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湘潭大学课程设计论文
题目：
三位半数字温度显示计
学院：
材料与光电物理学院
专业：
测控技术与仪器
学号：
2007700106
姓名：
廖丹
指导教师：
杨穗
完成日期：
2010年7月21日
三位半数字温度显示计
（湘潭大学物理学院07测一廖丹）
一、摘要综述
温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：
物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。
我们的课程设计采用ICL7107双积分A/D转换器驱动数码管来显示温度数字。
ICL7107内部集成了振荡器、放大器、比较器、计数器、译码器、A/D变换器等电路。
用它设计成数字显示温度计，只需少许外围元件，并且调试方便。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。
介绍了温度计的测量和控制之间的关系：
检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。
检测涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。
然而，检测技术的发展和传感器技术的发展是密切相关的。
现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上取决于所用传感材料的物理特性，要得到好的检测工具，我们必须选择适当的传感器。
所以，我们要使传感器技术和检测技术更好的结合起来，共同提高科学技术的发展。
数字温度计的研究背景和意义
温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：
物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。
传统所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计。
这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。
数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点。
目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。
传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。
但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。
20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。
目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。
Maxim公司生产的DS1620，DS1620是直接数字输出的温度传感器，采用DS1620不需要在AT89S51系统中扩展A/D转换器，因此可以降低电路的复杂性。
DS1620是一片8引脚的片内建有温度测量并转换为数字值的集成电路，他集温度传感、温度数据转换与传输、温度控制等功能于一体。
测温范围：
-55～+125℃，精度为0.5℃。
该芯片非常容易与单片机连接，实现温度的测控应用，单独做温度控制器使用时，可不用外加其他辅助元件。
DS1620可把测得的温度用9位的数据表示出来，同时，本身还有3个温度报警输出，因此在恒温箱、温度计及其它对温度敏感的系统中得到了广泛的应用。
数字温度计的研究现状
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
传统的分立式温度传感器——热电偶传感器：
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。
模拟集成温度传感器：
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
智能温度传感器：
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。
智能温度传感器包括数字温度传感器和石英温度传感器。
数字温度传感器被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能：
用于热化疗仪中对药液的温度进行测量，能获得较好的测温效果；用于温度检测系统，测温系统可用于各行各业中。
比如：
可用于温室大棚的温度检测，当温度过高就产生报警信号；在轮胎生产中,进行的温度检测。
数字温度计的发展方向
进入21世纪后，数字温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
提高测温精度和分辨力：
20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。
目前，国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。
增加测试功能：
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。
另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。
对某些智能温度传感器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率（典型产品为MAX6654），分辨力及最大转换时间（典型产品为DS1624）。
智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。
典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。
智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。
总线技术的标准化与规范化：
目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。
温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
可靠性及安全性设计：
传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。
新型智能温度传感器（例如TMP03/04、LM74、LM83）普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。
Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。
这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。
为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队（fAultqueue）”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。
仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n（n=1~4）时，才能触发中断端。
若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。
这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。
LM76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI（AdvancedConfigurationAndPowerInterface，即“先进配置与电源接口”）规范的温控系统。
这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。
微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃。
一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时，INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。
此外，当温度超过CPU的极限温度时,也能直接关断主电源，并且该端还可通过独立的硬件关断电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。
上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。
为防止因人体静电放电（ESD）而损坏芯片。
一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受1000~4000V的静电放电电压。
通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧姆电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断／比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。
最新开发的智能温度传感器（例如MAX6654、LM83）还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器（亦称远程传感器）的开路或短路故障。
MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”（PArAsiticResistAnceCAncellAtion，英文缩写为prc）模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100欧姆，也不会影响测量准确度。
远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。
总结
在传统的测温电路设计中，使用热敏电阻之类的温度传感元件，利用其感温效应，将被测温度转换成电压或电流采集过来，进行A/D转换，将模拟温度值转换成对应的数字温度值，再通过显示设备显示出来。
这种电路需要A/D转换电路，所以电路相对复杂。
智能温度传感器集成了A/D转换器，可以很容易的连接到单片机的I/O口。
随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对温度传感器的要求也越来越高。
所以在扩展测温范围、扩大测温对象、显示数字化和检定自动化等方面的研究应投入更多的时间和精力。
我们所做的课程设计正是利用ICL7107A/D转换器驱动数码显示管，通过外围电路构成三位半数字温度显示计。
二、课程设计的内容和自己所做的工作
（一）、课程设计过程中所负责的内容：
查阅相关资料、硬件电路连接与调试、焊接过程中电路连接（排版与剪线）
（二）、课程设计中所用主要器件的简介：
1，热敏电阻（NTC）
NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。
