課程設(shè)計(jì)(論文)題 目 名 稱 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 課 程 名 稱 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 涂海彬 學(xué) 號(hào) 1141201072 系 、專 業(yè) 電氣工程系 電氣工程及其自自化 指 導(dǎo) 教 師 李海娜 2013 年 12 月 5 日邵陽學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書年級(jí)專業(yè)11級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名涂海彬?qū)W 號(hào)1141201072題目名稱數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2013.11.252013.12.6課程名稱 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程編號(hào)121202306設(shè)計(jì)地點(diǎn)電工電子實(shí)驗(yàn)室408、409一、課程設(shè)計(jì)（論文）目的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)已學(xué)模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)知識(shí)的綜合性訓(xùn)練，這種訓(xùn)練是通過學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行某一課題的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試來完成，著重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的能力，并要求能設(shè)計(jì)出完整的電路或產(chǎn)品，從而為以后從事電子電路設(shè)計(jì)、研制電子產(chǎn)品奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、已知技術(shù)參數(shù)和條件用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)并制作一數(shù)字式溫度計(jì)，具體要求如下：1、溫度范圍0-150度。2、測(cè)量精度0.1度。3、四位LED數(shù)碼管顯示溫度。三、 任務(wù)和要求1. 按學(xué)校規(guī)定的格式編寫設(shè)計(jì)論文。2. 論文主要內(nèi)容有：課題名稱。設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。方案選擇與論證。方案的原理框圖，系統(tǒng)電路圖，以及運(yùn)行說明；單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算說明；元器件選擇和電路參數(shù)計(jì)算的說明等。必須用proteus或其它仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路仿真調(diào)試。對(duì)調(diào)試中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并說明解決的措施；測(cè)試、記錄、整理與結(jié)果分析。收獲體會(huì)、存在問題和進(jìn)一步的改進(jìn)意見等。四、參考資料和現(xiàn)有基礎(chǔ)條件（包括實(shí)驗(yàn)室、主要儀器設(shè)備等）胡宴如 主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.2011年張克農(nóng) 主編.數(shù)字電子技術(shù). 高教出版社出版.第一版.2010年彭介華 主編.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).高教出版社出版.第一版.2002年電子電工實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書電子電工實(shí)驗(yàn)室可以提供的主要儀器設(shè)備：示波器型號(hào)規(guī)格VP-5220、電子學(xué)習(xí)機(jī)型號(hào)規(guī)格WL-V、萬用表MF10；以及分立元件、或中規(guī)模集成芯片。五、進(jìn)度安排2013年11月25-26日：收集和課程設(shè)計(jì)有關(guān)的資料，熟悉課題任務(wù)何要求2013年11月27-28日：總體方案設(shè)計(jì)，方案比較，選定方案；2013年11月29-12月3日：?jiǎn)卧娐吩O(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算，元器件選擇，系統(tǒng)電路圖，仿真調(diào)試改進(jìn)； 2013年12月4-5日：整理撰寫設(shè)計(jì)論文；2013年12月6日：答辯六、教研室審批意見設(shè)計(jì)目的明確，要求合理，難度適中，符合課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求。教研室主任（簽字）： 2013年11月20日七|、主管教學(xué)主任意見符合課程設(shè)計(jì)要求 主管主任（簽字）： 2013年11月20日八、備注指導(dǎo)教師（簽字）： 學(xué)生（簽字）：邵陽學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱表學(xué)生姓名 涂海彬 學(xué) 號(hào) 1141201072 系 電氣工程系 專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 題目名稱 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 課程名稱 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 一、學(xué)生自我總結(jié)通過課程設(shè)計(jì)，使得我對(duì)模電和數(shù)電的一些相關(guān)知識(shí)掌握得更好一些，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的興趣，認(rèn)識(shí)到模擬數(shù)字電子技術(shù)在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用，也認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)精神的重要性。 