数字温度计毕业设计.docx
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数字温度计毕业设计
重庆信息技术职业学院
毕业设计
题目数字温度计
选题性质：
设计□报告□其他
院系电子工程学院
专业电子信息工程技术
班级09级电子
（2）班
学号0920090226
学生姓名闵子文
指导教师王芳莉
教务处制
年月日
摘要
本文将介绍一种采用AD590单片集成两段式敢问电流源温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时,还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来的数字温度计。
同时分析了数字技术和模拟技术相互转换的概念。
由于温度计的应用很广，所以温度计的设计也不完全一样。
以前一般采用热电偶、玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。
其中热电偶的温度测量范围较宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读数。
在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时间监测，且要求能够快速准确地读数。
此时，上述各类温度计则难以胜任。
而如果将热电偶产生的热电动势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应迅速，测量精度高，功耗小，显示直观。
因此，由热电偶、A/D转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。
关键字：
AD590、D/A转换器、控制电路、LED显示器
目录
摘要I
目录II
第1章概述3
1.1设计概述3
1.2设计目的及要求3
1.3技术指标3
第2章总体方案设计4
第3章单元电路设计5
3.1取样、译码驱动及温度信号处理放大电路设计5
3.1.1取样电路设计5
3.1.2译码驱动电路设计6
3.1.3温度信号处理放大电路设计8
3.2温度传感电路设计10
3.2.1半导体温度传感器AD59010
3.2.2AD590电压输出电路10
3.3D/A变换器设计12
3.3.1D/A转换器的基本原理12
3.3.2转换特性18
3.3.3D/A转换器的构成18
3.3.4D/A转换器整体电路的设计20
3.4数码管显示及其总电路设计21
3.4.1共阴数码管ICL710721
3.4.2总电路22
第4章仿真与调试24
4.1调试与测量数据24
4.2元器件清单25
总结26
参考文献27
第1章概述
1.1设计概述
本文所介绍的通过AD590对温度进行采集，通过温度与电压近乎线性关系，以此来确定输出电压和相应的电流，不同的温度对应不同的电压值，故我们可以通过电压电流值经过放大进入到A/D转换器和译码器，再由数码管表示出来。
并可以科研实验使用，并且此设计，没有用到单片机，只用到了数字技术中的可逆计数器，D/A 转换器，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。
随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数字温度计就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研和生活提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化智向发展。
1.2设计目的及要求
（1）选择半导体结效应式传感器AD590、模数转换器ICL7107和LED数码显示管组合并完成全电路理论设计。
（2）综合运用电子技术课程中所学的理论知识完成课程设计。
（3）通过查阅手册和文献资料，提高独立分析和解决实际问题的能力。
（4）熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。
（5）学会电子电路的安装与调试技能。
1.3技术指标
（1）工作电压：
直流4～30V；
（2）工作电流：
小于133μA
（3）输出电压：
+6V～-1.0V
（4）输出阻抗：
1mA负载时0.1Ω；
（5）精度：
1℃精度（在+25℃时）；
（6）漏泄电流：
小于60μA；
（7）显示方式：
直接用LED数码管显示；
（8）使用温度范围：
0～100℃额定范围
第2章总体方案设计
本文介绍的采用AD590单片集成两段式敢问电流源温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时,还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。
由于温度计的应用很广，所以温度计的设计也不完全一样。
以前一般采用热电偶、玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。
其中热电偶的温度测量范围较宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读数。
在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时间监测，且要求能够快速准确地读数。
此时，上述各类温度计则难以胜任。
而如果将热电偶产生的热电动势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应迅速，测量精度高，功耗小，显示直观。
因此，由热电偶、A/D转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。
其系统方框图如下图2.1（a）、（b）所示：
图2.1（a）系统方框图
图2.1（b）系统方框图
第3章单元电路设计
3.1取样、译码驱动及温度信号处理放大电路
首先介绍取样、译码驱动及温度信号处理放大电路的有关基础知识。
3.1.1取样电路设计
温度传感器就是能将温度信号反映到电信号上去，这个我们可以用热敏电阻及一些热传感器来实现，由于热敏电阻的阻值与温度不成线性关系，所以这里主要是用温度传感器将温度信号线性地反映到电压上来实现温度取样，测量温度信号为模拟量。
NationalSemiconductor公司的LM35A温度传感器集成芯片，它能将度与电流形成线性关系，以电压的形式输入A/D转换器进行转换与分析。
转换公式如式
（1），0時输出为0V，每升高1°，输出电压增加10mV。
LM35有多种不同封裝型式。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到C°、CC41°±的准确率。
其电源供应模式有单电源与正、负双电源两种，正、负双电源的供电模式可提供负温度的量測；两种接法的静默电流-温度关系，单电源模式在25°下静默电流約50μA，非常省电。
