lm35与icl7107温度计设计报告 课程设计

3位半数字显示温计设计报告 目录1 设计任务与要求11.1设计任务11.2产品指标及要求12 系统设计总体思路13 设计方案及比较（设计可行性分析）1方案一1方案二1方案比较15 系统电路设计及参数计算，主要元器件介绍及选择以及数据指标的测量25.1LM35传感器电路25.2A/D转换电路35.2.1ICL7107的基本特性35.2.2ICL7107的各管脚连接图45.2.3引脚功能45.2.4功能说明55.2.5外围元件参数的选择75.3供电电路85.3.1正电压产生电路85.3.2负电压产生电路85.4数码管显示电路96 电路原理图及PCB图107 产品制作及调试127.1产品制作127.2调试128 实验结果和数据处理139 结论（设计分析）1410问题与讨论1411心得体会1512附录161 设计任务与要求1.1 设计任务采用温度传感器、3位半A/D转换器、数码或液晶显示器设计一个日常温度数字温度计。1.2 产品指标及要求：A. 温度显示范围：0-50；B. 数字显示分辨率：0.1；C. 精度误差0.5；D. 电路工作电源可在5-9V范围内工作；2 系统设计总体思路温度传感器将感受到外界的温度经传感器内部电路处理后输出一个与外界摄氏温度成线性比例的电压信号。 此信号输入到A/D转换器，A/D转换器把模拟量转化为数字量，A/D转换器的双积分器输出信号通过控制逻辑电路向数据锁存器发出一个锁存信号，锁存器将计数器的数据锁存并经译码驱动电路，驱动显示器工作，显示感应的温度数值。3 设计方案及比较（设计可行性分析）方案一：利用当前非常常用的数字式温度传感器DS18b20和单片机，DS18b20温度传感器温度采集，AD转换于一体，只需单片机按照一定的时序读取其采集并转换后的温度即可。方案二：通过温度传感器LM35采集环境温度信息并转换为电压输出，然后使用ICL7107芯片对电信号进行处理，并驱动LED数码管来显示温度值。方案比较：方案一采用单片机控制，虽然简单快捷，但本设计的系统功能单一，运用单片机来驱动DS18b20温度传感器来进行温度采集，其成本相对较高，浪费资源。所以方案一对于本设计是不合适的。方案二中的ICL7107集A/D转换和译码器驱动于一体，并可以直接驱动共阳数码管显示转换的模拟量。只需简单的外围电路即可实现温度的测量与显示。原理简单，成本低。通过上述比较，方案二最为适合。因此本3位半数字显示温度计的设计都是基于方案二设计的。4 系统原理框图及工作原理分析图 1系统原理框图工作原理：数字温度计通过集成温度传感器LM35对温度进行采集，由于被测温度与输出电压近乎线性关系，由此关系只需确定输出电压就可以根据相应的线性关系确定当前被测环境的温度，由于LM35输出的电压属于模拟量，所以用双积分A/D转换器将其转化为数字量，进而通过控制逻辑电路来控制译码器和数码管显示器将实时电压值显示出来，从而得到当前的温度。而ICL7107就集AD转换和数码管驱动于一体，因此用这个芯片可以直接将模拟量转换为数字量并直接外接数码管显示。5 系统电路设计及参数计算，主要元器件介绍及选择以及数据指标的测量5.1 LM35传感器电路LM35是电压型集成温度传感器，具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如下式，0C时输出为0V，每升高 1C，输出电压增加10mV。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到1/4 C的准确率。LM35具有以下的特点：1、工作电压：直流430V；2、工作电流：小于133A3、输出电压： 6V-1.0V4、输出阻抗：1mA负载时0.1；5、精度：0.5精度（在 25时）；6、漏泄电流：小于60A；7、比例因数：线性 10.0mV/；8、非线性值：1/4；9、校准方式：直接用摄氏温度校准；10、额定使用温度范围：-55 150。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其引脚如图所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测。由于要求测量温度范围为050，故采用图（a）的电路图 2图（a）图（b）图（a）使用单电源工作时，测量温度范围在0150的应用电路；图（b）使用双电源（电源）工作时，测量温度范围在-55150的应用电路；5.2 A/D转换电路ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器，同时集成了七段译码器、显示驱动电路、参考源和时钟系统。