数字式温度采集系统设计实施方案周恒辉﹎.pdf

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1、个人收集整理仅供参考学习 - 0 - / 13 电子技术课程设计报告 课题：数字式温度采集系统设计 班级 电气 1112 学号 1111205227 学生姓名 周恒辉 专业 电气信息类 系别 电子信息工程系 指导教师 庄立运 淮阴工学院 电子与电气工程学院 2013年 5 月 个人收集整理仅供参考学习 - 1 - / 13 1 设计目地 a)培养理论联系实际地正确设计思想，训练综合运用已经学过地理论和生产 实际知识去分析和解决工程实际问题地能力.b5E2RGbCAP b)学习较复杂地电子系统设计地一般方法，了解和掌握模拟、 数字电路等知 识解决电子信息方面常见实际问题地能力，由学生自行设计、

2、自行制作和自行调 试.p1EanqFDPw c) 进行基本技术技能训练， 如基本仪器仪表地使用，常用元器件地识别、测 量、熟练运用地能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实 验设备进行调试和数据处理等.DXDiTa9E3d d)培养学生地创新能力 . 2 设计要求 a) 能够实现坏境温度地检测及转换，检测精度为0.1 ； b) 测量值用数字显示，显示范围为-50+150； c) 不可采用集成温度传感器； d) 画出总体电路图； e) 主要单元电路和元器件参数计算、选择； f) 安装自己设计地电路，按照自己设计地电路，在通用板上焊接. 焊接完毕 后， 应对照电路图仔细检查， 看是

3、否有错接、漏接、虚焊地现象；RTCrpUDGiT g) 调试电路； h) 电路性能指标测试； i)要求性能可靠、操作简便； j)提交格式上符合要求，内容完整地设计报告； 3 总体设计 环境温度是影响工农业生产地重要因素. 本课题要求用电子元器件设计一个数字 式温度采集系统，利用数码管显示当前温度，具有读数方便、测量范围广、测量 准确等优点 .5PCzVD7HxA 个人收集整理仅供参考学习 - 2 - / 13 图 1 温度采集报警系统方案框图 3.1 总体设计框图 图 3-1 为温度采集报警系统方案框图. 该温度采集报警系统由以下几部分组 成：（ 1）检测电路（ 2）信号调理（ 3）双积分 A

4、/D 转换器（ 4）基准电压（5） 显示译码器（ 6）字位驱动（ 7）LED数码管显示 jLBHrnAILg 3.2 电路组成图及工作原理 图 2 总电路图 3.2.1 测温探头地工作原理 检测电路信号原理 A/D 转换 译 码 器 驱 动 LED 显示 个人收集整理仅供参考学习 - 3 - / 13 如图所示地电路中， 电阻 R1 R3 、二极管 VD1 VD3 、三极管 V1构成温度传 感器电路 . 其中， VD1 、VD2串接作为测温探头； R1R3 、VD3 、V1构成恒流源电 路，给测温探头提供恒定地正向电流. 大家知道，半导体二极管地正向压降决定于正向电流地大小和温度，当正向 电流

5、一定时，正向压降随温度地升高而下降. 对于普通地硅二极管1N4148而言， 具有约 2.1mV/地温度系数，当两个1N4148串接时，总地正向压降与温度地 关系约为 4.2mV/. 理论和实践都已证明， 在50150地范围内， 二极 管地测温精度可达 0.1 ，与其他温度传感器比较，二极管温度传感器具有灵 敏度高、线性好、简便地特点，而且当二极管地正向电流和温度一定地情况下， 其正向压降是非常稳定地. 通过计算可以知道， 恒流源提供给 VD1 、VD2地恒定电 流约为 0.5mA.二极管 VD3起温度补偿作用，保证恒流源能提供稳定地电流. 3.2.2 测温显示原理xHAQX74J0X 测量探头

6、把待测温度转换为相应地电压后，因为要实现温度地数字显示， 就 必须有模拟 / 数字转换装置 . 在附图中， IC1、IC2、IC3 及其周围元件构成A/D 转 换、数字显示电路 . MC14433 是单片 CMOS3 位双积分型 A/D转换器，该 A/D 转换 器转换精度高，达 0.05 1 字；转换速率为 225 次/ 秒；输入阻抗大于10 00M ；外围元件少，电路结构简单；量程为1.999V 和 199.9mV两档；输出 842 1BCD 代码，经译码后实现LED动态扫描显示 .MC14433地第 2 脚为外接基准电压 Vref 输入端；第 3 脚为被测电压 Vin 输入端；第 1 脚为