温度取样电路如图3.1所示：
Vout_lm35（T）=10mV/°C×T°C
图3.1温度取样电路
3.1.2译码驱动电路设计
驱动电路是为了让显示器将A/D所转换的数据无误地表现出来。
这里主要是驱动LED显示及保护LED的电路，要想让LED正常工作，必需提供适当的电压，保证电流不能超过LED的最大电流，以免烧坏LED管。
在这里主要包括一些三极管及电阻，配合驱动电路来制LED控显示。
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。
74LS引脚图如图3.2（a）所示：
引脚功能如表3.2（b）所示：
图3.2（a）74LS48引脚图
表3.2（b）74LS48引脚功能表
74LS48引脚功能表—七段译码驱动器功能表
十进数
或功能
输入
BI/RBO
输出
备注
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
1
H
x
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
x
1011
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
x
1100
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
x
1101
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
x
1110
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
x
1111
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
x
x
xxxx
L
0
0
0
0
0
0
0
2
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
3
LT
L
x
xxxx
H
1
1
1
1
1
1
1
4
为了让LED正常工作，设计了这个译码驱动电路，这里采用的是74LS48芯片。
译码驱动电路如图3.3所示：
图3.3译码驱动电路
3.1.3温度信号处理放大电路设计
OP－07芯片是一种低噪声，非暂波稳零的单运算放大器集成电路。
由于OP-07具有非常低的输入失调电压（对于OP-07A最大为25μV），所以OP-07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP-07同时具有输入偏置电流（OP-07A为±2nA）和开环增益高（对于OP-07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP-07更用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号。
OP－07具有以下特点：
（1）超低偏移：
150μV最大。
（2）低输入偏置电流：
1.8nA。
（3）低失调电压漂移：
0.5μV/℃。
（4）超稳定，时间：
2μV/month最大
它的引脚图如图3.4所示：
图3.4 OP-07引脚图
OP-07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+。
OP-07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。
由输出短路法及输入求和方式可判断该电路是电压并联负反馈放大电路。
因此可知If=-Vi/Rf，反馈系数F=If/Vo，所以F=-1/R3
A=Vo/Ii，放大倍数AF=A/（1+AF）。
工作电源电压范围是±3V~±18V；OP07完全可以用单电源供电，你说的＋5V,-5V绝对没有问题，用单＋5V也可以供电，但是线性区间太小，单电源供电，模拟地在1/2VCC.建议电源最好>8V，否则线性区实在太小，放大倍数无法做大，一不小心，就充顶饱和了。
我一直用+12V，-12V双电源供电。
OP-07其内部电路图如图3.5所示：
图3.5OP-07内部电路图
由AD590和OP-07组成的信号采集电路如图3.6所示：
图3.6信号采集电路
3.2温度传感电路
该电路主要由AD590对温度进行采集，通过温度与电压近乎线性关系，以此来确定输出电压和相应的电流，不同的温度对应不同的电压值。
3.2..1半导体温度传感器AD590
AD590是半导体结效应式温度传感器，PN结正向压降的温度系数为-2mV/℃,利用硅热敏晶体管PN结的温度敏感特性测量温度的变化测量温度,其测量温度范围为-50～150。
AD590输出电流值（μA级）等于绝对温度（开尔文）的度数。
使用时一般需要将电流值转换为电压值,如图2.1.1图中,Ucc为激励电压,取值为4～40V;输出电流I0以绝对温度零度-273℃为基准,温度每升高1℃,电流值增加1μA。
AD590基本原理图如图3.7所示：
图3.7AD590基本原理图
3.2.2AD590电压输出电路
温度t对应输出电流Io为:
Io（t）=273μA+t×1μA/℃（式一）
式中:
273μA为摄氏零度时输出的电流值；t为测得的摄氏温度。
在室温25℃时,输出电流：
Io（25）=（273+25）=298μA（式二）
AD590虽是一种模拟温度传感器，但附加上一些电路可输出数字信号。
如图4所示，是由AD590和A/D转换器7106组成的数字式温度测量电路。
电位器RPl用于调整基准电压，以达满度调节；RP2用于在0℃时调零。
当被测温度变化时通过R的电流不同，使得A点电位发生相应变化，检测此电位即能检测被测温度（AD590所在处温度）的高低。
A点电位送入IC2的30脚，经7106处理后，再送人显示电路驱动LED显示出被测温度。
利用两个AD590测量两点温度差的电路。
两块AD590分别位于两个被检测点B1、B2。
B1，B2处的温度分别为T1,T2，由图可得I=I
-I
=K
（Tl-T2）。
假设两块AD590有相同的标度因子KT，运放的输出Uo为Uo=-IR3=K
R3（T1-T2）可见，整个电路总的标度因子为F=Uo/（Tl–T2）=K
R3，F值大小取决于R3。
刚才假定了两块感温器件具有相同的标度因子K
，但实际上难免有差异，电路中设置电位器RP通过隔离电阻Rl注入一个校正电流△L以获得平稳的零位误差。
由校正前后的温度特性曲线可知，只有在某一温度T时，有I=0,此点常设在量程的中间
AD590构成的电压输出电路如图3.8所示：
图3.8AD590构成的电压输出电路图
电路具有偏置和增益调节装置功能，为了改善输出电压的性能,电路中采用了电压跟随器。
由于AD590输出的是绝对温度,而实际显示的是摄氏温度,设计差动放大电路（U1,U2为输入）,调整电位器使U1=2.73V,则图3输出电压值Uo与温度传感器测得的摄氏温度呈线性关系,计算公式为:
（式三）
对于25℃的室温：
Uo=2.5V（式四）
