2022《数字温度计设计》报告书.docx

课程设计报告书课程名称：电子技术综合设计学 院：专 业：班 级：学 号：学生姓名：指导教师：职 称：2022年 月日第一章数字温度计简介第二章系统方案设计1. 1方案的选择2. 2电路设计过程第三章设计中用到的芯片介绍3. 1温度传感器LM353. 1. 1LM35的特性3. 1.2LM35的引脚与封装3. 1. 3LM35的典型运用3. 1.4LM35的使用要点3. 2芯片ICL7101介绍3. 2. 1ICL7107转化器原理3. 2. 2ICL7107的引脚及个引脚功能3. 2. 3ICL7107的典型运用电路3. 3电压比较器LM3934. 4七段数码管第四章电路设计图及电路仿真4.1各模块设计图4. 2电路总设计图5. 3电路的仿真第五章心得体会第六章参考文献摘要数字温度计是一种电子产品，由温感元件来识别温度，既将温度信号转化为 模拟的电信号。再经过数模转换为数字的电信号，最后经编码显示在数码管上， 或者液晶屏上。本文介绍基于LM35与ICL7107制作的数字温度计方法、原理以及电路工 艺、并给出完整的电路。该电路具有高精度，高稳定性，低温漂，低功耗的优点， 且价格低廉，使用方便，是传统的水银温度计，金属温度计的理想替代品，广泛 应用于工业、农业、医疗器械等领域的温度探测。也在本文中详细介绍了各电路 的工作模块及相应的芯片。关键字：温度计 LM35 ICL7107电路模块第一章数字温度计简介数显温度计可以准确的判断和测量温度，以数字显示，而非指针或水银显示。 故称数字温度计或数字温度表。温度数我们日常生产和生活中实时在接触到的物 理量，但是它是看不到的，仅凭感觉只能感觉到大概的温度值，传统的指针式的 温度计虽然能指示温度，但是精度低，使用不够方便，显示不够直观，数字温度 计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。数显温度计采 用温度敏感元件也就是温度传感器（如钳电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等）将 温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变 化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转 换的电路即A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单 元，如单片机或者Pe机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温 度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单 元，如LED, LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度 计的基本测温功能。数字温度计采用进口芯片组装精度高、高稳定性，误差W0.5%,内电源、 微功耗、不锈钢外壳，防护坚固，美观精致。采用进口高精度、低温漂、超低功 耗集成电路和宽温型液晶显示器，内置高能量电池连续工作25年无需敷设供电 电缆，是一种精度高、稳定性好、适用性极强的新型现场温度显示仪。是传统现 场指针双金属温度计的理想替代产品，广泛应用于各类工矿企业，大专院校，科 研院所。数字温度计根据使用的传感器的不同，AD转换电路，及处理单元的不 同，它的精度，稳定性，测温范围等都有区别，这就要根据实际情况选择符合规 格的数字温度计。第二章系统方案设计1.1 方案的选择由课程设计要求，可得如下预选方案方案一：用一个热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压，再得到每一度热敏电阻 的电压变化值,用LM324运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变 化得到一个整数变化的电压值,然后送入MC14433A/D转换器进行数模转换和数 字显示O方案二：采用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。方案三：采用ICL7107进行模一数转换。通过温度传感器LM35采集到温度信号，通 过使用ICL7107集A/D转换和译码器于一体的功能，直接驱动数码管，省去译码 器的接线。再通过LM393等组成的报警电路来达到超温报警的效果。根据电路的简易性与可实行性（比如电路线路多而繁杂，MC14433等芯片在 元件库中缺少等），选用方案三。用温度传感器LM35与集A/D转换和译码器于 一体的ICL7107和电压比较器LM393来设计电路。2. 2电路设计过程系统大致框图如图2.2.1所示显示模块 （数码管）图2. 2.1系统设计大致框图根据系统大致框图，总共可以分为五个模块。