温度测控及其数显电路设计Word文档下载推荐.docx
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（4）培养学生的创新能力。
2、设计要求
（1）电源电压：
-5~+5V
（2）主要单元电路和元器件参数计算，选择；
（3）画出总体电路图；
（4）设计，焊接电路，实现预期功能；
（5）调试电路；
（6）提交格式上符合要求，内容完整的设计报告。
3、总体设计
1、温度检测电路：
对PT100进行加热，其阻值随温度改变，由于其温度与电压近似于成线性关系这样就可以得到相应的电压值；
2、信号放大电路：
用运放对信号进行放大，送入V/F变换电路，利用V/F转换器LM331，转换成相应的频率信号；
3、V/F变换电路：
利用V/F转换器LM331将所得电压信号变换成相应的频率信号；
4、十进制计数电路：
将所得频率，转换成相应的十进制数；
5、译码显示电路：
由CD4511驱动三位数码管，显示相应的温度值，其刷新频率约为每秒一次；
6、温度设定电路：
运用电压跟随器，设定参考电压；
其电压与温度的对应关系为0.01V/oC;
7、超温比较电路：
运用电压比较器，使输出信号达到参考电压时报警；
声光报警电路：
利用二极管和蜂鸣器实现声光报警；
4、单元电路设计
4.1单元电路设计包括：
分析电路的组成、介绍电路工作原理、各单元电路元器件参数计算、选择功能说明及使用方法。
单元电路元器件说明：
（1）PT100
PT100温度感测器是一种以白金（Pt）作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：
R=Ro（1+αT） 其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为摄氏温度<
br>
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。
参数计算公式：
1：
Vo=2.55mA×
100（1+0.00392T）=0.255+T/1000。
2：
量测Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。
电路分析由于一般电源供应较多零件之后,电源是带杂讯的,因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件,由于7.2V齐纳二极体的作用,使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为6.5V,靠5K可变电阻的调整可决定电晶体的射（集极）极电流,而我们须将集极电流调为2.55mA,使得量测电压V如箭头所示为0.255+T/1000。
温度与电压关系图表：
（2）运算放大器LM358
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358引脚图：
主要特性：
1、内部频率补偿
2、直流电压增益高（约100dB）
3、单位增益频带宽（约1MHz）
4、电源电压范围宽：
单电源（3—30V）
5、双电源（±
1.5一±
15V）
6、低功耗电流，适合于电池供电
7、低输入失调电压和失调电流
8、共模输入电压范围宽，包括接地
9、差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
10、输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）
（3）、LM331与V/F变换电路
LM331可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。
LM331的动态范围宽,可达100dB；
线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;
变换精度高,数字分辨率可达12位；
外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
器件功能
LM331器件管脚图
引脚号
引脚名
功能
1
CurrentOutput
电流输出
2
Ref
Current
基准电流
3
FrequencyOutput
频率输出
4
GND
接地
5
R/C
接RC定时电路
6
Thresholod
阈值
7
ComparatorInput
比较输入
8
VS
电源
工作原理
下图是由LM331组成的电压—频率变换电路。
外接电阻Rt、Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器
电压-频率变换器工作原理
设电容CL的充电时间为t1,放电时间为t2,则根据电容CL上电荷平衡的原理：
（IR-VL/RL）t1=t2VL/RL
f0=1/（t1+t2）=VL/（RLIRt1）
（4）、计数器4060
CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。
所有的计数器位均为主从触发器。
在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。
工作条件
电源电压（VDD）+3V～+15V
输入电压（VIN）0V～VDD
工作温度范围（TA）
CD4060BM：
-55℃～+125℃
CD4060BC：
-40℃～+85℃
（5）译码驱动器CD4511
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器。
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动共阴LED数码管。
