基于ICL7107制作的数显温度报警电路 .doc

基于ICL7107制作的数显温度报警电路设计摘要数显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ICL7107制作的数显温度报警电路的方法、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。关键词：数字显示 温度传感器 ICL7107 报警目录摘要 1引言 3第一章 数显温度计的发展史，内容及其意义1.1 温度计的发展史 41.2 本文主要内容 51.3 本课题研究的意义 5第二章 数显温度的组成2.1元件列表 62.2 ICL7107器件简介 62.3 LM35引脚及功能介绍9第三章 数字显示温度计的基本原理及调试方法3.1 数显温度计的特点 123.2 数字显示温度计电路原理 12第四章 仿真电路图 4.1 温度显示仿真 144.2 报警电路仿真 15第五章 全文总结及其前景展望5.1 结论 165.2 个人总结 16致谢 19参考文献 20引言简介：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(如铂电阻，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PC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。第一章 数字显示温度计的发展史，内容及其意义§1.1 温度计的发展史温度计是测温仪器的总称。根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤 油温度计，酒精温度计，水银温度计，气体温度计，电阻温度计，温差电偶温度计，辐射温度计和光测温度计等。最早的温度计是在 1593 年由意大利科学家伽利略(15641642)发明。他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。这种温度计，受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。伽利略发明的第一个温度计后来伽利略的学生和其他科学家，在这个基础上反复改进，如把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭等。比较突出的是法国人布利奥在 1659年制造的温度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银作为测量物质，制造了更精确的温度计。他观察了水的沸腾温度，水和冰混合时的温度，盐水和冰混合时的温度；经过反复实验与核准，最后把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0，把纯水凝固时的温度定为32，把标准大气压下水沸腾的，温度定为 212，用代表华氏温度，这就是华氏温度计。在华氏温度计出现的同时，法国人列缪尔(16831757)也设计制造了一种温度计。他认为水银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。他专心研究用酒精作为测温物质的优点。他反复实践发现，含有 1/5 水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之间，其体积的膨胀是从1000个体积单位增大到1080个体积单位。因此他把冰点和沸点之间分成80份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。华氏温度计制成后又经30多年，瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为零度，把水的冰点定为 100度。后来他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来，就成了现在的百分温度，即摄氏温度，用表示，华氏温度与摄氏温度的关系为=9/5+32，或=5/9(-32)。 现在英,美国家多用华氏温度，德国多用列氏温度。而世界科技界和工农业生产中，像我国，法国等大多数国家则多用摄氏温度。随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也不断地改进和提高。由于测温范围越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器。下面介绍几种。气体温度计多用氢气或氦气作测温物质，因为氢气和氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故它的测温范围很广。这种温度计精确度很高，多用于精密测量。电阻温度计分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计，都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。金属温度计主要有用铂、金、铜、镍等纯金属的及铑铁，磷青铜合金的；半导体温度计主要用碳、锗等。电阻温度计使用方便可靠，已广泛应用。它的测量范围为-260至600左右。温差电偶温度计是一种工业上广泛应用的测温仪器。利用温差电现象制成。两种不同的金属丝焊接在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接，形成电路。把工作端放在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过回路。通过电学量的测量，利用已知处的温度，就可以测定另一处的温度。这种温度计多用铜康铜，铁康铜，镍铭康铜，金钴铜，铂铑等组。它适用于温差较大的两种物质之间，多用于高温和低浊测量。有的温差电偶能测量高达 3000的高温，有的能测接近绝对零度的低温。高温温度计是指专门用来测量 500以上的温度的温度计，有光测温度计，比色温度计和辐射温度计。高温温度计的原理和构造都比较复杂，这里不再讨论。其测量范围为500至 3000以上，不适用于测量低温。§1.2 本文主要内容本文主要介绍数字显示温度计的应用，发展情景，发展史。第一、二章着重介绍了数显温度计的发展史，设备，结构，第四章论述了电路板的焊接和调试的过程，最后在第五章中做了全文的总结和展望。§1.3 本课题研究的意义在许多的应用场合，数显温度计已经代替了传统的温度计。相比于传统温度计，数显温度计具有直观，高精度，观测方便等优点。