数字温度计的设计制作设计.docx

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1、数字温度计的设计制作学校： 班级： 姓名： 学号： 职称： 指导教师： 2012年04月摘 要随着时代的进步和发展，数字温度计已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。环境温度与我们生活息息相关温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业、工业、各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。目前，随着信息技术的发展，传感技术的广泛应用，温度测试技术已向自动化、智能化方向发展。基于此，提出了温度的数字化测量。 随着人们生活水平的不断提高

2、，数字温度计的要求也越来越高，为现代人工作、科研、生活、提供更好、更方便的设施就需要从新技术入手，一切向着数字化控制、智能化控制方向发展。 本设计需要采用传感器技术与电子技术相结合。设计的数字温度计与传统的温度计相比，输出温度采用数字显示，具有读数方便，测温范围广，测温准确等重要特点。主要用于测温比较准确的场所。，温度高了会感觉热，温度低了会感觉冷，那么我们怎样知道环境中的温度究竟是多少摄氏度呢？这里给大家介绍一个数字测温电路，电路通电后LED显示实时温度测量值，温度计的温度测量范围为099.9。数字温度计通电后，LED数码显示器能准确地显示出由PT100测量的环境温度值；要求在万能板上焊接的

3、电路布局合理、连接简洁；要求主板和万能板间连接合理、牢固、美观。本文介绍了数字温度传感器内部结构及工作时序，并提出了数字温度计设计方案该数字温度计的测温范围为-50+110，精度误差在0.1以内，具有测温精度高，控制性能良好等特点，该温度计完全适用于一般的应用场合，也可在高低温报警，远距离多点测温控制等方面进行应用关键词：电阻 电容 稳压器 计数器 转换器.Abstract This article mainly discusses the design process of using single-chip AT89C52 to measure frequency, cycle, time

4、 interval and duty cycle. Using the algorithm of measuring N signal cycle, making full use of the three programmable timer / counter of single-chip AT89C52, combined with some digital circuits, the frequency meter overcomes the shortcomings of the measurement accuracy reduces with the reduction of t

5、he frequency of the measured signal by the frequency meter based on the principle of traditional measurement of frequency , achieves high-precision measurements of the frequency, cycle, time difference and duty cycle, displays the results. The hardware system circuits of the digital frequency meter

6、is made up of the pre-shaping circuit, sub-frequency circuit, reference signal source, single-chip circuit, digital display circuit and DC power supply regulator circuit. Of it, the single-chip circuit consists of single-chip, data selector, keyboards and status indication circuit. The software syst

7、em is made up of main program, keyboard subroutine, display subroutine, NT and N measurement subroutine, pulse high and low level width measurement subroutine, prepared by the assembly language. Through the cooperation with each other of the hardware system and software system, the frequency meter s

8、uccessfully achieves high-precision measurements of frequency, cycle, time difference, and duty cycle, finishes system calibration and the display of measurement results.Keywords digital frequency meter cycle single-chip 目 录摘要1Abstract3第一章 引言5第二章 方案比较及论证62.1 方案选择与比较62.2 元器件选择72.2.1 PT100铂热电阻72.2.2 运

9、算放大器LM35887 2.2.3 并联稳压器TL431882.2.4 LM331精密电压/频率转换器.8 2.2.5 CD4060 14级进位二进制计数器.8 2.2.6 D4511 BCD-7段译码驱动器.9 2.2.7 CD4553 3位BCD码计数器.9第三章“数字温度计”的硬件设计103.1温度检测电路103.2信号放大电路103.3计数译码显示电路113.4 V/F变换电路113.5门控电源113.6 整体电路原理图12第四章“数字温度计”硬件安装及调试144.1装配及调试说明144.2外部接线144.3 调试方法14第五章 整机功能验证与误差分析165.1 整机功能验证16 5.

10、2误差分析16结论17参考文献18附录19引言在这个发达的社会, 随着人们生活水平的不断提高,追求非凡的速度上来看,数字温度计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，们对它的要求越来越高，要为现介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温代人工作、科研、生活、提手，一向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计所采用的角度是数字显示，主要用于对测温比较准确的场所或科研实验室使用，该设计控制器使用电容电阻，三极管和一些计数器等组成，测温传感器使数码管实现温度显示,能准确达到要求。随着科学技术的发展与工业技术的迅猛提升.在日常生活生产中我们时常

11、需要准确测量与控制环境温度与设备温度。因此，研究温度的测量与控制就显的很重要了。我们要从外界感应温度，关键是温度检测电路，在这里用TL431完成，获取了外界的温度值之后，需要一定的显示装置加以显示。通过V/F转换器进行精密频率电压转换，在这里用LM331完成。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应用。CD4511是常用的七段显示译码驱动器CD4553是3位十进制计数器，它采用动态扫描输出方式，通过选通脉冲信号，依次控制3位LED数码管输出。再通过LED显示出来。这就是我设计数字温度计的目的.下面介绍的温度计是以双共阴数码管显示的。生活