所以ICL7107可直接驱动共阳数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。5.2.1 ICL7107的基本特性最大显示值1999，最小分辨率为100V；（转换精度 为0.05%1个字）能直接驱动LED显示器(内部有异或门输出)；采用单电源供电，电压范围：715V，工作电流为1.8mA；芯片内部电源V与COM端之间有一稳定性很高的2.8V 基准电压源；通过内部的模拟开关实现自动稳零和自动极性显示功能；内部有时钟电路；高输入阻抗；整机组装方便；噪声低、温漂小、具有良好的可靠性。寿命长。5.2.2 ICL7107的各管脚连接图ICL7107图 3 ICL7107管脚连接图5.2.3 引脚功能1、26脚：V+、V-分别为电源“+”“-”极；5、4、3、2、8、7、6脚分别为（A1G1）、12、11、10、9、14、13、25脚分别为（A2G2）、23、16、24、15、18、17、22脚分别为（A3G3）：分别为个位、十位、百位笔段的驱动信号；（依次接个位、十位、百位液晶显示的相应笔画电极）19脚：AB4为千位笔段驱动信号（接千位液晶显示器的b、c两个笔段电极。当计数大于1999时发生溢出，千位显示“1”，其余个位、十位、百位全部熄灭）。20脚：POL液晶显示器的公共电极3840脚：OSC1OSC3时钟振荡器的引出端；（外接R、C或石英晶体构成的振荡器）32脚：COM模拟公共端（亦称模拟地）（使用时一般与输入信号的负端及基准电压负端相连）；37脚：TEST为测试端，亦称“数字地”；3536脚：REF HO、REF HI分别为基准电压的正负端；3334脚：CREF-、CREF+为外接基准电容；3031脚：INL0、INHI模拟输入端分接信号的“+”“-”端（差动输入）29脚：A-Z为积分器和比较器的反相输入端，接自动稳零电容CAz；28脚：BUFF为缓冲器的输出，接RINT；27脚：INT积分器的输出，接CINT；5.2.4 功能说明ICL7107的每个测量周期分为三阶段，它们分别为）自动校零阶段(）；)信号积分阶段（INT)；）反积分阶段（DE）。图 4 ICL7107模拟部分电路图A. 自动校零阶段内部高端输入和低端输入与外部管脚断开，在内部与模拟地公共管脚短接，参考电容充电到参考电压值，整个系统形成一个闭合回路，对自动校零电容进行充电。B. 信号积分阶段自动校零回路断开，内部高端输入和低端输入与外部管脚相连。转换器将IN HI和IN LO之间输入的差动输入电压进行一固定时间的积分。上式表明，在固定时间条件下与成正比。C. 反向积分阶段低端输入在内部连接到模拟公共端，高端输入通过之前已充电的参考电容进行连接，内部电路使电容的极性正确地连接以确保积分器的输出能回到零。如果积分器的输出电压回到零时，所经过的积分时间，则有可见，反向积分到这段时间与成正比。令时钟脉冲CD的周期为，计数器在时间内计数值为N得：代入上式得：N分析可知：，固定不变，计数值N仅与成正比，实现了模拟量到数字量的转变。如图，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。图 5测量周期时序图各阶段时间分配如下：(1) 信号积分时间=1000(2) 信号反向积分时间用0-2000，其长短由的大小决定(3) 自动调零时间为1000-3000由上分析得：当满量程选择为N=2000，则=。把LM35的输出电压 代替得：所以当，满量程为2V时，N=10T温度与显示值成正比。5.2.5 外围元件参数的选择1) 积分电阻积分电容必须足够大，以是在整个输入信号范围内的积分电流都落在ICL7107芯片内的放大器的线性度很好的区间。故对于2V的满量程，470K是最优的。2) 积分电容本设计选择每秒3个读数（时钟频率为48KHz），的标称值分别选择0.22uf和0.10uf。3) 自动校零电容和参考电容这两种电容都采用芯片数据手册上推荐值。自动校零电容为0.047uf，参考电容为1uf。4) 振荡器元件根据，得，又由芯片数据手册推荐使用100K的振荡电阻，可得在48KHz振荡频率时（每秒3个读数），C=100pF。影响A/D精度的因素：A. 积分电容和自动稳零电容的介质损耗会影响A/D精度，所以应采用介质损耗小的聚丙乙烯电容。B. A/D转换的基准电源的变化直接影响转换精度（芯片内部的基准电压源一般受温度的影响较大，当精度要求较高时，应采用外接基准电压源） 5.3 供电电路5.3.1 正电压产生电路本设计采用7805稳压芯片来给本系统供电。