（6）CD4553
CD4553是10进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD码），要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。
单元电路说明：
（1）温度检测电路
主要由集成运放LM358，电位器，三极管组成，工作时用试验箱外加-5V与+5V电源为LM358供电，调节R4为电路提供4.096V的工作电压，R5用于电路调试，在电路调试过程中通过调节R5的阻值来模拟PT100的温度变化，方便电路调试。
PT100阻值与对应电压之间的关系为：
在调试阶段PT100的阻值由R5的阻值代替，该设定电压有LM358进行放大，当R5阻值设定为138.51欧姆时，所对应的模拟温度为100oC,这时调节R28，将LM358的输出电压调节为1V，即1oC所对应的电压值为0.001V。
（2）V/F变换电路
V/F变换电路主要由LM358和外围器件组成的电压频率转换电路。
这里V/F变换器LM358的作用是把温度检测电路的电压输出为对应的频率值，温度检测电路输出的温度信号为0.01V/℃，电压每增加1mV,单位时间内计数器的值要增加1，V/F变换器的输出频率fo=（（R34+R41）/2.09*R36*R33*C13）*Vin。
该电路将输出频率fo送入CD4511进行译码和显示。
（3）计数译码显示电路
V/F变换电路将输出频率fo送入计数译码显示电路进行译码和显示，这时CD4511和CD4553将分别起译码显示和计数的作用，即在规定时间内对V/F转换器的输出脉冲进行计数，计数值表示了V/F转换器所输入的模拟电压大小。
计数器选用CD4553,它是三位十进制（BCD码输出）计数器，译码器选用CD4511，它设有锁存器、七段显示译码器和输出驱动电路，显示选用3只七段共阴极LED数码管。
而门控电路则选用晶振对计数器送入脉冲信号，从而达到计数功能。
选用这样的电路设计与较为电子表相近，但相比较单片机等电路的显示电路简单了很多，也节约了资源降低了成本但这样显示没有将位段信号分开，这样显示由于无法对数码管进行清辉操作，因此显示部分部的刷新速度较慢，且无法控制小数点的显示，为阅读数据带来了不便，但相比较单片机等电路的显示电路，大大节约了资源，从而减小了PCB板的面积，减少元器件的用量，减小了焊接工作。
报警电路
使用R29设定参考电压当显示温度的参考电压大于参考电压是LED灯亮，蜂鸣器响，主要运用的电路为电压跟随器和电压比较器，都由LM358构成。
5、调试
电路调试。
调试的过程是检测设计是否可行的过程，也是把理论知识转化为实际产品的过程。
由于运行环境不同，在电路仿真时能够实现的电路功能，在整机实调时不一定能够实现。
实际调试步骤如下：
（1）调节R4，使R10正极的电压达到4.096V；
（2）用跳线帽接J1使R5接入电路，从而达到模拟PT100的目的，调节R5模拟PT100；
（3）调节R5将U2一脚的电压调成0V,测R5,2,3脚电阻是否为100欧姆,如是说明温度设定电路完好；
（4）调节R5，2,3，脚电阻为138.51欧姆左右，实际对应温度为100oC；
（5）此时U2一脚的电压应为70mV左右；
（6）U2七脚的输出电压用R28调成1V，送入数显部分的温度为100oC；
（7）调节R25使得设定电压大于1V，LED灯灭，说明报警电路完好；
（8）调节R41使得U6三脚输入频率为4KＨz,调R42将4060三脚频率2Hz，跳线帽接J2，接入PT100，调低参考电压，PT100放入热水，Led灯亮，蜂鸣器响，电路完好。
6、电路测试及测试结果（测试方法、测试结果、性能分析）
测试方法
测试时断开JP1点，接通JP2点，将PT100热电阻接入系统中，接入电路工作电源，此时LED数码管显示实时测量温度值，将PT100插入热水中，实时测量温度开始上升，显示温度也随之增加。
显示温度所对应的电压达到之前所设的参考电压时，报警电路工作，表现为LED灯工作，蜂鸣器响。
当PT100从热水中拿出后，显示温度随时间改变，当显示温度所对应的电压小于之前所设的参考电压时，报警电路停止工作。
测试结果
按上述步骤进行测试发现，所设计的电路能达到设计要求，报警电路所设定的参考电压与数码管所显示的温度相比，也较为准确，但电路仍存在两个主要问题
（1）电路整体有4~5oC的误差；
（2）数码管三位均显示小数点；
性能分析
（1）误差分析
温度测控及其数显电路数字温度计所选用器件的精度，电源电压的波动，外界环境温度的变化都会造成系统的误差。
为减小测量误差在测量时，多次测量取平均值误差降到最小。
（2）显示问题分析
为节约系统资源，降低开发成本，我们在数显电路中采用CD4553，CD4553CD4553是10进制计数器，依次控制三位十进制的输出，而小数点为数码管的一个引脚接低电平来控制，如需要将第一位和第三位的小数点去掉则需要将数码管数据的位段信号分开。
7.设计总结
（1）通过这次课程设计，认识到PT100，运算放大器LM358，V/F转换器LM331等元器件的性能参数和工作原理；
（2）通过对电路进行调试，对公式进行了灵活运用，对书本上的知识有了更深层次的理解，如计数器的工作原理，电压跟随器与电压比较器的实际运用，数码管的实际工作原理等等；
（3）对工具的使用有了进一步的熟练，如对电压表的使用与对电烙铁的使用，对于以后的学习有很大的帮助。
8.参考文献
1.童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版），高等教育出版社
2.康光华《电子技术基础》数字部分（第五版），高等教育出版社
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