12、出真知，从温度感受电路，感受电学的乐趣！第二章 方案比较及论证2.1 方案选择与比较根据任务要求，本方案要进行温度检测电路，信号放大电路，V/F变换电路，计数译码显示电路，门控电路进行设计制作。反复查阅资料，经过以下两种方案的选择与比较，最终确立了总体方案。方案一：由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。方案一部分电路图： 方案二：进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，

13、所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。方案二电路方框图：从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，可单电源使用，价格低廉，性价比高，封装简单。2.2 元器件选择2.2.1 PT100铂热电阻PT100铂热电阻是一种以铂金(Pt)做成的电阻式温度检测器，其具有稳定性好、测量精度高、输出T-R线性度都好等优点。2.2.2 运算放大器LM358LM358双运放集成电路，采用8脚双列直插塑料封装，其内部包含两组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，两组运算放大器相互独立，

14、引脚及内部方框图如图7所示，LM358具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电路中。2.2.3 并联稳压器TL431TL431是TL、ST公司研制开发的并联型三端稳压基准。由于其封装简单（型如三极管）、参数优越（高精度、低温漂）、性价比高，近年来在国外已经得到了广泛应用。2.2.4 LM331精密电压/频率转换器LM331 是美国NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片，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应用。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

15、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。2.2.5 CD4060 14级进位二进制计数器CD4060 由一振荡器和14 位二进制计数器位组成，组成接通图如图11，引脚图如图12。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。在输入脉冲1和0的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对

16、时钟上升和下降时间无限制。2.2.6 D4511 BCD-7段译码驱动器CD4511是常用的七段显示译码驱动器，它的内部除了七段译码电路外，还这有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出电流大，最大可达25mA,可直接驱动LED数码管。CD4511由4个输入端A/B/C/D和7个输出端ag，它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试LT、熄灭控制端BI来控制。2.2.7 CD4553 3位BCD码计数器CD4553是3位十进制计数器，它只有1组BCD码输出端，要完成3位输出，所有它采用动态扫描输出方式，通过选通脉冲信号，依次控制3位LED数码管输出。 第三章 “数字

17、温度计”的硬件设计该“数字温度计”的硬件电路可分为: （1）温度检测电路（2）信号放大电路（3）V/F变换电路（4）计数译码显示电路（5）门控电路。3.1温度检测电路温度检测电路主要由并联式稳压器、电桥和差分放大器组成，由U4构成的并联式稳压电源，为电桥提供高精度4.096V的电压，电桥由R30/R31/R44和PT100组成，RP4用于电路调试，在电路调试过程中通过调节RP4来模拟PT100的温度变化，方便电路调试，电桥输出的差分电压V=4.096*(RPT100/(R30+ RPT100)-R44/(R31+R44)，该信号通过R10和R11送入由U7B组成的差分放大器进行前级放大。3.2

18、信号放大电路由U7A、PR6、R12、R13和R45组成的同相比例运算放大器，主要有2个作用，其一是用于将上一级的信号进行同相放大，其二是调整因元件参数偏差引起的测量误差。调节RP6可改变其放大倍数，RP6也可称为量程电位器，数字温度计设计最大测量温度为99.9，根据表1可查出当温度为100时，PT100的内阻为138.51欧姆，根据电桥失衡后的输出电压计数公式可知，当环境温度为100时，差分输出电压为70mV，为了显示和控制方便这里我将信号调理为标准的10mV/。调节RP6可改变放大器的放大倍数，当测量温度为100时，我们通过调整RP6使TP-A点的电压为1.000V，由于PT100铂热电阻

19、是线性的，当测量温度为50时，TP-A点电压应该为0.500V。3.3 V/F变换电路V/F变换电路主要由U1和其少量外围器件组成的电压频率转换电路。这里V/F变换器的作用是把TP-A点的电压输出为对应的频率值，在显示计数这块，计数器最大计数量为999，TP-A点的温度信号为10mV/，满量程为99.9即999mV，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=(R6+RP2)/2.09*R2*R5*C13RP2)*Vin , RP2为量程调节电位器，RP3为零点迁移电位器。3.4 计数译码显示电路V/F完成了A/D的转换，接下来就需要计数器的配合了，即在规定时间

20、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LED数码管。3.5 门控电路采用V/F转换器进行A/D转换，就应该对V/F转换器输出的频率在固定时间内进行计数，这里我们设置的固定时间是0.25秒。也就是说在0.25秒内CD4553计数器收到的脉冲个数，为了配合CD4553计数，固定时间计时由CD4060组成的计时电路来完成，CD4060它是一个14位的二进制计数器/分配器/振荡器，电路振荡部分采用32.768kHz

