数字温度计设计Word下载.docx
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3-1采集和放大:
温度的改变会影响一些电阻的阻值，温度传感器是通过物体随温度变化而变化的特性来测量的。
一般采用阻值的变化与温度的变化有线性关系的电阻来采集温度，最后通过阻值的变化来反映出温度。
Pt100铂热电阻与温度之间存在着线性的关系，通过阻值的变化可以得到对应的温度。
有些是采用热电偶的方式，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成。
热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。
通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。
本次课程设计主要用LM35,温度传感器，它能集温度的采集与放大于一身的传感器，而且采用LM35的电路比较简单，于其内部已将采集的信号进行放大。
3-2模数转换：
数模转换就是将采集的温度模拟信号转换为数字信号，能够被数码管识别的数字信号。
AD0809,TC7107.MC14433等都是模数转换器，只是AD0809是与单片机搭配电路比较简单，但是该课程设计不能用单片机。
TC7107与MC14433都是三位半的模数转换器，其可以直接与数码管进行连接显示。
但是MC14433在仿真软件protues中没有，所以只能采用TC7107。
3-3数码显示：
数码显示就是将TC7107转换成的数字信号进行显示。
一般数码管有共阳极与共阴极两类，共阳与共阴的只要区别就是其公共端是接阳极还是接阴极，如果接阴极就为共阴极，反之为共阳极。
数码管根据不同的信号显示不同的值，但是一个数码管只能显示0—9还有负号与小数点。
0—9的显示主要是其a~g管脚的组合显示。
第四章设计原理与电路
4-1温度传感器原理：
温度传感器主要就是LM35，由于它采用内部补偿，所以输出可以从零度开始。
LM35系列是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比，比按绝对温标校准的线性温度传感器还得多。
其主要的优点有：
●在摄氏温度下直接校准。
●+10mV/℃线性刻度系数。
●在25℃时确定0.5℃的精度。
●适合于远程应用。
●工作电压范围广（4—30）。
●低功耗，小于60uA。
●非线性仅为±
1/4℃。
●输出阻抗，通过1mA电流时仅为0.1。
LM35有多种不同的封装型式，在常温下，LM35不需要额外的校准处理就能达到±
1/4℃的准确率。
其电源供电有单电源与双电源供电两类，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；
两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
工作电压4～30V，在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。
这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。
目前，已有两种型号的LM35可以提供使用。
LM35DZ输出为0℃～100℃，而LM35CZ输出可覆盖－40℃～110℃，且精度更高，两种芯片的精度都比LM35高，不过价格也稍高。
其计算公式为：
4-1-1
图4-1
图4-2
其输出的电压与温度之间是线性的关系，也就是说当温度问10℃时期输出的电压时0.1V。
这一主要的特性使得温度的测量得到简化。
所以LM35作为传感器，一般你有三个管脚，如图4-1所示1管脚接电源，选取+5V电源，3管脚接地，2管脚为输出端口，接TC7107的输入管脚。
直接将LM35接在电路中就可以仿真温度计，感受温度的变化。
图4-3
4-2模数转换原理：
数字温度计将采集的模拟的信号转换为数字信号，并能通过数码管显示出来，采用TC7207三位半的A/D转换器进行模数转换。
它能直接驱动7段数码管进行数码显示，最后可得温度的数字信号。