學(xué)生簽名： 2013年 12月 5 日二、指導(dǎo)教師評(píng)定評(píng)分項(xiàng)目平時(shí)成績(jī)論文答辯綜合成績(jī)權(quán) 重304030單項(xiàng)成績(jī)指導(dǎo)教師評(píng)語：指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日注：1、本表是學(xué)生課程設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定的依據(jù)，裝訂在設(shè)計(jì)說明書（或論文）的“任務(wù)書”頁后面；2、表中的“評(píng)分項(xiàng)目”及“權(quán)重”根據(jù)各系的考核細(xì)則和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)確定。摘要數(shù)字溫度計(jì)與傳統(tǒng)溫度計(jì)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、測(cè)量范圍廣、體積小、功耗低、顯示直觀等特點(diǎn)。通過本次設(shè)計(jì)能夠更加了解數(shù)字溫度計(jì)工作原理和熟悉單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，鞏固所學(xué)的知識(shí)，為以后工作與學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)字溫度計(jì)主要運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，如電力、化工、機(jī)械制造、糧食存儲(chǔ)等領(lǐng)域。溫度是表征其對(duì)象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)之一。比如：發(fā)電廠鍋爐溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)，許多化學(xué)反應(yīng)必須在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍苓M(jìn)行。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設(shè)備就不能正常工作。因此，溫度的測(cè)量和控制是非常重要的。通過對(duì)目前各種溫度傳感器的分析與研究，對(duì)溫度傳感器做出合理選擇，并根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的主芯片和LED顯示器，達(dá)到優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高溫度檢測(cè)精度，同時(shí)使系統(tǒng)具有測(cè)溫范圍廣、體積小、功耗低、精度高、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，并保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。關(guān)鍵字：數(shù)字溫度計(jì)；LED顯示；精度。目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求.1.1 設(shè)計(jì)要求.41.2 原理框圖.41.3 主要參考原件.42方案設(shè)計(jì)與論證.43 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算.53.1 傳感器部分.53.2 放大系統(tǒng).53.3 數(shù)字顯示部分設(shè)計(jì).104總原理圖及原件清單.5安裝與調(diào)試.6性能測(cè)試與分析.7結(jié)論與心得.參考文獻(xiàn).1、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1、設(shè)計(jì)要求溫度計(jì)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中最常用的測(cè)量?jī)x表。本課題要求用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)并制作一數(shù)字式溫度計(jì)，即用數(shù)字顯示被測(cè)溫度。具體要求如下：1）測(cè)量范圍0150度。2）測(cè)量精度0.1度。3）4位LED數(shù)碼管顯示。1.2、原理框圖 圖1-2 原理框圖1.3、主要參考元器件硅熱敏晶體管，LM324，CC7107，電阻及電容若干。2、方案設(shè)計(jì)與論證由設(shè)計(jì)和任務(wù)要求可知道，本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要分為四個(gè)部分，即傳感器、放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及顯示部分。經(jīng)過分析，傳感器可以選擇對(duì)溫度比較敏感的器件，做好是在某參數(shù)與溫度成線性關(guān)系，比如硅熱敏晶體管、熱敏電阻等；放大系統(tǒng)可以由集成運(yùn)放組成：A/D轉(zhuǎn)換器需要選擇有LED驅(qū)動(dòng)顯示功能的，而可供選擇的參考元件有CC7107，CC7117，MC14433等；顯示部分用4位LED數(shù)碼管顯示。方案一：用一個(gè)熱敏電阻,通過熱敏電阻把溫度轉(zhuǎn)化為電壓,再得到每一度熱敏電阻的電壓變化值,用LM324運(yùn)放做成乘法器,使電壓乘以一個(gè)比例系數(shù),使一度的變化得到一個(gè)整數(shù)變化的電壓值,然后送入MC14433A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示.。方案二：用硅熱敏晶體管做傳感器把溫度轉(zhuǎn)化為電壓，在把每一度的電壓變化值通過LM324集成運(yùn)放進(jìn)行放大，使其放大的信號(hào)應(yīng)能滿足CC7107數(shù)模轉(zhuǎn)換的要求，進(jìn)行數(shù)字顯示由于MC14433模數(shù)轉(zhuǎn)換器的顯示部分需要驅(qū)動(dòng)器CD4511，基準(zhǔn)電壓又需要一個(gè)MC1403，也就是需要外接的電路和元件相對(duì)復(fù)雜和麻煩。而321位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器CC7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內(nèi)已經(jīng)集成了模擬電路部分和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就成了模擬電路和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。