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数电课设报告4路温度检测数字显示温度计.docx

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.30M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    绪言
    1.方案设计与论证
    2.电路设计与仿真
    2.1温度传感器
    2.2信号放大电路
    2.3滤波电路
    2.4 模数转换电路
    2.5译码与显示电路
    3.实物制作与测试结果
    4.前景展望
    5.心得体会
    6.参考文献
    7.附录
    摘要 本课程设计通过分立元器件，A/D 芯片，译码芯片等制作一个简易的温度检 测显示器，利用半导体二极管的温度特性来探测外界温度，经过模数转换等最终 显示到数码管。 关键词：温度检测 数字温度计 MC14433 A/D 转换 Abstract This curriculum design is designed by discrete components, A/D chip, decoding chip to produce a simple temperature detection display, to detect the ambient temperature using temperature characteristics of semiconductor diodes, etc. finally converted to digital tube display through ADC. Key words: temperature detection; digital thermometer; MC14433; A/D conversion
    绪言 .....................................................................................................................................................1 1.方案设计与论证 ............................................................................................................................. 2 2.电路设计与仿真 ............................................................................................................................. 3 2.1 温度传感器 .......................................................................................................................... 3 2.2 信号放大电路 ...................................................................................................................... 3 2.3 滤波电路 .............................................................................................................................. 4 2.4 模数转换电路 ..................................................................................................................... 4 2.5 译码与显示电路 .................................................................................................................. 6 3.实物制作与测试结果 ..................................................................................................................... 7 4.前景展望 ......................................................................................................................................... 8 5.心得体会 ......................................................................................................................................... 9 6.参考文献 ....................................................................................................................................... 10 7.附录 ................................................................................................................................................11
    《数字电路技术基础》课程设计说明书 绪言 温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一，无论是在生产实验场 所，还是在居住休闲场所，温度的采集或控制都十分频繁和重要，比如大棚温度 检测控制系统、浴室水温智能控制系统、汽车智能硬件温度检测系统等等，我们 每天使用的电脑，在工作过程中会产生很多热量，传递给自身的某些部件，若是 温度过高，很可能会造成损坏，因此，温度检测是一项很重要的工作。 随着数字化时代的到来，用传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量 时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们的要求。所以本次课程 设计从实际出发，运用所学专业知识，设计并制作了一个灵敏度高，测量范围广， 误差小，具有四路温度检测，数字显示的温度计。如今在我们生活中随处可见的 智能化产品中，都包含着模拟和数字电子电路的理论知识，因此学习和运用模数 电知识对本专业的同学来说显得尤为重要。 1
