数字温度计设计.doc

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1、课程设计(论文)题 目 名 称 数字温度计设计 课 程 名 称 电子技术课程设计 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 指 导 教 师 2012年12月13日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业学生姓名学 号题目名称数字温度计设计设计时间201212320121214课程名称 电子技术课程设计课程编号121202306设计地点电工电子实验室408、409一、课程设计（论文）目的电子技术课程设计是电气工程及自动化专业的一个重要的实践性教学环节，是对已学模拟电子技术、数字电子技术知识的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成，着重培养学生工程实践的动手能力、创新能力

2、和进行综合设计的能力，并要求能设计出完整的电路或产品，从而为以后从事电子电路设计、研制电子产品奠定坚实的基础。二、已知技术参数和条件用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，具体要求如下：1、温度范围0-150度。2、测量精度0.1度。3、四位LED数码管显示温度。三、 任务和要求1. 按学校规定的格式编写设计论文。2. 论文主要内容有：课题名称。设计任务和要求。方案选择与论证。方案的原理框图，系统电路图，以及运行说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。用proteus或其它仿真软件对设计电路仿真调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结

3、果分析。收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）胡宴如 主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2011年张克农 主编.数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2010年彭介华 主编.电子技术课程设计指导.高教出版社出版.第一版.2002年电子电工实验指导书电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：示波器型号规格VP-5220、电子学习机型号规格WL-V、万用表MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。五、进度安排2012年12

4、月3日4日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求2012年12月5日6日：总体方案设计，方案比较，选定方案；2012年12月7日11日：单元电路设计，参数计算，元器件选择，系统电路图，仿真调试改进； 2012年12月12日13日：整理撰写设计论文；2012年12月14日： 答辩六、教研室审批意见设计目的明确，要求合理，难度适中，符合课程设计教学要求。教研室主任（签字）： 2012年11月26日七|、主管教学主任意见符合课程设计要求 主管主任（签字）： 2012年11月26 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 学 号 系 电气工程系 专业班

5、级 题目名称 数字温度计设计 课程名称 电子技术课程设计 一、学生自我总结通过本次数字温度计设计使我更加扎实的掌握了有关电子技术方面的知识，每一步都有可能出现问题，我们所做的就是迎接问题，改正错误，使自己的作品更加完善。实践出真知，通过亲自动手制作，终于完成了这个艰巨的任务，这次课程设计使我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 学生签名： 年 月 日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明

6、书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘 要随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。 在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例。温度测量是温度控制的基础，技术已经

7、比较成熟。传统的测温元件有热电偶和二电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。我们用一种相对比较简单的方式来测量。本实验通过温度传感器将信号转换为模拟信号，将信号放大后送A/D转换器MC14433，然后由译码器CC4511译码后驱动LED显示，从而达到设计目的。关键字：数字控制、温度传感器、CC4511、LED目 录1 任务技术指标12 数字温度计设计思想22.1基本原理22.2 放大电路22.3 温度测量电路32.4 A/D转换电路32.5译码电路62.6基本框图73 具体设计83.1温度取样电路83.2线性放大电路83.3

8、稳压电路103.4显示电路10总 结12参考文献13附录141 任务技术指标主要内容：设计一个数字温度计，测量范围：0200 OC。温度的实时LED数字显示。测量温度信号为模拟量。基本要求：1.画出数字温度计的结构框图。2.画出系统原理图、印制版图与仿真图。3.计算所需器件数值，列写元器件清单4.进行调试操作5.按要求完成课程设计报告，打印报告2 数字温度计设计思想2.1基本原理温度的测量，在工业生产的过程和科研工作中都非常重要。数字式温度测量的特点是采用数码管直接显示出被测温度值，这种数字显示不仅直观，测量精度高而且便于进行自动控制。所以，数字温度计获得了广泛的应用。电路的功能和组成数字温度

9、计应具有下列基本功能：1.能把温度测量转换为成比例的模拟电信号（电流或电压等）。2.把模拟电信号变换成数字信号。3.最后通过数字电路（译码和显示）直接指示出温度值。为了实现上述功能，可以有多种不同的方法，设计时应根据不同的设计要求和具体情况进行选择。2.2 放大电路在该测量系统中，传感器的输出是放大器的信号源，然而改传感器的等效电阻不是常量。根据电压放大倍数的表达式：可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻RiRs，Ri愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外，放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。2.3 温度

