数字显示仪表课程设计

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 数字显示仪表课程设计 题 目 数字压力显示仪表的制作 院 系 电气信息工程学院 专业班级 自动化0X-X班 学生姓名 888 学生学号 888888888888 指导教师 姜寅令 李艳辉 2010年 7月30 日东北石油大学课程设计任务书课程 数字显示仪表课程设计 题目 数字压力显示仪表的制作 专业 自动化 姓名 888 学号 888888888888 主要内容：在面包板上安装一台单片A/D转换器7107或7106组成的02V通用表头。配接压力传感器（应变片式、扩散硅式或其它类型压力传感器），制成数字压力显示仪表。基本要求：（1）根据实验室所提供的元件、材料，设计并描绘电路接线图。最后在面包板上接插显示仪表的电路。（2）由于元件、材料要反复使用，在接插过程中要小心，不要故意破坏元件。（3）在整个课程设计中，要学会实验室基本仪器、工具有使用方法。（4）各小组配备的万用表、工具精心使用，如有故意损坏、丢失、要按价赔偿。参考资料：1 张天春.数字显示仪表课程设计指导书M.大庆石油学院自编教材,20082 沙占有.数字化测量技术与应用M.机械工业出版社,2004.3 井口征士.传感工程M.科学出版社,2005.4 刘长松.控制系统技术M.哈尔滨工业大学出版社,2007.5 常健生.检测与转换技术M.吉林工业大学出版社,2006.完成期限 2010.7.192010.7.30 指导教师 专业负责人 2010年 7 月 12日目 录第1章 数字仪表工作原理11.1 数字仪表的发展与应用11.2 数字仪表的特点11.3 压力传感器的工作原理2第2章 数显仪表的设计方案42.1 MC140342.2 ICL7107双积分AD转换器42.3 LM32462.4 LED显示器7第3章 数显仪表的安装93.1数显部分的安装9第四章 结论与体会10参考文献11第1章 数字仪表工作原理1.1 数字仪表的发展与应用20世纪50年代初，世界上出现了世界上出现了第一台数字显示仪表。近五十年来随着科学技术的讯猛发展，尤其是数字化测量技术、半导体技术、大规模的集成电路技术及计算机技术在仪表中的应用，仪表的应用范围扩展到一切测量领域。数显表现在在各行各业的应用越来越广泛，但对其定义一般都比较模糊。 数显仪表定义：数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场合下已经代替了指针式仪表。从我们家中的电子钟表到工厂用的显示数据牌，无论是对时间的把握还是对产量的控制都提供了精准的数字显示，用数字量替换了模拟量。到目前为止数显表的概念还没有统一的说法，但对其认识却大都相同，顾名思义它应该是数字或字母显示的仪表。从广义上讲，街头随处可见的大屏幕数字交通信号灯计时牌，车站的车次牌、工厂数控显示表等都算是数显表的范畴，目前的数显表一般都与电脑、PLC等设备相互连接使用。它的应用非常广泛，大到卫星监控数据、小至手腕上的电子手表，可以说在现代社会里，它的身影无处不在，其结构并不是很统一，随着需要它的形状大小也会跟着变化，一般为长方形的表头配一个表身。数显表的数字显示一般采用LED发光管或者是液晶屏幕这两种来完成。工业、交通等一般都是采用LED发光管的数显表，因为LED光源比较亮，有多种颜色，尤其是红色，非常适合辨别。液晶显示通常用于家用钟表，因其自身不发光，所以比较省电。随着数字技术和微电脑技术的不断发展，数显表、以单片机为核心的新型显示与记录仪表越来越广泛地应用到工业自动化和工控领域中。数显表与指针表一样，与各种传感器、变送器相配，对电量、压力、物位、液位、流量、温度等进行测量，并直接以数字形式显示被测结果。1.2 数字仪表的特点 （1）数字显示，读数不存在视觉误差。 （2）精确度一般较高，数字电工仪表由于没有机电类仪表的可动部分，所以机械摩檫，变形的影响极小，只要元器件的质量、性能上没问题，数字仪表是比较容易制成很高精准度的仪表，一般机电类仪表精准度达0.1%已很不容易，而数字仪表可轻易达到0.05%，目前有些数字仪表以达到0.01%的精确度。 （3）灵敏度高。由于有些数字仪表内多设有各种放大线路或器件，所以可测量较小的信号，如1v左右的电压信号，1mA左右的电流信号号、0.01Hz的频率信号。（4)输入阻抗高，数字仪表一般本身有工作电源，除测量电流外，一般阻抗都可以制得较高，使在测量时对被测物理量影响很小。 （5）使用方便。特别是实验室用便携式、台式仪表，可制成多量程（目前有-1999-9999 显示量程的KM表系），多功能仪表（可测量电流电压频率功率线速转速）。 （6）抗干扰性能教差，由于数字仪表灵敏度高，其副作用就是抗干扰性能差，外磁场和电场等变化容易引起读书变化，为了解决这一现象；深圳科立恒公司，在技术方面投入巨资，应用先进的表面贴装工艺和电磁隔离技术，弧型设计面板确保仪表的长期稳定。 （7）数字仪表的精确度，表示方法不同于指针式仪表，数字仪表一般多以上量限或读数值为基准值的百分数再加上几个数字来表示该表的精确度，比如KM系列数显仪表，系统精度0.1%(直流)，0.2%（交流）满刻度1字。一般多功能，多量程的数字多用表的各功能、量程档位不同时，精确度也不一样。所以在选择和使用数字仪表时应引注意。 1.3 压力传感器的工作原理图1-2为其传感器部分的结构。如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。图1-2 压力传感器基本构造如图1-2所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。，受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。由于各压电电阻如那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压V，当压力为零时的V等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V，实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。