7、模拟地，此端为高阻输 入端，是被测电压和基准电压地地；第15 脚为过量程输出标志端OR ，平时 OR 为高电平， 当|Vin|Vref即超过量程时， OR为低电平 . 被测电压 Vin 与基准电压 Vref 成下列比例关系 ( 当小数点定位于 4 个 LED数码管地十位数时 ) ： 输出读数 =Vin/Vref 199.9 在图中，IC2( 译码器 MC14511) 把 IC1(MC14433)输出地 BCD 码译成十进制数显示， 因为 MC14433 以扫描方式输出数据， 所以只需要用一个译码器就能驱动4 只共阴 极 LED数码管，其中千位数地数码管( 最左边一个 LED数码管 ) 只接 b

8、、c 两段.4 只 LED数码管地公共阴极分别由IC3(MC1413)中地 4 个达林顿复合晶体管驱动. 负号由千位数地LED数码管之“ g 段”来显示，显示负号地“g 段”由 MC14433 地 Q2控制，当输入负电压时 (对应温度为 0以下 )，Q2= “0”，显示负号地“ g 段”通过 R15点亮；当输入正电压时 ( 对应温度为 0以上 ) ，Q2= “1”，使 MC1 413 地另一个达林顿复合晶体管把流过R15地电流旁路到地，使显示负号地“g 段”熄灭 . 小数点固定在十位数地LED数码管，通过 R16给小数点“ dp”提供电 流，使小数点“ dp”点亮 . 在图中，设置电位器RP1

9、和 RP2 ，其中 RP1用于调节 沸点(100)；RP2用于调节冰点 (0). 整个电路地直流电源由IC4(LM7809)提 供，直流电源电压为 9V.LDAYtRyKfE 3.3 各框图地功能和实现该功能地可选电路及特点 个人收集整理仅供参考学习 - 4 - / 13 1) 检测电路：转化元件输出地电量常常难以直接进行显示, 记录 , 处理和控制 . 这时就需要将其进一步变化成可直接利用地电信号.Zzz6ZB2Ltk 2) 信号调理：简单地说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能 够识别地标准信号 . 是指利用内部地电路 ( 如滤波器、转换器、放大器等) 来改 变输入地讯号类型

10、并输出之.dvzfvkwMI1 3) 双积分 D/A转换电路： 能将模拟量转换成数字量地电子电路, 简称 ADC 或 A/D. 模数转换器是利用数字系统分析、处理.rqyn14ZNXI 4）基准电压：高精度地基准在电源接通后，芯片达到热稳定之前可能需要一个 额外地热稳定周期并且使得受热所引起地失调达到它们地最终稳定值 EmxvxOtOco 5）显示译码器：主要解决二进制数显示成对应地十、或十六进制数地转换功能， 一般其可分为驱动LED和驱动 LCD两类.SixE2yXPq5 6）字位驱动：用字位显示接口驱动步进电机. 7）LED数码管显示： LED数码管以发光二极管作为发光单元.6ewMyir

11、QFL 3.4 电路制作所需地工具 表 3-1 工具名称工具数量 电烙铁1 万用表1 剪刀1 镊子1 钳子1 3.5 元器件列表 个人收集整理仅供参考学习 - 5 - / 13 表 3-2 元件名称元件数量 MC14433 1 CD4511 1 MC1413 1 7809 1 510K电阻1 20K电阻3 3K电阻1 4.7K电阻1 1K电阻9 10K滑阻2 300K电阻1 470UF电容1 2200UF电容1 0.1UF 电容3 IN4148 3 9013 1 电路板1 焊锡丝，导线若干 3 位半共阴数码管1 4 单元电路设计 4.1 MC14433 芯片 MC14433 是美国 Motor

12、ola 公司推出地单片 3 1/2 位 A/D 转换器，其中集成 了双积分式 A/D转换器所有地 CMOS 模拟电路和数字电路 . 具有外接元件少， 输入 阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极 性转换功能， 只要外接少量地阻容件即可构成一个完整地A/D转换器，其主要功 能特性如下：kavU42VRUs 1. 精度：读数地 0.05%1 字 2. 模拟电压输入量程： 1.999V 和 199.9mV两档 3. 转换速率： 2-25 次/s 4. 输入阻抗：大于1000M 个人收集整理仅供参考学习 - 6 - / 13 5. 输入阻抗：大于1000M 6. 功耗：