本次课程设计意义在于让人们能更直观、准确的了解自习想要知道的温度。第二章 数字显示温度计的组成§2.1元件列表注释描述封装数目0.1uFCapacitorRAD-0.33100pFRAD-0.331uFRAD-0.313KResistorAXIAL-0.321KAXIAL-0.3510KAXIAL-0.3424KAXIAL-0.311MAXIAL-0.324.9KAXIAL-0.31100KAXIAL-0.31LED3Typical BLUE SiC LED3.5X2.8X1.91Dpy Red-CA7.62 mm Black Surface HER 7-Segment Display: CA, RH DPLEDDIP-104SpeakerLoudspeakerPIN21NPNNPN Bipolar TransistorTO-2263PNPPNP Bipolar TransistorSOT-23B15.1KPotentiometerVR512.4KPotentiometerVR53LM393AHDual Comparator601-041ICL7107CPL3?Digit A/D ConverterPL401SA555NGeneral-Purpose Single Bipolar TimerDIP81LM35AHPrecision Centigrade Temperature SensorH03H1表1元件列表§2.2 ICL7107器件简介 ICL7107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。 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 。 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。图1 ICL7107管脚分布图2 ICL7107典型应用电路图3 ICL7107A/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。调锁存器用来存放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。§2.3 LM35引脚及功能介绍LM35D是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器（见图4）。图4 LM35管脚分布    LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/；工作温度范围为0-100；工作电压为4-30V；精度为±1。最大线性误差为±0.5；静态电流为80uA。该器件如塑封三极管（TO-92）。    该温度传感器最大的特点是是使用时无需外围元件，也无需调试和较正（标定），只要外接一个1V的表头（如指针式或数字式的万用表），就成为一个测温仪（见图5）。图5 LM35测试方案LM35 是由National Semiconductor 所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式，0 时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。LM35 有多种不同封装型式，外观如图所示。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到 ±1/4的准确率。 其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其接脚如图所示，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如图 所示，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50A，工作电压较宽，可在420V的供电电压范围内正常工作非常省电。TO-92封装引脚图                                              SO-8 IC式封装引脚图图6 封装信息1TO-46金属罐形封装引脚图                                  TO-220 塑料封装引脚图图7 封装信息2单电源模式                                                                 正负双电源模式图8 LM35供电方式供电电压35V到-0.2V 输出电压6V至-1.0V 输出电流10mA指定工作温度范围LM35A  -55 to +150LM35C, LM35CA  -40 to +110LM35D  0 to +100第三章 数字显示温度计的基本原理及调试方法§3.1 数显温度计的特点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 (如铂电阻，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 AD 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 PC 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。§3.2 数字显示温度计电路原理图9 整体电路图（1） 显示部分设计连接好ICL7107的外围电路（详见§2.2 ICL7107器件简介），再将共阳数码管和ICL7107上的管脚对应焊接上，焊数码管时注意焊接时间不要太长。此时将ICL710中的Test（37）管脚接高电平，观察数码管是否显示为-188.8。如果是表示显示部分连接正常。（2） 温度传感器的连接LM35温度传感器输出的是电压信号，接上一个2.1K（R15）的可调电阻用于调节输出电压，与ICL7107本身的参考电压（可通过调节R14微调）相匹配，显示字=1000*（VIN/VREF）。（3） 报警电路设计报警电路设计采用比较的方式，由于LM35会随温度变化输出变化的电压信号（每升高1，输出电压增加10mV，详见§2.3 LM35引脚及功能介绍）。设计中需要在温度低于15和高于100的时候报警，而在15和100时对应的输出值理论上分别为150mv和1000mv。因此采用LM393电压比较器进行电压比较，对应的R1和R5可以调节基准电压，既可以调节报警的温度，在实际应用时可以用来调教到和数码管对应的数据进行报警。当温度低于15和高于100时，比较器输出高电平，分别推动三极管Q1和Q2导通。