21、的晶振作为信号发生，然后再经过14级分频后，得到一个2Hz占空比相等的脉冲信号。频率为2Hz周期为0.5秒，即高电平0.25秒低电平0.25秒。CD4553的DIS为计数允许控制端，高电平禁止计数，低电平允许计数；LE为锁存控制端，高电平时寄存器内容保持不变，低电平时计数值送入寄存器；MR为计数器复位端，高电平复位，复位仅对计数值进行复位，对寄存器值没有影响。根据这个控制逻辑我们将门控信号直接送入LE，然后经过倒相后送入DIS端，在LE端接入RC电路对计数器定时清零。当门控信号为高电平时，计数器允许计数，当门控电路变化为低电平时，计数器禁止计数，同时LE为低电平，计数值锁存到寄存器中；当门控信

22、号再次由低电平转换为高电平时，门控信号上接入的RC电路对计数器进行清零。OVF为计数益处端，当计数器值超过最大计数值时，计数器益处进位，D1闪烁。第四章 产品硬件电路调试4.1功能设计制定项目实施计划确定好后，各小组学生就可以依据实施计划进行具体的电路设计。电路设计应该是考虑软硬件相结合，既要考虑硬件电路简单，又要使得编程容易。原理图的设计易用通用的电路设计软件，如PROTEL等，按照原理图设计的规范进行绘制；而程序编写也要用KEIL-C等移植性强的编程工具，用C语言或汇编语言进行结构化的程序编写。电路设计好，程序编程完成后，要用仿真器和试验箱，或搭接试验电路，或仿真软件进行仿真，以确保功能上

23、可靠。在传统的教学中，功能实现即意味着教学过程的结束，但实际上，学生虽然完成了功能仿真，但他们对实验的实质内容并没有完全理解,特别是在仿真中用到的典型电路更是一知半解，更不知电路设计和装配的工艺以及电路优化和电路的产品意识。PCB板的制作。PCB板的设计是把电路原理到产品的重要一步。PCB板的设计能力是电子类学生的基本技能之一，也是企业十分注重的能力。要培养学生单片机综合应用的能力，学生在教师的指导下完成一个实际产品PCB的设计是必不可少的。学生应该根据自己设计的电路用PROTEL软件，电路板设计的规范，绘制出实用的PCB图，然后或外协加工，或自行制版，制成所需的PCB板4.2外部接线 通过C

24、OM1端子接入+12V、-12V和GND工作电源（请注意电源极性）。装饰及调试无误:电路焊接检查无误后方可接电源. 4.3焊接组装。PCB板制成后，就可以按照设计的要求，选择适当的元器件，进行焊接组装。焊接组装应该由学生自行完成，元器件的选择和采购原则上也应该是由学生自理，教师只应该是咨询的角色。当然，在焊接组装的方法和工艺上，教师应给予适当的指导。4.4调试方法电路调试。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。在调试电路的过程中，学生必须发挥主观能动性，加深对理论知识的理解，同时掌握

25、常用电子仪器的使用,如万用表、电烙铁、示波器等，培养学生分析问题与解决问题的能力。单片机电路调试一般采用软硬件相结合的方法。在调试中找出软硬件中存在的问题，最终实现设计的电路功能。 电源电路：整机电路供电采用5V供电，从COM1接入的DC9V电源，经过电路板上的78L05和79L05稳压为5V 。 温度检测电路：JP2为PT100连接跳线，JP1为RP2连接跳线，在电路调试过程中，根据实际要求连接或断开跳线。温度检测电路主要由：并联稳压电路、电桥和差分放大器组成，调节RP1使U3的3脚电压为4.069V。断开JP2，将RP2的电阻值调节到100欧姆，模仿PT100在0下的电阻值，用于电路调零，

26、断开JP2、连接JP1此时U7的7脚输出电压应该为0V。 放大电路调试：上一项调试完毕后方可进行此项调试，断开JP2调节RP2使其两端电阻为138.56(模拟温度在100时PT100 的电阻值)，断开JP2、连接JP1，通过调节RP3（又可称为满刻度调节）改变由U3B组成的同相比例放大电路的放大系数。使用毫伏表测量U3B的1脚点、的电压，调节RP3使U3B的1脚电压等于1.000V。当U3B的1脚的电压调整正常后，此时U3B的1脚的电压与温度关系为10mV/。V/F变换及显示电路调试：测量U5的3脚点是否有2Hz的方波脉冲，若有表示门控电路正常。V/F变换电路U8/R17/C15/R26/R2