对相应的模块进行相应的电路, 设计，找出相应的元器件，最后组成一个完整的数字温度计。温度产生模块即利用温度传感器就是将温度信号反映到电信号上去，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。数模转换模块可以由三极管放大或是用集成运算放大器将 取样的温度信号放大，然后用利用A/D转换器进行转换。A/D转换主要的任务是 对模拟电信号进行分析，将其信号转换成数字信号。显示模块可以用各种类型的 七段LED显示。这里根据要求，选了 4位LED数码管显示。电压比较模块用一些 电压比较器LM393进行搭建电路。报警模块可以选用一些LED灯、蜂鸣器灯等实 现温度超标时的报警电路。第三章设计中用到的芯片介绍2.1 温度传感器LM35在此次课设中，采用的温度传感器为LM35, 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。因此，LM35比按绝对温标校 准的线性温度传感器优越感得多。LM35系列传感器生产制作时已经过校准，输出 电压与摄氏温度对应，使用极为方便。灵敏度为10.0mVC,精度在0.4。C至 0.8（-50至+15OC温度范围内），重复性好，低输出阻抗，线性输出和内部精 密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。2.1.1 LM35的特性1、在摄氏温度下直接校准2、+10.0mVC的线性刻度系数3、确保0. 1的精度（在25°C）4、额定温度范围为-50至+150°C5、适合于远程应用6、工作电压范围宽,4V至30V7、低功耗,小于60UA8、在静止空气中，自热效应低,小于0.08°C的自热9、非线性仅为±14°C10输出阻抗，通过ImA电流时仅为0.1。2.1.2 LM35的引脚与封装LM35的引脚与封装及类别信息如下图3. 1. 2所示型号封装I作温度范围存放温度LNI35DZTO-92塑封OP 至+100 "C60X+150*0LM35CZTO-92塑封7o1c 至+IiOe60Q 至+150*CLM35CAZTO-92增封4o*c 至+oe60X;至+150*CLM35HTO-46金属封-55"C 至+150*C-60IC 至+180CLI35AHTO-46金属封-55'0至+150*060C 至+1801CLM35CHTO-46金属封40C 至+11OC<0*C 至+180CLM25CAHTO-46金属封-40 41+11050C 至+180°CLM35DHTOT6金属封0*C 至+10Oc60C 至+180CLM35DMSO-8衣面贴(TC 至+100 iC451C 至+150*CTO46封装（底视）1、÷VS2、Vout3、GNDTO-92封装（底视）1、+VS2、Vout3、GNDS0-8封装（顶视）1、Vout2、NC3、NC4、GND5、NC6、NC7、NC8、+Vs图3. 1. 2LM35的信息2.1.3 LM35的典型运用LM35作为温度传感器，可以使用单电源与双电源，其电路图如下3.1. 3.1所示，其满量程摄氏温度传感器电路如图3. 1.3.2所示单电源模式正负双电源模式图3.1.3.1LM35的供电模式输出=+150P时为150OMy 5witj=+25 ,c 科为250MV 输出二50C时为-55OMy图3.1.3.2LM35的满量程电路图2.1.4 LM35的使用要点实际使用中，可将塑封的传感器的平面用环氧树指粘贴在待测的零件表面， 若是TO-46金属封装的，则可在待测零件上钻一个与传感器管帽相当的孔，用胶 粘牢，安装十分简单。温度差不会超过0 01C,这是在假定环境空气温度与表面 温度总是相同的前提下，如果环境温度比表面温度高或低许多时，LM35器件外 表面的实际温度将为环境温度和表面温度之间的温度。对于TO-92封装来说，情 况更是如此。在这里，铜导线是向器件传导热量的主要热渠道，因此，其温度将 更接近空气温度，而不是表面温度。了解决这个问题，应确保到LM35的导线保 持与器件外表面同样的温度，最容易的方法是用环氧树脂覆盖这些导线，以确保 引线和导线与器件外表面具有相同的温度，使得器件外表面的温度将不受环境温 度的影响。TO-46金属封装也可被焊在金属表面或管子上，当然在这种情况下电 路的电源负端(V-)接地到金属壳上。另一种方法是，LM35被安装在密闭的金 属管中，然后浸入一个槽中或拧入槽的螺纹孔中。和任何集成电路一样LM35和 其伴随导线及电路必须绝缘和干燥，以防止漏电几腐蚀。如果电路工作在可能发 生凝结的低温下，就应该更加注意。经常使用HUmiSeal和环氧树脂等印刷电路 涂层和漆，以确保湿气不会腐蚀LM35或其连接。电容负载问题：与许多微功率电路一样，LM35具有有限的驱动电容负载能力。若无特别的 预防措施LM35独自能驱动50pF的电容负载。