此时蜂鸣器被导通，报警，LED也导通点亮。对应的三极管Q4可输入需要的声音信号，让蜂鸣器发出对应的声响。第四章 仿真电路图§4.1 温度显示仿真图10 正温度仿真图11 负温度仿真§4.2 报警电路仿真图12 低于15报警状态仿真图13 15100非报警状态仿真图14 高于100报警状态仿真第五章 全文总结及前景展望§4.1 结论温度传感器的应用范围很广，它不仅广泛应用于日常生活中，而且也大量应用于自动化和过 程检测控制系统。温度传感器的种类很多，根据现场使用条件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。§4.2 个人总结三周的课程设计结束了，在此次课程设计中，我收获颇丰，首先是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，也是对我们两年来所学的东西的一次肯定。同时也提高了我团队协作的能力，懂得相互探讨，相互学习的重要性，也在其中学到了许多书本中没有的东西。课程设计是对我们的专业知识，专业技能的一次综合训练和评定，更是我们以后步入工作岗位必不可少的一步。在前期的电路设计中，我们曾换过好几个方案，虽然题目不难，但是要是真正让自己去设计，就发现其实也不是那么简单，我们必须学会对个个方案进行全面的测评和分析。特别是在报警电路方面的设计，我们也是费尽心思去分析每一个优缺点，电路工作是否稳定，抗干扰能力如何，是否节约成本。在我们的工业领域，这些都是必不可少的条件。最终出来的电路虽然不能说十全十美，但也毕竟是我们共同努力的结果，我们自己都觉得很满意了！仿真也让我们找到了学习电路的另一套方案，通过仿真可以让我们大大减少焊接量，也让我们节约了成本，保护了环境。更是能够更直观的了解每一点的电流电压，使电路分析变得更加容易。后来的电路焊接，我们是分工协作，一人负责一部分，最后综合成一块完整的电路。虽然只是负责一部分，但其实焊接起来也不是那么简单，我们还有手被烫到的，也让我们体会到电子设计的艰辛之处。最后电路调试是最麻烦的部分，这时候才发现自己的焊接是多么不靠谱，一大堆的低级错误让我们不得不手忙脚乱的修改。有时候是一点点的小错误，却耗费了半天的时间去找。可见，想要做成功一件事并非那么容易的。总的来说，课程设计还是让我学到了不少的只是，不过由于经验少，设备和资料缺乏，本次的设计还是存在一些不足之处。比如可以简化电路，美化外观，整体性的设计等，还有布线这方面有待进一步改进。吕垚鹏飞2012年5月17日通过三周的实训，学到了很多实际操作的东西，使我的动手能力得到加强，也使我对通信工程有了更进一步的了解。第一周，主要学习的是单片机30小时的学习过程，通过对Keil uVision4与Produes等仿真软件的学习，让我知道了通信专业的特点，那就是通过模拟量的学习过程达到实际电路的仿真效果，从而学会更多的关于通信工程相关的东西。软件的学习是一个漫长的过程，因为像Produes这种主流的仿真软件几乎都是专英的，所以给我们的学习也带来了许多的不便，但俗话说“万事开头难”，通过第一周前两天的熟悉与研究，基本了解到了其中的奥秘，进入了正式的汇编与仿真。从而对Atmel公司生产的89T51单片机有了进一步的了解。为第二周的实物操作奠定了基础。第二周，我主要研究的是STC单片机功能拓展。从STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机的最小控制系统开始焊接学习，进一步的了解单片机的具体应用与开发，之后又焊接了STC与232接口、232接口与485接口的数模转换，进而把上一星期所编译的程序下到单片机里，接上示波器，进一步观察实际的波形情况，从而，对单片机的功能又有了进一步的了解。在前两周的基础上，开始了第三周的学习。我第三周的学习内容是学习通过STC单片机控制Meter-Bus仪表总线标准及应用。M-BUS是由Dr. Horst Ziegler教授和德州仪器公司共同开发的,它是建立ISO-OSI考模型基础之上,以便充分利用现有大多数的网络协议,使之成为一个开放的系统。广泛应用于楼宇自控、智能建筑、智能化热计量采集等领域。M - BUS 系统是一个带有通讯控制主机的多级系统,它是由主机和一定数量的从机(终端设备) 通过两根电缆连接而成,所有的从机都并联连接在总线上,并可通过总线获得所需电源。为了实现数据和能量的共同传输,M - BUS总线上的bit流传输采用两种调制方式:电压调制和电流调制。而我研究的TTLM-BUS的转换电路，主要包括发送器和接收器两个部分，进而实现电压调制和电流调制的功能。进而，使我对Meter-Bus有了初步的了解，为以后的学习打下了基础。通过三周的实训学习，让我摆脱了书本的束缚，更多的实际操作，更多的思考空间，更多的自学机会，使我收获颇丰。每一次的实训，都有不同的收获，从不会焊接到熟练掌握，再到学会数模转化，一路走来觉得实训生活的每一步走的都很坚实，为以后的学习与工作打下了坚实的基础。张睿2012年5月18日致 谢 在论文完成之际，我首先向关心帮助我的指导老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！ 在论文工作中，遇到了很多细节方面的问题，一直得到老师的亲切关怀和悉心指导，使我得以顺利的完成此次毕业设计的任务。老师以其丰厚的专业知识功底，严谨的治学态度，求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘并向他学习。再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学习氛围，以及学习，生活上的无私帮助！同时我也会将这种严谨的作风运用到工作中去，为以后的社会实践工作而努力。值此论文完成之际，谨向老师致以最崇高的谢意！我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢！ 参考文献：1 江思敏,姚鹏翼,胡荣编著.Proteus 电路设计教程.第一版.北京：清华大学出版社,2002.12 李定宣,丁增敏编著.开关稳定电源设计与应用.第二版.北京：中国电力出版社，2011.73 吴慎山编著.电子线路设计与实践.第一版.北京：电子工业出版社，2005.54 李瀚荪编著.电路分析基础下册.第四版.北京：高等教育出版社，2007.65 康华光,陈大钦等编著.电子技术基础模拟部分. 第五版. 北京：高等教育出版社，2006.1（2008重印）6 康华光,邹寿涛等编著.电子技术基础数字部分. 第五版. 北京：高等教育出版社，2006.1（2008重印）