27、9/R28/RP4/R24/RP5等元件组成，RP5为量程调节电位器，RP4为零点迁移电位器。根据上一级调试方法，使U3B的1脚的电压为0.999V,此时调节RP5使，LED数码管的显示值为99.9。PT100采集的温度信号经过前级的检测放大电路后，已被转换为标准的电压信号10mV/，此时给V/F送入0.999V的电压它显示的是99.9，说明温度已能正常显示，此时连接JP2，断开JP1，此时LED显示器的值为实际测量的温度值。4.5整机功能验证断开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，使用发热元件（如电烙铁或热风枪等）烘烤温

28、度传感器，实时测量温度开始上升，显示温度也随之增加。4.6资料整理、撰写产品报告。完成设计及调试任务后,整理技术文档是整个产品设计过程中又一部分。在电子企业中，技术文档是产品销售、维护、维修及技术更新的基础，这个环节让学生初步形成写文档的能力和习惯，养成完成项目后进行资料归档的习惯。撰写产品报告也是一项重要的工作，在报告中要说明产品的设计思路，设计依据，能够特点，应用条件和使用方法等。产品报告相当于是一个小型的设计论文。4.7.电路作品展示与评价。作品的展示与评价在项目教学中是一个非常重要的环节，完成这个环节一般要用到24学时，教师在这一环节中要精心的组织，才能够达到良好的效果。在各小组完成任

29、务，调试完成电路，整理好资料，撰写好产品报告后，教师就可以组织各小组展示自己的作品，演示说明自己的设计思路和产品特点，并对自己的作品做出自评。教师要引导学生并和学生一起对展示的作品做出适当的评价。在这个环节中，展示者要展示自己完成项目的整改过程，尽量让自己设计的优点展示在大家面前。而评判者则应根据评分标准和自己的判断，对项目的整体实施方案，对产品的功能和质量，对项目完成的整体情况，做出公正公平的评价，对优点和亮点给予充分的肯定，对缺点和不足提出中肯的改进意见，教师要在大家评议的基础上对各小组的项目实施做出综合评定。第五章 整机功能验证与误差分析5.1 整机功能验证断开JP1点，接通JP2点，将

30、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，使用发热元件（如电烙铁或热风枪等）烘烤温度传感器，实时测量温度开始上升，显示温度也随之增加。5.2 误差分析数字温度计在测量中除误差外，还有内部固定偏差，视觉，环境温度的变化，选用期间的温漂，器件的精度，电源电压的波动，输入端各种杂散参数以及测量信号写波分量等因素引起的系统误差。一起精度不高，认为读书存在误差。测量值达不到理论值，多次测量取平均值误差降到最小。结 论学习了一年的电子专业后,我对它有了一定的了解.并且对电路也有了深一步的认识,学习专业对我们的成长有很大地帮助.让我们铂热电阻，三端稳压器，并联稳压器，

31、运算放大器，三端稳压器，二进制计数器，晶振，7段译码器，V/F转换器，3位计数器这些以往生疏的词眼。对于温度检测电路，信号放大电路，V/F变换电路，计数译码显示电路，门控电路，我也明白了其工作原理。由于自己缺少软件设计练习，起初画起来很吃力。在同学的帮助之下，终于完成了电路图的绘制。经过各方面的加工，数字频率计终于调试通过，实现了设计要求，完成了此次设计。此次设计是对一年学习的综合考察，综合利用，我明白了只有自己去查找资料，独立思考，才能更有效的增进知识，理论实践是紧密结合的。培养和锻炼我们的实际动手能力。使我们的理论知识与实践充分地结合，作到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践动手能力，能

32、分析问题和解决问题的应用型技术化学，为以后的顺利就业作好准备。本次实习的对我们很重要，是我们机电一体化学生实践中的重要环节。在以前我们学的都是一些理论知识。这一次的实习正如老师所讲，没有多少东西要我们去想，更多的是要我们去做，好多东西看起来十分简单，看着电路图都懂，但没有亲自去操作，就不会懂得理论与实践是有很大区别的。看一个东西简单，但在实际操作中就是有许多要注意的地方，有些东西也与你的想象不一样，我们这次的实训就是要我们跨过这道实际和理论之间的鸿沟。不过，我坚信自己的是有一定能力的。实训的时间虽然很短，但是我们学到的比我们在学校一年学的还要多，以前我们光只注意一些理论知识，并没有专门的练习我

33、们的实际动手能力。这次的实习使我意识到我的操作能力的不足，在理论上也有很多的缺陷。通过这次的“数字温度计”设计制作，真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把理论知识运用到实际当中，我们不仅学会了数字温度计的排版与焊接，而且我们相信通过这次的学习与实践我们能够做到举一反三；当然我们也有不足之处，在这次实践中，我们还有许多地方理解的不够，做得不够仔细 ，希望在以后的工作与学习中，我们能够仔细认真，更好地实现自己的价值。参考文献1 康华光.电子技术基础(数字部分)(4 版)M.北京:高等教育出版社，20002 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选：199419

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