如果加入一个更大的负载，可以方 便地用一个电阻来隔绝或解耦这个负载，或者在输出与地之间用一个串联的RY 阻尼器来提高电容的容差。2.2 芯片ICL7101介绍ICL7107是高性能、低功耗的三位半AD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IOUV的自动校 零功能，零漂小于luV°C,低于IoPA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IOOuV,转换精度为0.05 ± 1 个字。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。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 0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。 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。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。噪音低，温 漂小，具有良好的可靠性，寿命长。芯片本身功耗小于15mw （不包括LED）。未 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+., 可以方便的进行功能检查。3. 2.1ICL7107转化器原理ICL7107转化器原理图如图3.2.1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3.1.2 ICL7107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，使千位显示力”，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 o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.3. 2.2ICL7107的引脚及个引脚功能ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图3.2.2所示。图3. 2. 2ICL7107管脚排列各引脚功能简单介绍如下：1脚，正电源端,接直流+5V；220脚、2225脚，接相应的数码管；21 脚,接 GND；26脚,负电源端，接直流-5V；27脚,积分器输出端，外接积分电容C （一般取C=0.22uF）;28脚，输入缓冲放大器的输入端。外接积分电阻R（一般取R=47k）;29脚，积分器和比较器的反向输入端，接自校零电容C （一般取O0.47uF）;30、31»,模拟量输入端；32 W，模拟信号公共端；33 > 34脚，基准电容端;35、36脚，基准正负电压端。37脚,测试端。38、39、40脚，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R、C元件。3. 2.31 CL7107的典型运用电路如下图3.2.3所示，为ICL7107的典型运用电路图3.2.3ICL7107的典型运用电路3 . 3电压比较器LM393LM393是双电压比较器集成电路，其主要特点为：工作电源电压范围宽，单电源、双 电源均可工作，单电源：236V,双电源:±1±18V；消耗电流小，ICC=O.8mA；输入失 调电压小，Vlo=±2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0-Vcc-1.5V;输出与TTL, DTL, MOS, CMoS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门，其管脚排列图如下图331所示。引 脚功能如下图3.3.2所示奇 1SLU1 £ 0-HlnHToo S SOoLY>LoSO >liLL = LZ CM、 <U.0UJQOCD<-199.9Vcc5VI OUTB图3.3.1LM393的引脚图引出端序号功能符号引出端序号功能符号I1输出端1OUTl5正向输入端2lN+(2)I2反向输入端1IN-(I)6反向输入端2lN-(2)I3正向输入湍11N+(1)7输出端2OUT24地GND8电源VCC图3.3.2引脚功能4 .4七段数码管图3.4.2七段数码管引脚图在此次课程设计中，所用到的数码管 为七段共阳数码管。其引脚图如下COM / X a b<,</，IWCCM(R)图3.4.1七段数码管引脚图数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻b、使用电压：段：根据发光颜色决定；小数点：根据发光颜色决定c、使用电流：静态：总电流80mA （每段10mA）；动态：平均电流4-5mA 峰值电流：IOOmA上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一 样的。