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数字式温度采集系统设计 周恒辉

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2

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《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

1 设计目的
a)培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力.
b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法,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的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
c）进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，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.
d）培养学生的创新能力。
2 设计要求
a) 能够实现坏境温度的检测及转换，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) 安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕后,应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；
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，内容完整的设计报告;
3 总体设计
环境温度是影响工农业生产的重要因素。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。
检测电路
信号原理
A/D

转换
译码
器
驱动
LED显示

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/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
3.2电路组成图及工作原理
图2总电路图
3.2。1测温探头的工作原理
如图所示的电路中，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；R1～R3、VD3、V1构成恒流源电路，给测温探头提供恒定的正向电流。
大家知道，半导体二极管的正向压降决定于正向电流的大小和温度，当正向电流一定时，正向压降随温度的升高而下降.对于普通的硅二极管1N4148而言，具有约－2.1mV/℃的温度系数，当两个1N4148串接时，总的正向压降与温度的关系约为－4。2mV/℃。理论和实践都已证明，在－50℃~＋150℃的范围内,二极管的测温精度可达±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、简便的特点，而且当二极管的正向电流和温度一定的情况下，其正向压降是非常稳定的。通过计算可以知道,恒流源提供给VD1、VD2的恒定电流约为0.5mA。二极管VD3起温度补偿作用，保证恒流源能提供稳定的电流。
3。2.2测温显示原理
测量探头把待测温度转换为相应的电压后，因为要实现温度的数字显示，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2~25次/秒;输入阻抗大于1000MΩ；外围元件少，电路结构简单；量程为1。999V和199.9mV两档;输出8421BCD代码，经译码后实现LED动态扫描显示。MC14433的第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脚为模拟地，此端为高阻输入端,是被测电压和基准电压的地；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数码管的十位数时)：
输出读数=Vin/Vref ×199。9
在图中，IC2(译码器MC14511)把IC1(MC14433）输出的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，其中千位数的数码管(最左边一个LED数码管）只接b、c两段。4只LED数码管的公共阴极分别由IC3(MC1413)中的4个达林顿复合晶体管驱动.负号由千位数的LED数码管之“g段"来显示，显示负号的“g段"由MC14433的Q2控制，当输入负电压时（对应温度为0℃以下）,Q2=“0"，显示负号的“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MC1413的另一个达林顿复合晶体管把流过R15的电流旁路到地,使显示负号的“g段”熄灭。小数点固定在十位数的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和RP2,其中RP1用于调节沸点（100℃）；RP2用于调节冰点(0℃）。整个电路的直流电源由IC4(LM7809）提供,直流电源电压为＋9V。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途
3.3各框图的功能和实现该功能的可选电路及特点
1） 检测电路：转化元件输出的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的电信号。
2）信号调理:简单的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的标准信号.是指利用内部的电路（如滤波器、转换器、放大器等…）来改变输入的讯号类型并输出之。
3)双积分D/A转换电路：能将模拟量转换成数字量的电子电路,简称ADC或A/D。模数转换器是利用数字系统分析、处理。
4)基准电压：高精度的基准在电源接通后，芯片达到热稳定之前可能需要一个额外的热稳定周期并且使得受热所引起的失调达到它们的最终稳定值
5)显示译码器：主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。
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。
3.4 电路制作所需的工具
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
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Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器,其中集成了双积分式A/D转换器所有的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，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
1。精度：读数的±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1000MΩ
　　5.输入阻抗：大于1000MΩ
　　6。功耗:8mW(±5V电源电压时,典型值）
　　7.功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值）
MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

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的接入地。
[2］. Pin2（VR）—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR),就能够复为至转换周期的起始点。
[3]. Pin3(Vx)—被测电压的输入端,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：

因此,满量程的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，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV—2.000V之间选取.
［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470kΩ，而满量程为200mV时，R1取27kΩ.
［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.
[6]。 Pin9(DU）—更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。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，该转换周期所得到的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的数据。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引脚直接短接即可.
[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的场合，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300kΩ即可。
［8]。 Pin12（VEE—负电源端。VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA,驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。
［9］。 Pin13（Vss）—数字电路的负电源引脚.Vss工作电压范围为VDD—5V≥Vss≥VEE。除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。
［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。
[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，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。
［13]。 Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3)—BCD码数据输出端。该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息.
[14］. Pin24（VDD)—正电源电压端。
4。2 数字电压表软件流程

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5所示

图 5双积分型A/D转换器的电压波形图
4.4显示译码器
显示译码器CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管)显示器的 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的CMOS电路能提供较大的拉电流.可直接驱动LED显示器。CD4511引脚图

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时的数值.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的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
5 调试
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℃的冰水和100℃的沸水各1000ml.
调试步骤如下：
(1） 将RP1调到最上端,使Vref为最高电压，把二极管测温探头置于0℃的冰水中，调节RP2,使四只LED数码管显示的读数为“00。0"。
（2） 将二极管测温探头置于100℃的沸水中,调节RP1，使得四只LED数码管显示的读数为“100。0”,且IC1(MC14433）的第｛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－50～＋150℃。该数显温度计的测温范围仅受二极管测温探头的限制,若改用其他的温度传感器，则无需变动附图所示电路的其他部分，就可获得不同测温范围的数显温度计.
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的公共端阳极串入一个限流电阻防止出现错误烧坏数码管.模拟部分的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的电压.经过一系列的测试之后,最终得其结果。
7 设计总结
通过本次课程设计，我们掌握了数显温度计的设计原理，更加巩固地了解了MC14433，CD4511，MC1413,7809等元器件的使用。
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致.
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。
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的能力,让我们懂得了理论联系实际的重要，为以后的学习和工作起到了促进作用。也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的积极性。
总体来说在本次设计的过程中，我收获了很多，同时也发现不少的问题，虽然以前做过这样的电路设计但这次设计真的让我长进了很多,也让我真真正正的意识到,在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。

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

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