3、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1、傳感器部分熱敏晶體管，在溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏晶體管的b-e結(jié)正向的溫度系數(shù)為-2mV/，即溫度每升高1，b-e結(jié)電壓降低2mv,利用這個(gè)特性可以測(cè)量溫度。設(shè)置電路圖如圖2所示，采用9V的電源供電，be間的電壓全部反饋的輸入到同相輸入端，運(yùn)放引入了電壓負(fù)反饋，在理想運(yùn)放的條件下，輸出電阻為零，所以可以認(rèn)為電路的輸出Vo為恒壓源。 圖3-1 傳感圖3.2、放大系統(tǒng)放大系統(tǒng)是把溫度傳感器輸出的弱信號(hào)放大，將每一攝氏度對(duì)應(yīng)的電壓以整數(shù)輸出，可以利用集成運(yùn)放lm324組成一個(gè)同相比例放大電路，由于溫度傳感器輸出的電壓與溫度的線性關(guān)系為-2mV/，即溫度每升高1電壓降低2mV,因此可以使得電壓通過同相比例運(yùn)算電路放大5倍，即1對(duì)應(yīng)電壓為10mV。通用型低功耗集成四運(yùn)放LM324，內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立的高增益、頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，既可接單電源使用(330V)，也可接雙電源使用(1.515V)，驅(qū)動(dòng)功耗低，可與TTL邏輯電路相容。 圖3-2 管腳連接圖3.3、A/D轉(zhuǎn)換器1）凋零電路 圖3-3 凋零電路當(dāng)硅熱敏晶體管置于0攝氏度的溫度下時(shí)由于B-E管壓降可能使得A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字顯示不為零，因此要設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)零電路。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)電橋電路，通過調(diào)節(jié)可變電阻可以使得電橋平衡，即輸出為零。電路圖如圖5所示。2）模數(shù)轉(zhuǎn)換部分321位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器CC7107的引腳圖和管教圖以及功能簡(jiǎn)介321位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器CC7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，其片內(nèi)已經(jīng)集成了模擬電路部分和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就成了模擬電路和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。CC7107內(nèi)部電路含有模擬電路和數(shù)字電路兩大部分。 圖3-4 引腳接線1端：U+=5V，電源正端。26端：U-=5V，電19端：ab4，千位數(shù)筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，由于213位的計(jì)數(shù)滿量程顯示為“1999”，所以ab4輸出端應(yīng)接千位數(shù)顯示器顯示“1”字的b和c筆段。20端：POL，極性顯示端（負(fù)顯示），與千位數(shù)顯示器的g筆段相連接（或另行設(shè)置的負(fù)極性筆段）。當(dāng)輸入信號(hào)的電壓極性為負(fù)時(shí)，負(fù)號(hào)顯示，如“-19.99”；當(dāng)輸入信號(hào)的電壓極性為正時(shí)，極性負(fù)號(hào)不顯示如“19.99”。21端：BP，液晶顯示器背電極，與正負(fù)電源的公共地端相連接。27端：INT，積分器輸出端，外接積分電容C（一般取C=0.22Fm）。28端：BUFF，輸入緩沖放大器的輸出端，外接積分電阻R（一般取R=47Wk）。29端：AZ，積分器和比較器的反相輸入端，接自校零電容AZC（取AZC=0.47F）。30、31端：INLO、INHI，輸入電壓低、高端。由于兩端與高阻抗CMOS運(yùn)算放大器相連接，可以忽略輸入信號(hào)的注入電流，輸入信號(hào)應(yīng)經(jīng)過1MW電阻和0.01F電容組成的濾波電路輸入，以濾除干擾信號(hào)。28端：個(gè)位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與個(gè)位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。914、25端：十位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與十位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。1518、2224端：百位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動(dòng)輸出端，各筆段輸出端分別與百位數(shù)顯示器對(duì)應(yīng)的筆段ag相連接。32端：COM，模擬公共電壓設(shè)置端，一般與輸入信號(hào)的負(fù)端，負(fù)基準(zhǔn)電壓端相接。33、34端：REFC、REFC基準(zhǔn)電容負(fù)壓、正壓端，它被充電的電壓在反相積分時(shí)，成為基準(zhǔn)電壓，通常取REFC=0.1Fm。35、36端：REFLO、REFHI，外接基準(zhǔn)電壓低、高位端，由電源電壓分壓得到。37端：TEST，數(shù)字地設(shè)置端及測(cè)試端，經(jīng)過芯片內(nèi)部的500電阻與GND相連。38、39、40端：31OSC，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的振蕩器的引出端，外接R1、C1元件。振蕩器主振頻率OSCf與R1C1的關(guān)系。根據(jù)CC7107的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，可以分析A/D轉(zhuǎn)換的工作過程。設(shè)其轉(zhuǎn)換過程分三個(gè)階段，即采樣階段、積分階段和休止階段，各階段的工作過程如下：a.采樣階段在邏輯控制電路的作用下，設(shè)新的采樣階段開始，設(shè)開關(guān)SIN閉合，Saz1短開，被測(cè)信號(hào)Ux從IN+端輸入，經(jīng)緩沖器進(jìn)行定時(shí)積分，設(shè)積分時(shí)間（或稱采樣時(shí)間）定為1000個(gè)時(shí)鐘脈沖。