10、测量电路目前广泛使用的温度传感器主要包括热电偶、热敏电阻、测温铂电阻、集成电路(IC)温度传感器、晶体管温度传感器等几种类型的传感器，这几类传感器又各有优缺点： 热电偶的灵敏度较低，但它能在很宽的温度范围内使用； 热敏电阻的工作温度范围较窄，但灵敏度高，有利于检测微小温差，但由于其输出的特性量是非线性的，在检测时要首先经过线性化变换，使用不方便； 廉价集成电路(IC)温度传感器的性能离散度较大，必须经过校准后才可用于高精度测量； 测温铂电阻温度系数的离散度很小，精确度较高，灵敏度也较好，特别适用于1 000以下温度的测量，但价格比较贵； 晶体管温度传感器则是利用半导体材料PN 结电流电压特性和

11、温度的相关性进行测温，它的最大优点是输出线性度好，测温精度也比较高，而且价格便宜，是比较有前途的一类温度传感器。基于以上考虑，本文介绍的电路就采用PNP 三极管作为温度传感器。2.4 A/D转换电路2.4.1 A/D转换器的分类常用的A/D转换器有双积分型、逐次比较型、并行比较型等。不同类型的ADC转换器在性能指标上也有很大差异。 2.1A/D转换器分类表 类型并行比较型逐次比较型积分型主要特点超高速速度、精度、价格等综合性价比高高精度、低成本、高抗干扰能力输出二进制数的位数6108161216转换时间/ms几十几十几百几十几百主要用途超高速视频处理数据采集工业控制数字仪表2.4.2 A/D转

12、换器的选用依据A/D转换器用于什么系统、输出的数据位数、系统的精度、线性。输入的模拟信号类型，包括模拟输入信号范围、信号的驱动能力、信号的变化快慢。对A/D转换器的转换时间、取样速率的要求等。后续电路对A/D转换器输出数字逻辑电平的要求、驱动电路等。成本及芯片来源等因素。2.4.3芯片MC14433本设计选用为积分式A/D转换器MC14433。MC14433是美国Motorola公司推出的单片位A/D转换器，它将模拟部分和数字部分的电路集成在同一芯片内，结果以BCD码形式输出。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。使用时仅需外接两

13、只电阻和两只电容，即可构成一个完整的A/D转换器。MC14433最主要的用途是作为数字电压表、数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统中的A/D转换借口。其主要功能特性如下： 精度：读数的0.05%1字。 模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档。 转换速率：225次/s。 输入阻抗：大于1000 M。 电源电压：4.88V。 功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）。MC14433的引脚图如图2.2所示:图2.2 MC14433的引脚图MC14433的引脚使用说明如下：1脚（VAG）：模拟地，为输入模拟电压和基准电压的公共地端。2脚（VREF）：基准电压，此引脚为外界基准电压的

14、输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正负极性的电压。3脚（VX）：被测量的输入端，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，满量程时VX = VREF。当满量程选为1.999V，VREF可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VREF取200.0mV。在实际的应用电路中，根据需要，VREF值可在200mV2.000V之间选取。46脚（R1，R1/C1，C1）：外接积分元件端。此三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1F聚酯薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66 kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470k，而满量

15、程为200mV时，R1取27k。7、8脚（C01、C02）:外接失调补偿电容端，电容一般选0.1F聚酯薄膜电容即可。9脚（DU）：更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向计分周期之前，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。10、11脚（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。12脚（VEE）：负

16、电源端。VEE是整个电路的电压最低点，一般VEE=-5V。13脚（VSS）：接地端，正负电源公共端。14脚（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。15脚（）：过量程标志位。当时，输出为低电平。16、17、18、19脚（DS4、DS3、DS2、DS1）：多路选通脉冲输出端。DS4、DS3、DS2、DS1分别对应于个位、十位、百位、千位选通信号。当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据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。20、21、22、23脚（Q0、Q1、Q2、Q3）：BCD码输出端。该A/D

17、转换器以BDC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BDC数据。采用字位动态扫描扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0Q3轮流输出，同时在DS1DS4端输出同步字位选通脉冲，可以很方便实现LED的动态显示。24脚（VDD）：正电源电压端。2.5译码电路CC4511是BCD7 段所存译码驱动器，在同一单片结构上由COS/MOS逻辑器件和n p n 双极型晶体管构成。这些器件的组合，使CC4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA 的性能。由此可直接驱动LED 及其它器件。2.5.1 芯片CC4511图2.3 CC4511引脚图引脚功能：A0