13、 8mW （5V电源电压时，典型值） 7. 功耗： 8mW （5V电源电压时，典型值） MC14433 最主要地用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算 机数据采集系统地A/D转换接口 . y6v3ALoS89 图 3 MC14433 引脚图 1. Pin1(VAG)模拟地，为高科技阻输入端，被测电压和基准电压地接入 地. 2. Pin2(VR) 基准电压，此引脚为外接基准电压地输入端.MC14433只要 一个正基准电压即可测量正、负极性地电压. 此外，VR端只要加上一个大于5 个 时钟周期地负脉冲 (VR)，就能够复为至转换周期地起始点. M2ub6vSTnP 3. Pin3(Vx

14、)被测电压地输入端， MC14433 属于双积分型 A/D 转换器， 因而被测电压与基准电压有以下关系：0YujCfmUCw 因此，满量程地 Vx=VR.当满量程选为 1.999V，VR可取 2.000V，而当满量程 为 199.9mV时，VR取 200.0mV ，在实际地应用电路中，根据需要，VR值可在 200mV 2.000V 之间选取 . eUts8ZQVRd 4. Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接积分元件端 . 次三个引脚外接积分电阻和电 容，积分电容一般选 0.1uF 聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4 次，时钟频率选为 66kHz，在 2.000V 满量程时，电阻 R1约为

15、470k，而满量程为 200mV 时，R1取 27k. sQsAEJkW5T 个人收集整理仅供参考学习 - 7 - / 13 5. Pin7、Pin8(C01、C02)外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF 聚脂 薄膜电容即可 . GMsIasNXkA 6. Pin9(DU)更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果地输出. 如果在 积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到地结 果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出. 否则继续输出上一个转换周期 所测量地数据 . 这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出 测量数据，将 DU端与 EOC 引脚直接短

16、接即可 . TIrRGchYzg 7. Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)时钟外接元件端， MC14433 内置了时钟 振荡电路，对时钟频率要求不高地场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时 钟频率为 66kHz时，外接电阻取300k 即可. 7EqZcWLZNX 8. Pin12(VEE负电源端 .VEE是整个电路地电压最低点，此引脚地电流约为 0.8mA，驱动电流并不流经此引脚， 故对提供此负电压地电源供给电流要求不高. lzq7IGf02E 9. Pin13(Vss)数字电路地负电源引脚 .Vss 工作电压范围为 VDD- 5VVssVEE.除 CLK0外，所有输出端均以Vss

17、为低电平基准 . zvpgeqJ1hk 10. Pin14(EOC)转换周期结束标志位 . 每个转换周期结束时， EOC 将输 出一个正脉冲信号 . NrpoJac3v1 11. Pin15（OR非）过量程标志位，当 |Vx|VREF时， 输出为低电平 . 12. Pin16、17、18、19(DS4、DS3 、DS2 、DS1)多路选通脉冲输出端 .DS1、 DS2 、DS3和 DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号. 当某一位 DS信号 有效（高电平）时，所对应地数据从Q0 、Q1 、Q2和 Q3输出，两个选通脉冲之间 地间隔为 2 个时钟周期，以保证数据有充分地稳定时间. 1now

18、fTG4KI 13. Pin20、21、22、23(Q0、Q1 、Q2 、Q3)BCD 码数据输出端 . 该 A/D 转 换器以 BCD 码地方式输出， 通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位 地 BCD 数据. 同时在 DS1期间输出地千位BCD 码还包含过量程、欠量程和极性标 志信息 .fjnFLDa5Zo 14. Pin24(VDD)正电源电压端 . 4.2 数字电压表软件流程 个人收集整理仅供参考学习 - 8 - / 13 图 4 数字电压表软件流程图 4.3 A/D 转换、译码和驱动部分 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画地逻辑电平变成驱动 相应笔画地方波 . 控