當(dāng)N1=1000時(shí)定時(shí)積分階段或稱采樣階段結(jié)束。b.積分階段積分階段是指積分器時(shí)基準(zhǔn)電壓UREF進(jìn)行定值積分。由于在休止階段基準(zhǔn)電容CREF已被充電(UREF=|UREF|),所以積分階段一開始，對(duì)輸入電壓作極性判別后，基準(zhǔn)電容有開關(guān)S+和S-接入緩沖放大器，使積分器進(jìn)行反向定值積分，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。可求出定值積分階段內(nèi)，積分器的輸出電壓與計(jì)數(shù)脈沖N2的關(guān)系。當(dāng)積分器的輸出電壓Uo回到初使?fàn)顟B(tài)時(shí)，定值積分階段結(jié)束，設(shè)計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)N2=02000。c.休止階段休止階段的任務(wù)是使信號(hào)輸入端IN+與公共模擬端COM短接，積分器和比較器的輸出為零，基準(zhǔn)電壓對(duì)基準(zhǔn)電容充電，這些都是通過控制開關(guān)SAZ1、SIN、S+、S-等完成的。設(shè)完成該階段的工作所需要的時(shí)間為10003000個(gè)時(shí)鐘脈沖三個(gè)階段的工作波形。ICL7107一次A/D轉(zhuǎn)換經(jīng)過三個(gè)階段所需時(shí)鐘脈沖數(shù)為N，則一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間為T=N/fcp=4N/fosc。3.4、數(shù)字顯示部分的設(shè)計(jì)因?yàn)樾酒珻C7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，適合于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，并且CC7107芯片內(nèi)部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，所以顯示方式采用共陽極數(shù)碼管LED顯示，引腳圖見圖9。CC7107沒有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用時(shí)可將共陽級(jí)數(shù)碼管的公共陽極接V+，小數(shù)點(diǎn)接GND時(shí)點(diǎn)亮，接V+時(shí)熄滅。4、總原理圖及元器件清單1） 元件清單5、安裝與調(diào)試把各設(shè)計(jì)部分進(jìn)行安裝連接溫度數(shù)字顯計(jì)安裝和調(diào)試，調(diào)節(jié)調(diào)零電路使熱敏晶體管在0C的環(huán)境中溫度計(jì)輸出為零，也就是顯示器的讀數(shù)顯示為零。溫度計(jì)滿度讀數(shù)為149.9(1500C)，調(diào)節(jié)時(shí)，熱敏晶體管放置在150C的環(huán)境中，由于熱敏晶體管的溫度系數(shù)為-2mV/C，所以在150C的環(huán)境下，熱敏晶體管的be結(jié)壓降增量為-4000mV，根據(jù)式（1）可知，調(diào)節(jié)參考電壓，使UREF=-4000mV時(shí)，輸出讀數(shù)為149.9（即150C），這樣，就使數(shù)字溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)0150C的測(cè)量，其精度為0.1C。一般般系統(tǒng)只要把0和滿標(biāo)度兩點(diǎn)調(diào)好，輸出讀數(shù)與溫度成對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出讀數(shù)與UREF和Uin之間仍保持式(1)的關(guān)系。小數(shù)點(diǎn)取第二個(gè)數(shù)碼管的D.P.段顯示。調(diào)試0C時(shí)，應(yīng)使顯示器的顯示為“0000”；調(diào)試100C時(shí)，應(yīng)時(shí)顯示器顯示為“100.0”。6、性能測(cè)試與分析對(duì)各個(gè)可以仿真的電路圖在EWB軟件上進(jìn)行必要的仿真和調(diào)試，對(duì)一些電阻和電容的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模旧夏軌驅(qū)崿F(xiàn)理論上的實(shí)踐。有些理論可能不是很完善，但基本上符合一些要求。7、結(jié)論與心得剛動(dòng)手做本課題的設(shè)計(jì)性試驗(yàn)的時(shí)候，感覺難度挺大的，主要是對(duì)一些器件的功能比較陌生以及對(duì)一些參數(shù)的設(shè)定比較困難，而且網(wǎng)上和圖書館的關(guān)于器件介紹的資料和書籍也相對(duì)的少，我通過網(wǎng)上資料的搜索和參考文獻(xiàn)的參考了解以及和同組同學(xué)的互相討論和求證，在老師的一定指導(dǎo)下終于對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)框圖有較清晰的脈路，對(duì)于其中一些部分的電路也進(jìn)行了仿真測(cè)試，但總的仿真圖沒有做出來，主要是對(duì)于EWB上缺少相關(guān)的器件，而Proteus軟件也不會(huì)用，這也讓我認(rèn)識(shí)到一些仿真軟件對(duì)我們做課程設(shè)計(jì)的應(yīng)用的重要性。通過課程設(shè)計(jì)，使得我對(duì)模電和數(shù)電的一些相關(guān)知識(shí)掌握得更好一些，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的興趣，認(rèn)識(shí)到模擬數(shù)字電子技術(shù)在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用，也認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)精神的重要性。參考文獻(xiàn)1模擬數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，童詩白，華成英主編，高等教育出版社，2006年。2電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分），康華光主編，高等教育出版社，2006年。3新型實(shí)用電子電路400例伊兵等主編，電子工業(yè)出版社，1999年。4電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)高吉祥主編，電子工業(yè)出版社，2005年。5通用電子電路應(yīng)用400例何希才等主編，電子工業(yè)出版社，1999年。19