    《数字电路技术基础》课程设计说明书 1.方案设计与论证 方案一：采用单总线数字温度传感器 DS18B20 测量温度，直接输出数字信 号。便于单片机处理及控制，节省硬件电路。且该芯片的物理化学性很稳定，此 元件线形性能好，在 0—100 摄氏度时，最大线形偏差小于 1 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计 DS18B20 和微控制器 AT89C51 构成的温度装置，它直接输出温度的数字信号到微控制器。每只 DS18B20 具有一个独有的不可修改的 64 位序列号，根据序列号可访问不同的器件。这样 一条总线上可挂接多个 DS18B20 传感器，实现多点温度测量，轻松的组建传感 网络。 方案二：采用热敏电阻与基准电阻构成电桥电路。PT100 是铂热电阻，它的 阻值跟温度的变化成正比。PT100 的阻值与温度变化关系为：当 PT100 温度为 0℃ 时它的阻值为 100 欧姆，在 100℃时它的阻值约为 138.5 欧姆。它的工业原理： 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成 匀速增长的。所以在恒定电流的作用下，热敏电阻把温度变化转换成了电压变化 输出，再经过运算放大器放大和滤波，最后通过使用 ICL7107 集 A/D 转换和译码 器于一体的功能直接驱动数码管显示。 方案三：利用二极管的温度特性。半导体二极管的正向电压降取决于正向电 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℃。与其它温度传感器相 比，二极管的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。二极管探头将温度转 换成相应电压后，经过 A/D 转换器 TC14433，以扫描方式输出数据，再配合 MC1413 中的 4 个达林顿复合晶体管和 1 个 CD4511 译码器，就能驱动 4 只共阴极 LED 数 码管。 由于仿真软件 Multisim 资源条件的限制，在综合考虑了上述设计方案，电路 2
    《数字电路技术基础》课程设计说明书 设计可行性和其他一些实际因素之后，仿真设计时我选择了类似方案二的电路进 行模拟，在实物制作时选择了方案三，所以仿真和最终实物制作存在一些差别。 2.电路设计与仿真 2.1 温度传感器 惠斯登单臂电桥的原理是，四个电阻组成电桥的四个臂，平衡时，四个臂的 阻值满足一个简单的关系，当某个电阻阻值发生改变时，电桥的输出电压就会发 生变化，利用这一原理可以将温度变化转换成电压的变化，在 Multisim 中仿真时 采用电位器来模拟热敏电阻构成电桥电路。仿真电路如图 2.1 所示。 图 2.1 测温电桥 图 2.2 信号放大电路 2.2 信号放大电路 仪表放大器是由三个运算放大器组成的通用放大器，是一种高输入阻抗， 高共模抑制比，高增益的直接耦合放大器，具有差动输入，单端输出的形式，常 用于传感器输出信号的放大。仿真电路如图 2.2 所示。 在上图中，运放 U1A 和 U1B 组成的第一级对称放大器，而且均引入了电压 串联负反馈，所以输入阻抗很高，输出电阻很低。假设各运放是理想的，运用虚 短和虚断的概念，并利用叠加定理可得 3
    《数字电路技术基础》课程设计说明书 Uo1=(1+R2/R1)Ui1-(R2/R1)Ui2 Uo2=(R2/R1)Ui1+(1+R2/R1)Ui2 运放 U1C 组成第二级差动式放大器，将式①和式②代入差动放大器的输入 ① ② 和输出，可以得到输入与输出电压的关系为 Uo=R4/R3(1+2R2/R1)(Ui2-Ui1) 而电压的电压放大倍数为 Au=R4/R3(1+2R2/R1)，当改变 R1 时，即可以改变 ③ 放大电压的放大倍数。 当输入信号为共模信号时，即 Ui2=Ui1=Uic 时，由式③可得出输出电压 Uo=0. 可见路能够放大差模信号和抑制信号。所以当输入中含有共模信号时，将会被抑 制。 2.3 滤波电路 滤波电路在本系统中主要用于去掉 50Hz 信号和其他随机噪声的干扰，在对 测量信号进行 A/D 转换和显示之前对放大信号进行滤波，得到一较为稳定的输出 信号。从滤波效果好和电路尽可能简单的角度考虑，如图 2.3 所示，该滤波电路 采用二阶有源低通滤波电路。 图 2.3 二阶有源低通滤波电路 图2.4.1 模数转换仿真电路 2.4 模数转换电路 ICL7107 是双积分型的 A/D 转换器，还集成了 A/D 转换器的模拟部分电路， 如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部 4
    《数字电路技术基础》课程设计说明书 分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需 外接少量的电阻、电容元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换， ICL7107 的一个周期为用 4000 个计数脉冲时间作为 A/D 转换的一个周期时间，每 个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DE）3 个阶段。内部 逻辑控制电路不断地重复产生 AZ、INT、DE 这 3 个阶段的控制信号，适时地指挥 计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。而输入模 拟量的数值在其内部数值上等于计数数值 T，即：VIN 的数值=T 的数值， Vin=Vref(T/1000)式中：1000 为积分时间（1000 个脉冲周期）；T 为反积分时间 （满度时为 2000）。在用 Multisim 进行仿真时找不到该芯片，只能用 16 位输出 的 ADC 芯片代替，仿真电路如图 2.4.1 所示。 MC14433 是单片 CMOS 三位半双积分型 A/D 转换器，该 A/D 转换器的转换 精度高达±0.05%±1 字；转换速率为 2－25 次／秒；输入阻抗大于 1000M 欧； 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，经译码后实际 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 与其准电压 Vin 与 基准电压 Vref 成下列比例关系：输出读数＝Vin／Vref×199.9。MC14433 管脚图 如图 2.4.2 所示，实物电路设计图如图 2.4.3 所示。 图 2.4.2 MC14433 芯片管脚图 图 2.4.3 模数转换电路实物设计电路 5
    《数字电路技术基础》课程设计说明书 2.5 译码与显示电路 CD4511 是用于将二-五-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译 码器，它由 4 位锁存器，7 段译码电路和驱动器三部分组成。CD4511 管脚图如 图 2.5.1 所示。在 Multisim 中仿真时由于 ADC16 芯片是 16 位并行输出，所以直 接用四片 CD4511 译码芯片进行译码并驱动数码管，仿真电路如图 2.5.2 所示。 图 2.5.1 CD4511 芯片管脚图 图2.5.2 译码显示仿真电路 MC1413 采用 NPN 达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很 高的输入阻抗，可直接接受 MOS 或 CMOS 集成电路的输出信号，并把电压信号 转换成足够大的电流信号驱动各种负载．该电路内含有 7 个集电极开路反相器(也 称 OC0 门)。MC1413 电路结构和引脚如图 2.5.3 所示，它采用 16 引脚的双列直 插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。 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只接“b、c”两段。4 个 LED 数码管 的公共阴级分别由 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“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”，MC1413 的 16 脚为高电平，显示负号的“g 段”被点亮；当输入正电压时（对应温度为 0℃ 以上），Q2＝“1”，MC1413 的 16 脚为低电平，使显示负号的“g 段”熄灭。 6
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