y）
xlabel（'x/℃'）
ylabel（'y/℃'）
title（'智能检测技术及仪表实验'）
legend（['y=',num2str（f
（2））,'x+',num2str（f
（1））]）
运行结果：
智能检测仪表的系数灵敏度S=1.290%
非线性误差f=0.196%
分析：
产生误差的原因：
1.电路固有的特性使得产生固定误差
2.导线等元器件的存在使得产生固定误差
3.偶然误差
5.心得及体会
经过这一次的实验，进一步了解认识了智能检测技术的基本原理、智能检测系统的建立和智能检测系统的设计过程，增强了对有关工程系统的程序设计能力。
经过长时间的努力，终于在老师同学的帮助下，制作出智能检测数字显示仪表，从中明白数字显示仪表的工作原理，对其中用到的各种芯片以及如何在芯片中烧制程序均有一定的了解，同时对热电偶的工作原理及应用也有了解。
提高了单片机技术、C语言、汇编语言等以及在智能检测设计中的应用。
和同学一起做实验，锻炼了自己的合作能力，遇到问题通过问同学老师耐心解决提高了个人能力。
6.参考文献
[1]李军主编，检测技术及仪表，北京：
中国轻工业出版社，2002.4，第2版
[2]李全利主编，单片机原理及应用技术，北京：
高等教育出版社.2004.1
[3]周杏鹏等编著，现代检测技术，北京：
高等教育出版社，2004.1
[4]唐贤远刘岐山编著，传感器原理及应用，2000年08月
[5]曲波肖圣兵等编著，工业常用传感器选型指南，2002年01月第1版
[6]王尔乾杨士强等编著，数字逻辑与数字集成电路，2002年08月第2版
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