3.3D/A变换器设计
3.3.1D/A转换器的基本原理
ICL7107是一种高性能、低功耗的三位半A\D转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。
ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。
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10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/℃，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种系统中都很有用。
在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。
ICL7107是一款数模转换器，把以上级处理的模拟信号转换为数字信号并去驱动下级数码管显示。
ICL7107引脚图如图10所示。
①ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，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。
③V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电压。
提供基准电压！
④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芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。
⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。
⑧不设有一专门的小数点驱动信号。
用+5v电压点亮
频率为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。
AB4：
千位笔画驱动信号。
POL：
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。
TEST：
测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地。
VREF＋VREF-：
基准电压正负端。
CREF：
外接基准电容端。
IN＋和IN-：
模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。
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。
其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。
f=1.43
（R0+关键点的电压：
芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V。
第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。
芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。
在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。
比例读数：
把31脚与36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7－100.3之间，越接近100.0越好。
如果差的太多，就需要更换芯片了。
ICL7107也经常使用在±1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了。
输出信号送入显示管显示所测得的温度值。
ICL7107的特点：
1.保持零电平输入时，各量程的读值均为零；
2.1pA典型输入电流；
3.很低的噪声（小于15
Vp-p）；
4.片上自带时钟；
5.低功耗；
6.不需外接有源电路。
7.真正的差动输入和差动参考电源，直接LCD显示驱动。
ICL7107的A/D转换及数字显示图的部分电路原理图如图3.9所示：
图3.9ICL7107数字部分框图
ICL7107转化器原理图如图3.10所示。
其中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。
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。
图3.10ICL7107转化器原理图
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
第三，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。
双积分型A/D转换器的电压波形图如图3.11所示
图3.11双积分型A/D转换器的电压波形图
ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图3.12所示：
图3.12ICL7107管脚排列
ICL7107引脚功能：
V＋和V-分别为电源的正极和负极（或地）
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。
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。
838电子
它的原理性框图如图2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。
将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换[3]。
如图3.13所示：
图3.13D/A转换器的基本原理
3.3.2转换特性
如图3.14所示：
图3.14转换特性图
D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。
图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。
理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。
即：
输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。
其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。
如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：
3.3.3D/A转换器的构成
（1）二进制权电阻网络。
如图3.15所示：
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