TC7107是高性能，低功耗的三位半的A/D转换器，它自身包含七段数码显示器，显示驱动器，参考源和时钟系统。
三位半是十进制数0000-1999。
所谓三位是指个位，十位，百位，其数字显示范围是0—9而半位是指千位数，它不能与个位，十位，百位那样从0—9，只能由0-1变化，即二值状态，所以称为半位。
如果超过了量程，那么千位数就会显示1，反之就是0，一般采用将该显示的零进行消隐。
与ADC0809芯片相比，TC7107使得电路简化的同时又节约了成本，所以选择TC7107更合适。
TC7107是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模的CMOS集成电路，其主要特点是：
●可以采用是电源供电，±
5V的电源，有助于实现仪表的小型化。
●芯片内部有异或门输出电路，可以直接驱动LED显示器。
●功耗低，芯片本身消耗的电流只有1.8mA，功耗约16mW。
●输入阻抗高，对输入信号没有衰减作用。
●能通过内部的模拟开关进行自动调零和自动显示极性的功能。
●噪声低，失调温标和增益温标均很小。
具有良好的可靠性，使用寿命长。
●整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便的进行功能检查。
图4-4
图4-4为TC7107的管脚图，一共有40个管脚，其每一个管脚的意义表1所示：
1
V+提供正电压
2
D1激活个位显示的d部分
3
C1激活个位显示的c部分
4
B1激活个位显示的b部分
5
A1激活个位显示的a部分
6
F1激活个位显示的f部分
7
G1激活个位显示的g部分
8
E1激活个位显示的e部分
9
D2激活十位显示的d部分
10
C2激活十位显示的c部分
11
A2激活十位显示的a部分
12
B2激活十位显示的b部分
13
F2激活十位显示的f部分
14
E2激活十位显示的e部分
15
D3激活百位位显示的d部分
16
B3激活百位显示的b部分
17
F3激活百位显示的f部分
18
E3激活百位显示的e部分
19
AB4激活千位显示1的上下两部分
20
POL激活负极性显示
21
BP/GND数字接地端
22
G3激活百位显示的g部分
23
A3激活百位显示的a部分
24
C3激活百位显示的c部分
25
G2激活十位显示的g部分
26
V-提供负电源
27
VINT积分输出。
积分电容的连接点
28
VBUFF连接积分电阻。
满量程为200mV时，电阻阻值一般为47KΏ，若为2V时，电阻的阻值为470KΏ
29
CAZ自动调零电容的容量对系统噪声会产生影响。
满量程为200mV时，使用的电容为0.47uF，若满量程为2V时，电容为0.047uF
30
VIN-连接的是模拟低电平输入信号
31
VIN+连接的是模拟高电平输入信号
32
ANALOGCOMMON,主要用来设置模拟共模电压，用于电池操作或那些输入信号以电源为基准的系统。
其还可以充当电源
33（34）
CREF-，CREF+大部分应用中使用0.1uF的电容。
如果存在大共模电压，并且使用的200mV的量程，使用1uF的电容比较好，它将会使翻转误差保持为0.5个计数
35（36）
VREF-,VREF+。
VREF+需要此模拟输入引脚以生成满量程输出即1999个计数。
在引脚35与36之间放置100mV电压，其满量程为199.9mV，在35与36管脚之间加1V的电压时，其满量程为2V
37
TEST测试登。
如果测试电压升至V+时，所有的将会导通，并且数码管显示的读书为-1888.除此之外还可以作为外部小数点的负供电电压
38,39,40
OSC3,OSC2,OSC1。
这三部分组成振荡器部分。
对于48kHz的时钟，38管脚接100pF电容，39管脚接100KΏ电阻，并且电容与电阻的另一端接40管脚
表1
TC7107工作原理：
TC7107是双积分型A/D模数转换器，主要是在一个测量周期内进行两次积分，两次积分的方向相反，将被测电压
转换成与其成正比的时间间隔，在此时间间隔内填充标准的时钟脉冲，用仪器记录的脉冲个数来反映
的值，所以它是
变换型的。
其原理图为：
图4-5
其工作主要有三个阶段:
（1）准备阶段:
主要使积分器的输出电压变为0，保证输入电压
=0作为其初始状态。
自动调零电容一般为0.47uF。
4-2-1
（2）采样阶段:
主要是对被测量即对输入的电压进行积分。
一般作正向积分，输出的电压
线性增加，同时逻辑控制电路将闸门打开，释放脉冲个数。
TC7107的信号积分周期为1000个时钟周期或计数。
在内部计时之前，将外部的时钟频率进行四分频。
所以积分时间为：
为外部设置的时钟频率
所以积分可以得：
4-2-2
是输入的电压，即被测电压
是标准的时钟周期
C为积分电容，其计算公式为:
4-2-3
为38管脚上接的时钟频率
为满量程输入范围
为积分电阻，满量程为200mV时选用47KΏ，满量程为2.0V时，采用的阻电阻值为470KΏ
希望的满量程积分输出摆幅
一般选用的电阻的阻值为0.22uF，其必须保持较低的介质吸收率，以最小化翻转误差。
当转换器与测量系统公用同一电源公共端即接地端时，由VIN+和VIN-输入的差分信号必须在器件共模电压的范围之内。
如果转换器与测量系统未公用同一公共端，应该将VIN-接到模拟公共端。
极性是在积分结束后确定。
符号位是真实的极性指示，这样才能正确分辨小于1LSB的信号，从而使得精密零检测只受器件噪声和自动调零残留失调的限制。
（3）参考积分阶段：
这一阶段主要是对系统的标准电压进行与被测电压进行积分方向相反的积分。
如果被测的电压即输入电压进行的正向积分，则对标准电压就应该进行反向积分，反之亦然。
用于在参考电压积分周期期间使积分器输出电压返回到零的参考电压存储在CREF上。
当VIN-连接到模拟公共端时，可使用0.1μF的电容。
如果存在一个大的共模电压（VREF-与模拟公共端相连）且应用需要200mV的满量程，可将CREF增加至1.0μF。
翻转误差将保持在半个计数以内。
选用聚酯薄膜型介质电容即可。
输出回零所需的时间与输入信号成比例，在0至2000个计数之间。
显示的数字读数为：
4-2-4
为输入的电压，即从温度传感器输出的电压
为标准电压
此段积分输出的电压为：
4-2-5
与正向积分的方程进行联立可以得到：
4-2-6
即
因为
与
是给定的，所以输入电压的大小与
时间内释放的脉冲个数成正比。
如果始终脉冲的周期为
那么有
4-2-7
所以输入电压还可以表示为：
4-2-8
如果标准电压与第一次积分中的时钟脉冲个数在数值上相同，那么输入的电压就是在反向积分中填充的脉冲的个数。
标准电压是由电阻的分压确定，在这次设计中采用的是20K与150K的滑动变阻器进行调节标准电压的大小。
这样使得输入的标准电压大约为1V左右。
图4-6
对于TC7107中的振荡器主要是接在38，39,40管脚上的元件控制的，所以
4-2-9
一般情况下
为48kHz
100pF
其在protues中的仿真图为：
图4-7
4-3显示数码管:
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；
按能显示多少个“8”可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。
按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
led数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。
因为TC7107能够直接驱动数码显示，可以直接在TC7107的数码驱动端口接LED数码管。
并且在该设计中采用的数码显示器是共阳极的，即将使用的几个LED数码管的公共端连接在高电平上。
图4-8
每一个LED数码管只能显示的是从0至9的数字，其他的数字不能进行显示。
如要显示0-9之外的数，就要使用多个数码管，TC7107是三位半的模数转换器，所以其数码管有个位数码管，十位数码管，百位数码管，半位的千位数码管。
数码显示器还可以显示负号，负号的显示是只有g段显示，而其他的都不显示。
负号主要是为了表示其极性。
如果为正极性，那么表示负号的g段将不会显示，但是也不会出现正号。
图4-9该次课程设计仿真中数码管的接线
图4-9
第五章电路的组装与调试
Protues中仿真：