数码管使用注意事项说明：（1 ）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（2 ）焊接温度：260度；焊接时间：5S（3 ）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接 到共同接点com,而每个LED的阴极分别为a、b、c、d> e、f、g及dp （小数点）； 共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com,而每个LED的阳极分别为a、 b、c> d> e> f、g及CIP （小数点），如下图所示。图中的8个LED分别与上面 那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。共阴 军l THAAA 士A B D F F G DFGOOOc O7 6 4 2 I 9 IC . 5图3.4.3共阳极数码管图3.4.4共阴极数码管第四章 电路设计图及电路仿真4.1各模块设计图各模块的设计图如下+5V-5V U1R1100K温度采集模块采用LM35它采用内部补偿，输出可以从 0开始。常温下，不需要额外的校准处理即可达到±1/4°C 的准确率，工作范围-50°C to +150oCo电源供应模式有单 电源与正负双电源两种。图4.1.1温度采集模块CA ±图4.1.2A/D转换模块3 LM35A/D转换模块采用ICL72073位半的ADC转换芯片, 可以大大降低线性误差，使其小于1个计数。数码显示模块采用4位LED显示，表示符号位，十 位，个位，百位及小数点等。图4.1.3数码显示模块图4.1.4电压比较模块和报警模块4. 2电路总设计图由以上模块得电路总设计图，如下图4.2所示。图4.2电路的总设计图4. 3电路的仿真电路仿真结果如下图4.3.1电路仿真图一由电路仿真图一可以看出，当温度传感器为K)(TC时，数码管显示的温度也为Ioo C, LED警示灯发光，其显示误差为0,符合课程设计任务书要求。且其温度范围也符合课程设 计任务书要求。TOTltr图432电路仿真图二由电路仿真图二的仿真结果可以看出，当温度传感器的温度为一43。时，数码管的且也满足对负温度的要求范围。图4.3.3电路仿真图三显不温度为一42.8 C ,符合精度要求,c? <n <TG>暂 ” O QiSSMa 以 8A3n 3 g。a 8AB*F0l<Mt图4.3.4电路仿真:图四由电路仿真图三和电路仿真图四可以看出，当温度传感器的示数为99。时，数码管 显示99 C, LED指示灯不发光，温度传感器示数为IoO C时，数码管显示IOO C , LED指 示灯发光。则两次仿真得数据均满足精度要求，两次仿真LED的发光情况说明在温度到达 IOO C时，LED会发光预警，而低于IOO C时，LED不会发光，满足设计要求。第五章心得体会在此次课程设计中，进一步巩固了所学的知识，理论和实践方面都有了很大 的提高，更多的是数电方面的知识的理解，很多无法在课堂上理解的抽象理论知 识有了重新的认识，也了解了关于LM35与ICL7107的特性和功能，了解了他们各自的 典型运用电路。本次的数字温度计设计实践将我们学到的知识应用到了实践,深化了我对数字电路设计 和模拟电路的设计,让我们在设计的实践中获得了更多的知识，同时锻炼了我们的动手能力。 学习了理论知识和实践操作，我们不仅仅得到的事课本上的东西，更重要的是我们通过自己 的亲自动手，让我们知道了分析电路、设计电路的步骤以及计算机软件辅助等。在实验中涉 及到了二极管、三端稳压器、电容、锁存器、数码管等的使用，加深了我对模拟电路，数字 电路的理解，同时加深了我对几种元件的使用的认识。一开始不知道如何下手，经过广泛的查阅资料，我找到了很多有用的信息，为我的设计 带来了很多方便。通过这个设计让我得到了很多，很多事情做不做得好是回事，关键是自己 要亲自去实践，亲自动手做，要善于思考总结。我自知这次的设计有很多不足之处，尽管我 很努力，但效果却不是很好，平时很多东西学得也不是很透彻，我觉得做课程设计是一种对 课本知识的升华，有利于实践动手能力的锻炼。第六章参考文献1彭介华.电子技术课程设计指导口亿北京：高等教育出版社.20062电子技术基础一模拟部分".第五版.北京：高等教育出版社，20063电子技术基础一数字部分M.第五版.北京：高等教育出版社，20064贾更新.电子技术基础实验设计与仿真M.郑州：郑州大学出版社，2006, 105朱清慧等.ProteUS教程一电子线路设计、制版与仿真M.北京：清华大学出版 社,20086周新民.工程实践与训练教程IxI.武汉：武汉理工大学出版社，20097吴正光，郑颜.电子技术实验仿真与实践M.北京：科学出版社，20088陈大钦，罗杰.电子技术基础实验M.北京：高等教育出版社，2008