18、A3 二进制数据输入端 BI 输出消隐控制端 LE 数据锁定控制 LT 灯测试 VDD 正电源 Vss 地 Ya Yg 数据输出端2.6基本框图温度传感器精密放大器A/D转换器译码显示电路图2.4数字温度计框图3 具体设计本设计主要构成部分应该是由模拟传感器、线性放大电路、A/D转换分析、驱动电路及显示五部分组成。下面主要详细介绍各个电路的具体功能。3.1温度取样电路温敏三极管在温度发生变化时be结的温度系数为2mV/C，利用这个特性可以测出环境温度的变化。图3.1温度取样电路 由图可知，U0处即为-Ube和R2处的偏置电压之和。所以R2可作调零功能之用，使温敏三极管在0C时的U0为零，使显示

19、器的读数也为零。3.2线性放大电路三运放构成的精密放大电路电路图如图3.2所示：图3.2 三运放构成的精密放大电路根据运算电路的基本分析方法即 所以输出电压：则： 当时， 其中为可变电阻，可调整放大器放大倍数，以便调整150的满度数。3.3稳压电路该稳压电路可产生+5V电压。图3.3 直流稳压电源3.4显示电路为了节省资源，使用LED的动态显示方式。即将MC14433芯片设为选通工作方式，轮流依次点亮四个LED数码管，各个LED共用显示译码电路CC4511和并连在一起的总线（数码管ag，dp脚）。各个LED依次由MC1413驱动，分时点亮相关的LED。MC1413是显示驱动专用电路，在步进电机

20、驱动、发光LED显示等场合使用广泛，可以替代多组分离的三极管，线路简单，可靠性好。其内部有7个反相驱动单元，每个单元采用了达林顿管解构的驱动电路，起输出端均为集电极开路结构，每路输出可提供100mA的驱动电流。因为MC14133输出的位选通信号为高电平有效，经MC1413反相后，正好与4只共阴极的发光二极管显示器的千位、百位、十位及个位的接地端相连。MC14433A/D转换器的转换结果以BCD码的形式从Q0、Q1、Q2和Q3输出，分别与CC4511的数据输入端AD相连，CC4511的输出端接7个几百欧的限流电阻。当DS=1时，对应的显示位便显示出09的十进制数字。当输入电压过载时，=0，控制C

21、C4511的灭灯端，使显示灯熄灭。将个位数码管的小数点点亮，使其与实际测量温度量程一致。A/D转换电路和显示电路连接图如图3.4所示。其中VX端信号来自放大器电路的输出端信号。MC1403为输出可调的稳压源集成电路，调节输出电位器RP可以改变MC14433的基准电压VREF。当基准电压为2V时，满量程为1.999V。图3.4 A/D转换电路和显示电路连接图总 结通过此次课程设计，是我更加纯熟的掌握电子技术方面的知识。在此次课程设计中，我们一组三人按照老师的部署和安排，在课设过程中，互相帮助，相互团结，群策群力，一起为课设进程献计献策，尽可能高速，高效地完成此次课设任务。在课设过程中，我们不仅巩

22、固了平时所学习的电子技术方面的知识，而且通过不断查阅相关资料，学习新了的知识。可以说，通过这次课程设计，我们学到了很多，而且对电子技术方面的知识以及其在现实生活中的多方面应用有了更深层次的认识，这对于我们以后的学习和步入社会后参加工作都有很大的帮助。 通过此次课设，我们明白了很多，理论指导实践，但是理论也需要实践给予证明，不能盲目的相信书本，凡事都要通过自己的思考推敲，否则自己不会取的大的进步。而且在平时的学习生活中应该多和周围的同学相互学习，交流经验，遇到不会的东西时，切忌焦躁，首先要经过自己的独立思考，有了一定想法后，可以去查找相关的资料书刊或者找同学讨论，如果实在解释不了，再去找辅导老师

23、，在这个遇到问题解决问题的过程中，不断加强自我的动脑能力，进而去指导动手能力，也只有这样，在思路清晰，条理顺畅的时候，再去进行软件编写和硬件操作工作，才有可能起到事半功倍的效果。参考文献1钱培怡,杨柏林主编.电子电路实验与课程设计M.北京：地震出版社,2002.62陈大钦,罗杰主编.电子技术基础实验：电子电路实验、设计及现代EDA技术M.北京：高等教育出版社,2008.63陈明义主编.电子技术课程设计实用教程M.长沙：中南大学出版社,2010附录元器件清单列表编号名称规格大小数量芯片W7805、MC14433、MC1403、MC1413、CC4511各1片R、R1、R3、R6、Rf电阻1K共8片R5电阻100共7片R7、RC电阻470k各1片R2、R4、Rp微调电阻2K各1片C0、C1、C2、C4电容0.1uF共5片PNP温敏三极管1片DPY_7-SEG_DP147段式LED数码管LED共4片A1A4运算放大器共4片BRIDGE1电桥共1片14