它是以锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铝（Al）、锌（Zn）等两种或者两种以上高纯度金属氧化物为主要材料，经共同沉淀或水热法合成的纳米粉体材料，后经球磨充分混合、等静压成型、高温烧结、半导体切片、划片、玻封烧结或环氧包封等封结工艺制成的接近理论密度结构的半导体电子陶瓷材料，这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。
它具有电阻值随着温度的变化而相应变化的特性。
温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。
NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在100~1500000欧姆，温度系数-2%~-5%。
其电阻率和材料参数（B值）随材料成分比例、烧结温度、烧结气氛和结构状不同而变化，这种具有负温度系数特征的热敏电阻具有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、成本低等特点，NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。
□ 特性参数
⊙标称阻值：
R25（25℃）：
100Ω~1.5MΩ
⊙阻值精度：
±1％,±2％,±3％,±5％,±10％
⊙B值R25/50：
3000K~4500K
⊙B值精度:
±1%,±2%
⊙使用温度范围：
-10℃~+300℃
⊙耗散功率系数:
≥2.3mW/℃（静态空气中）
⊙最大额定功率:
50mW
⊙热时间常数:
≤10S
⊙电阻温度系数：
-2～-5%/℃
2，三位半双积分型A/D转换器ICL7107
a,三位半双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点：
①ICL7107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。
b,三位半双积分型A/D转换器ICL7107的引脚图及其功能：
ICL7107的引脚图及设计电路
V＋和V-分别为电源的正极和负极，
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。
Bck：
千位笔画驱动信号。
接千位LEO显示器的相应的笔画电极。
PM：
液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。
Oscl-OSc3：
时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。
第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：
Fosl=0.45/RC
COM：
模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST：
测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF＋VREF-：
基准电压正负端。
CREF：
外接基准电容端。
INT：
27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件
IN＋和IN-：
模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。
AZ：
积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。
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。
BUF：
缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流（idlingcurrent）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。
c,三位半双积分型A/D转换器ICL7107的工作原理：
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。
它的原理性框图如下图所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。
时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。
其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。
ICL7106A/D转换器原理
计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。
译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。
驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。
控制器的作用有三个：
第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。
第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。
第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。
钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。
它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。
第一阶段：
自动调零阶段AZ
转换开始前（转换控制信号VL=0），先将计时器清零，并接通开关S0，使积分电容C完全放电。
第二阶段：
信号积分INT
令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分，积分结果为：
上式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比。
第三阶段：
反向积分DE
令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。
如果积分器的输出电压上升至必零时，所经过的积分时间T2则可得，故可得到：
可见，反向积分到V0=0这段时间T2与Vl成正比。
令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间内计数值为N得：
T2=NTc
代入上式得：
分析可知：
T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。
下面介绍A/D转化过程的时间分配。
假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc,
如图3所示，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。
图3双积分型A/D转换器的电压波形图
各阶段时间分配如下
①信号积分时间Tl用1000Tc。
②信号反向积分时间T2用0一2000Tc，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。
③自动调零时间T0用1000－3000Tc。
从上面的分析可知，Tl侍定不变的，但T2随VIN的大小而改变。
因为，
选基准电压VRFF=100.0mv,
由：
得：
VIN=0.1N
满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：
VIN=2VREF。
为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl为工频周期的整数倍。
我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1=n×20ms。
n=l,2,3……n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A/D转换的时间越长。
因此，一般取Tl=100ms，即f0＝40KHz。
由T0=2RC105=2.2RC，得
式中T0为振荡周期。
由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。
ICL7107主要参数：
电源电压
ICL7107V+toGND
6V
温度范围
0℃to70℃
ICL7107V-toGND
-9V
热电阻
PDIP封装
qJA（℃/W）
50
MQFP封装
80
模拟输入电压
V+toV-
最大结温
150℃
参考输入电压
V+toV-
最高储存温度范围
-65℃to150℃
时钟输入
GNDtoV+
3，数码显示管的引脚图
三、具体设计过程
由于我们小组事先所做准备不是很充分，我们的课程设计之路并没有想象中的那么一帆风顺！
在提交课程设计题目时，我们在一些方面有所欠缺，考虑不是很周到，导致我们在课程设计的第四天换掉原来的课题。
我们担心原来的课题太容易不能达到此次课程设计的要求，所以在前三天，我们查阅很多有关传感器设计的书籍与文献，希望能改善我们原来的电路使之达到此设计的要求。
但由于部分器件与我们理想的器件不是同种型号，而我们也在网上查阅是否能用相似型号的器件代替，答案是否定的，为了课程设计的准确无误与完美，第四天，我们毅然放弃三天辛苦的结果，开始另一个课题的构思与设计。
第四天一整天，我们三人都在图书馆查找资料确定题目，并上网查找ICL7107与共阴极数码显示管的引脚、工作原理及热敏电阻的灵敏度等主要特性。
第五天，我们准备好所有器件，开始第二次尝试。
在有第一个课题的经验后，我们很熟练的在面包板上连好电路图并进行调试。
由于面包板大部分是旧的，接线槽有的地方已经松掉了，所以有很多如接触不良等问题出现，于是我们换了好几块面包板，连了很多次电路，可最后还是不能达到我们要的结果。
所以我们得出的结论是出了面包板，肯定存在其他的问题。
在一块面板上较好的固定器件之后，我们用万用表测量电路中每个引脚的电压和每个器件两端的电压，并对照芯片工作原理中应有的输入输出关系，对电路进行调试。
我是负责硬件电路的，所以我再三对电路进行确认，没有发现错误，可调试仍然没有任何结果。
看着别的小组已经做出成品并交给老师，而我们调试都还没出结果，我们三个人开始有点着急，加上我们三个对焊接的工作都非常不熟悉，心里更是着急。
着急归着急，我们还得继续做，为了尽早把课程设计做出来，从第七天开始，我们晚上加班到九点多才回去，虽然觉得累，但也觉得累得值得。
第八天，我们仍然没调试出想要的显示，我们便请教同学，有同学提议让我们先焊接好再试一试，一来可以让我们熟悉熟悉焊接，二来可以在确保硬件连接无误的情况下再调试。
于是，我们我们请男同学教我们如何焊接，他也认真给我们做了示范。
负责焊接的是周李琴同学，我给她排好电路中的器件以及器件各引脚之间的连接，并负责排版与剪线。
经过一天的努力，我们终于把电路焊接好，但调试的结果，让人
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