压力为零时，R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作R；相应R3、R4电阻的变化部分记作-R，于是V=RI 。这个V相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。压力传感器的工作原理是当压敏电阻受压后产生电阻变化，通过放大器放大并采用标准压力标定，即可进行压力检测。压力传感器的性能主要取决于压敏元件（即压敏电阻）、放大电路，以及生产中的标定和老化工艺。在目前的压力传感器封装工艺中，通常可以将压阻式敏感芯体做得体积小巧、灵敏度高，而且稳定性好，并将压敏电阻以惠司通电桥形式与应变材料（通常为不锈钢）结合在一起，这样一来，就能确保压力传感器过载能力强和抗冲击压力强。该类传感器适合测量高量程范围的压力变化，尤其在1Mpa以上时，线性很好，精度也很高，并适合测量与应变材料兼容的各类介质。陶瓷压阻在结构上，该类传感器将压敏电阻以惠司通电桥形式与陶瓷烧结在一起。其过载能力较应变片类低一些，抗冲击压力较差，但灵敏度较高，适合测量50Kpa以上的高量程范围，而且耐腐蚀，温度范围也很宽。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，可以和应变式传感器相兼容。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。与上述两种结构不同，扩散硅采用在硅片上注入粒子形成惠司通电桥形式的压敏电阻。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。因此扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量1kpa到40Mpa的压力范围。一般情况下，扩散硅传感器分为带隔离膜片和非隔离膜片两种，非隔离膜片只能测量干净的气体，隔离膜片为软性膜片和刚性膜片，适合测量各种类型的介质。压电式传感器是利用某些晶体的极化效应，即当晶体沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢胺、钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等，其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，磷酸二氢胺属于人造晶体，而压电陶瓷等则属于多晶体。压电压力传感器主要应用在压力和力等的测量中，比如在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。总之，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。第2章 数显仪表的设计方案2.1 MC1403MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为5G1403和CH1403。它采用DIP8封装，引脚排列如图7-1-2所示。UI4.5V15V，UO2.500V（典型值），T可达10106/。为了配8P插座，还专门设置了5个空脚。其输出电压UOUg0(R3R4)/R41.2052.082.5V。MC1403是高精度低温度漂移的基准电路，作为8-12位数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的7107的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源。MC1403的脚管排列如图2-1所示。输出电压误差：2.5V1输出电压温度系数：10ppm/（typ）输出电流：10mA图2-1 MC1403的管脚排列输出电压范围：4.5-40V封装：8脚DIL陶封；8脚DIL塑封2.2 ICL7107双积分AD转换器(1) 双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点：ICL7107具有以下特点：一，内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零。二，内部有极性判别电路，即使输入电压很小也能正确区别极性，并显示出来；三，内部有时钟电路，可外接RC器件，产生自激振荡，也可由外部时钟输入；四，内含供AD转换必须的基准稳压电源，可不用外接基准电源；五，输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED；六，与其他CMOS集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。ICL7107采用标准的双列直插40引线封装，引线排列如图2-2所示。各引线功能如下：A1G1-各位段驱动信号；A2G2-十位段驱信号；A3G3-百位段驱动信号；AB4-千位（b、c）段驱动信号；P0M-负号指示信号，接千位g段；GND-数字地；OSC1OSC3-时钟发生器接头端；REF+REF_-基准电压的接头端；CREF-基准电容的接头端； INT+INT_-模拟信号输入端；图2-2 7017管脚示意图AZ-积分发大器反向输入端，接自校零位电容；BUF-缓冲器输出端，接积分电阻；INT-积分器输出端，接积分电容；TEST-试灯端，接高电位V+时，显示“-1999”；V+-正电源（56V）接头端；V负电源（-5-9V）接头端。ICL7107D的双积分AD转换(2) ICL7107引脚功能V和V-分别为电源的正极和负极，au-gu,aT-gT,aH-gH：分别为个位、位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定： Fosl = 0.45/RC。 COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使 用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。 VREF VREF- ：基准电压正负端。CREF：外接基准电容端。INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件 IN和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47F，而2V满刻度是0.047F。BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100A，而缓冲器与积分器能够供给20A的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。 2.3 LM324LM324件为带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列如图2-3。图2-3 LM324的引脚排列由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。如图2-4反相交流放大器：此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。图2-4 LM324的引脚排列同相交流放大器：同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。交流信号三分配放大器：此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放Ai输入电阻高，运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时Rf=0的情况，故各放大器电压放大倍数均为1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。 R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形成三路分配输出。2.4 LED显示器将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8” 字型发光二极管另一极做笔画电极，就构成了LED数码显示器。只要按规定使某些笔画的发光二极管发光就能组成0-9的一系列数字，可作为数字仪表。如图2-4图2-4 LED显示器LED显示器的型号很多，发光颜色也不同，以BS342型和BS431型。如图2-5，说明其工作原理。二者外型相同，BS342为共阳极，BS341为共阴极。脚3与脚8在内部已经连通，作为公极。使用时，BS342的公共极应接电源正极，BS341的公共极应接电源的负极，如果极性接反了，不仅不能发光，还容易损坏LED。下表为BS342和BS34的主要参数。（a）管脚排列 （b）BS342型（共阳极） （c）BS341型（共阴极） 图2-5 BS342、BS341管脚排列及内部结构第3章 数显仪表的安装数字显示部分电路的安装要在面包板上进行，压力传感器、电源部分不在面包板上。由于数显部分需要5V的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装，以给数显部分供电。如图3-1。图3-1 数显仪表安装图3.1数显部分的安装根据绘制的接线图，首先在面包板上吧7107和四个数码管的位置确定好，为了便于显示，一般要把四个数码管放在上方。然后以接线方便为原则，确定7107的位置。同时要考虑“电源”、“电源”、“地”线的接法。其它芯片、电阻、电容、电位器等围绕7107就近安排位置。学生绘制的接图需经过指导教师检查，检查无误后，才可以进入实际插接阶段。插接导线时要“细心，细心，再细心!”,丝毫马虎不得，否则日后检查起来将十分麻烦；插接导线时要注意保证导线的牢固，整齐，美观。插接导线时要使用“扒皮钳子”，“斜口钳子”和“镊子”等工具。保证插接牢固。同时掌握以上工具的使用方法。同组同学要相互研究，分析电路，以保证接插的正确性。人人动脑筋，人人参与安装，人人有收获。经指导教师检查面包板的线路插接正确无误后，才可能通电调试。第四章 结论与体会通过本次的数字显示仪表课程设计，深刻体会到了自己知识的匮乏。本次课程设计的题目是数字压力显示仪表的制作。通过查找资料，结合书本中所学的知识，完成了课程设计的内容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。 在课程设计之前，我们通过各个渠道查找资料后分析验证，经过多次的修改和整理，作了如上的设计思路。虽然这次设计一开始是按照设计要求去完成的，但由于在实际操作中，出现了比较大的问题，导致以上的准备资料，在实际操作中都未能派上用场。在这次的课程设计过程中，我懂得了很多，课程设计不光是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的能力！通过本次课程设计使我对数字显示仪表又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。在设计过程中碰到了很多问题，例如：LED显示器与转换器连接的时候，有时候就会接错，导致不能显示正确的数字、在有导线连接电路的时候，两条导线不能相碰，否则会引起短路。通过解决这些问题，提高了我的析问题，解决问题的能力，以及动手能力，同时使我数字显示仪表的原理、器件的识别、以及绘图能力又了进一步提高，为以后有关课程的学习打下良好的基础。 参考文献1 张天春.数字显示仪表课程设计指导书M.大庆石油学院自编教材,20082 沙占有.数字化测量技术与应用M.机械工业出版社,2004.3 井口征士.传感工程M.科学出版社,2005.4 刘长松.控制系统技术M.哈尔滨工业大学出版社,2007.5 常健生.检测与转换技术M.吉林工业大学出版社,2006.