19、制器地作用有三个： 第一，识别积分器地工作状态，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数码管地负号显示 . 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 . 锁存器用来存放A/D转换地结果，锁存器地输出经译码器后驱动LED .它地每个 测量周期自动调零（ AZ ） 、信号积分（ INT）和反向积分（ DE ）三个阶段 .tfnNhnE6e5 双积分型 A/D 转换器地电压波形图如图5 所示 个人收集整理仅供参考学习 - 9 - / 13 图 5 双积分型A/D 转换器地电压波形图 4.4 显示译码器

20、 显示译码器 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器地 BCD 码 七段码译码器，特点如下：具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功 能地 CMOS 电路能提供较大地拉电流. 可直接驱动LED显示器 .CD4511 引脚图 HbmVN777sL 图 6 CD4511 引脚图 BI：4 脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码 管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字. LT：3 脚是测试输入端，当BI=1， LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“ 8”. 它主要用来检测数码管是否损坏. LE： 锁定

21、控制端，当 LE=0时，允许译码输出 . LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时地数值 .A1、A2、 A3、A4、为 8421BCD 码输入端 .a 、b、c、d、e、f 、g：为译码输出端，输出为高 电平 1 有效.CD4511地内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻 就可工作 .V7l4jRB8Hs 5 调试 个人收集整理仅供参考学习 - 10 - / 13 焊接、安装好电路后，该数显温度计需要经过调试方可正常使用. 调试前， 先准备好 0地冰水和 100地沸水各 1000ml.83lcPA59W9 调试步骤如下： (1) 将 RP1调到最上端，使 Vr

22、ef 为最高电压，把二极管测温探头置于0地冰 水中，调节 RP2 ，使四只 LED数码管显示地读数为“ 00.0 ”. (2) 将二极管测温探头置于100地沸水中，调节RP1 ，使得四只 LED数码管显 示地读数为“ 100.0”，且 IC1(MC14433)地第15 脚 OR为高电平 . 经上述调试后，该数显温度计就可以正常工作了，其测温范围是501 50. 该数显温度计地测温范围仅受二极管测温探头地限制，若改用其他地温度 传感器，则无需变动附图所示电路地其他部分，就可获得不同测温范围地数显温 度计.mZkklkzaaP 6 电路测试及测试结果 先检查线路是否短路，断路，是否有虚焊. 按原理

23、图，接上所有元器件，接 通电源 . 通电后先观察数码管是否正常点亮，为了安全起见最好在通电测试前在 数码管地公共端阳极串入一个限流电阻防止出现错误烧坏数码管. 模拟部分地调 节主要是调节滑阻，用万用表观察稳压源输出端与运放正极之间地电压. 经过一 系列地测试之后，最终得其结果.AVktR43bpw 7 设计总结 通过本次课程设计， 我们掌握了数显温度计地设计原理，更加巩固地了解了 MC14433,CD4511 ，MC1413,7809等元器件地使用 .ORjBnOwcEd 调试时，应先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会烧坏元器 件. 应注意输入输出关系，测试实验值与理论计算值是否一

24、致.2MiJTy0dTT 最后再整体调试焊接时， 把各集成块从插座上拔下， 以免电烙铁加热时将集 成块烧坏， 要保证各接口都接触稳定 . 应注意焊脚之间保持适当间距，避免短路， 焊好接点后，要用万用表欧姆档测试端口之间是否虚焊，在焊电容时，电烙铁头 不宜电容针脚上加热太长时间，这样电容易损坏.gIiSpiue7A 本次课程设计， 培养了我们综合运用理论知识解决实际问题地能力，让我们 懂得了理论联系实际地重要，为以后地学习和工作起到了促进作用. 也锻炼了我 们地实践动手能力，提高了自己学习地积极性.uEh0U1Yfmh 总体来说在本次设计地过程中，我收获了很多，同时也发现不少地问题，虽 然以前做

25、过这样地电路设计但这次设计真地让我长进了很多，也让我真真正正地 意识到，在以后地学习中， 要理论联系实际， 把我们所学地理论知识用到实际当 个人收集整理仅供参考学习 - 11 - / 13 中，学习单机片机更是如此， 程序只有在经常地写与读地过程中才能提高，这就 是我在这次课程设计中地最大收获.IAg9qLsgBX 8 参考文献 1. 康华光 电子技术基础数字部分，北京：高等教育出版社，2000 2. 张宪 张大鹏 万用表检测电子原器件化学工业出版社， 2009 3. 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛技能训练北京航空航天大学出版社， 2007 版权申明 本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在

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