在完成电路的设计之后就要设置对应的参数，设置参考电压，采用20k的电阻与150k的滑动变阻器进行了分压，调节滑动变阻器，可以减小输入电压与显示值之间的误差。
仿真的结果与实际值之间相差了0.1。
且LM35显示的值只有一位小数，它会自动的进行四舍五入。
以下为输入为0.44情况下得到的结果
输入0.49时的LM35的显示值为0.5.数码显示为0.6，误差为0.1。
图4-10
图4-11
PCB制作：
（1）原理图：
在AltiumDesigner中首先找到元件LM35AH与ICL7107CPL代替LM35与TC7107。
因为他们的管脚是一样的。
图4-12
图4-12主要是LM35与TC7107的原理图。
图4-13主要是显示部分。
数码显示管的管脚过多，连线的话很复杂。
所以该部
分采用的是标记。
就是在对应的位置上给一个相同的标记。
图4-13
PCB板：
在设计PCB时画原理图后就画PCB,之后覆铜就基本完成了。
但是在将原理图转换为PCB板时经常在第一个检查的出错，但是点击完成时却没有错，这是系统自身的问题。
绘制布线时，自动布线的时候会出现死机。
这种情况下只能自己布线。
图4-14为布线图
图4-14
图4-15
第六章设计总结与感想
在这次设计中，遇到的问题很多，自己设计的也存在很多的问题。
有些知识是在课本上的，但是不会运用。
我觉得主要的问题在：
●对课本的知识掌握的程度仅仅限于考试的范围，没有办法与实践进行结合。
一些过程太过于理想化。
认为只要有一个思路就能做出来。
就如这次的数字温度计，首先温度传感器感应温度，之后模数转换，最后数码显示。
但是不考虑其中的很多问题，只有一个思想，到真正做起来的时候，却很难实现。
●元件的选择是一个很重要的问题。
在选择A/D转换器的时候，因为一直认为ADC0809是合适的，但是其后面接单片机比较简单。
如果接数码管的话，那将是一个很麻烦的过程。
之后将模数转换器该为TC7107，其主要的特点是直接驱动数码显示。
温度传感器可以直接采用LM35而不必采用一些温度电阻组成的电路。
●对仿真软件的不了解。
这一次是第一次接触仿真软件。
虽然在不断的使用中加强了对它的理解。
●课外积累的知识过少。
很多知识很陌生。
●在绘制PCB板时遇到很多原理问题。
虽然问题很多，但是在这次实习中，也收获了很多。
刚开始一直使用pt100作为温度传感器，采集的信号要经过放大等过程。
知道温度传感器LM35之后，过程简单多了，省去了选择放大器与放大方式过程，也不用调试参数。
所以我们不能总把简单的问题复杂化。
其次，对模数的转换有了更进一步的了解，特别是TC7107与其工作原理的了解。
最后还学会了运用仿真元件进行仿真。
虽然结果不是很完美，但是也是自己努力的成果.。
在画PCB的时候，虽然不能将其完全的画出，最主要的问题找不到封装图，其他的都画出来就是在转到PCB的时候有些元件却找不到。
反反复复的做，最终还是绘制出来。
虽然很多线看起来很乱。
但是它也不再是那么陌生。
通过这次课程设计，我觉得综合知识得到了充实，虽然了解的知识皮毛。
但是为以后的学习奠定了基础。
数字温度计在生活中应用也很广泛，能完成这次仿真对自己是一种很大的鼓励。
不仅自己的知识水平有提高，计算机绘制电路图的能力也提高了。
问题时时刻刻存在，但是收获也是不可估量。
总之，能完成这一次的课程设计，不仅有自己的努力，还有老师的指导。
完成设计之后有一种成就感，很快乐。
附录
元件
数量
温度传感器LM35
模数转换器TC7107
电阻R
200,20K,100，470K,1M
滑动变阻器
150K
电容C
0.047uF,0.22uF,0.1uF,0.2uF,100pF
7段数码显示器
直流数字电压表
表2
参考文献：
《模拟电子技术基础》第四版清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编高等教育出版社
《数字电子技术基础》第五版清华大学电子学教研组编阎石主编
高等教育出版社
《电子测量技术》第三版林占江等主编电子工业出版社
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