LM7805主要特点：输出电流可达 1A，输出电压5V，过热保护，短路保护，输出晶体管 SOA 保护。图 6正电压产生电路5.3.2 负电压产生电路利用时钟输出信号，外接只二极管、只电容和一个反相器产生。图 7负电压产生电路工作原理：ICL7107的OCS3引脚输出一个方波信号，方波信号经过反相器形成一个比较稳定的波形。当反相器输出一个高电平时，二极管D1导通，这是电容C9开始充电。当当反相器输出变为低电平时，二极管D2导通，电容C9放电，电容C10充电。当电容C10充电完时，由于二极管的导通压降约为0.7V，故其负极电压约为-3.3V。5.4 数码管显示电路（如图8）ICL7107的显示输出电流为0.58mA，在数码管的正常工作范围内，ICL7107能直接驱动共阳数码管，而数码管显示无需外加驱动电路。但也可以加限流电阻保护数码管。本设计采用加限流电阻来保护数码管（如图9）图 8 ICL7107数码管驱动电路图 9数码管连接电路图6 电路原理图及PCB图图 10电路原理图图 11 PCB印刷图图 12 PCB图7 产品制作及调试7.1 产品制作：本设计采用PCB板制作，所以制作过程主要是PCB的制作。具体步骤如下：1) 用软件Altium designer进行PCB图的设计，并生成PCB图。2) 利用专门的复写纸张将设计完成的PCB图通过喷墨打印机打印输出，然后将印有电路图的一面与铜板相对压紧，最后放到热交换器上进行热印，通过在高温下将复写纸上的电路图墨迹粘到铜板上。3) 制板。调制腐蚀溶液，然后将含有墨迹的铜板放入其中，等铜板上除墨迹以外的地方全部被腐蚀之后，将铜板取去，然后将清水将溶液冲洗掉。4) 打孔。利用凿孔机将铜板上需要留孔的地方进行打孔，完成后将各个匹配的元器件从铜板的背面将两个或多个引脚引入，然后利用焊接工具将元器件焊接到铜板上。5) 焊接工作完成后，对整个电路板进行全面的测试工作，如果在测试过程中出现问题，就需要通过第一步设计的原理图来确定问题的位置，然后重新进行焊接或者更换元器件。当测试顺利通过后，整个电路板就制作完成了。7.2 调试1） 按照电路图检查相关元器件接入及连线是否正确。2） 用万用表蜂鸣端检查焊接中是否存在虚焊或者不必要的短路和断路。3） 接通电源，观察数码管和二极管是否亮，若不亮时，要对电路电源进行检测，看是否线路接触不良或者电路短路。4） 用万用表测量ICL7107的26引脚与地的电压，看看其电压是否在-3V到-4V之间。5） 数码管能正常显示示数且不闪动后，用电烙铁等工具改变LM35的温度值。6）LED显示测试，给系统供电，将ICL7107的test引脚接Vcc，如果数码管显示“1888”，则LED数码管显示正常。如下图：图 13LED数码管显示测试8 实验结果和数据处理(一) 温度精度测试：调节电位器使基准电压为1V，对室温进行测量。同时，以单片机驱动DS18b20温度传感器采集温度为参考温度值。每30秒记录一组数据。结果如下表：温度精度测试表（单位：）时间/s 306090120150180210240270300LM3519.619.719.819.819.519.719.819.919.620.0DS18b2019.919.819.819.919.719.719.719.819.819.80.30.10.00.10.20.00.10.10.20.2由以上实验结果可得，本设计的温度计的平均精度误差为0.130.5，满足设计要求。(二) 温度传感器输出电压与显示温度的关系：从室温开始测量，每升高5记录一次数据，共测十次。结果如下表：温度传感器输出电压与显示温度的关系次数12345678910输出电压/V249272303314343393445499548587显示温度/25.228.131.032.635.140.145.550.155.760.7基准电压/V964图 14由图像可知，V/曲线的斜率约k100，即。9 结论（设计分析）在功能指标上，根据以上的测试结果，本设计的3位半数字显示温度计符合测量显示范围，显示分辨率，精度误差等设计指标。同时，由于本设计采用稳压三端芯片7805，所以电路可以稳定工作在5-9V的电压范围内，符合工作电压的要求。在成本控制方面，本设计采用集A/D转换和LED数码管驱动为一体的芯片ICL7107，省去LED数码管驱动电路的成本，有效降低了成本。从总体上看，本设计硬件简单，容易实现，测量精度0.5，系统运行稳定，具有应用和推广价值。10 问题与讨论(1) ICL7107供电不足：ICL7107设计工作于5V的电源电压，但是也有单一+5V供电的，其前提条件是：1）输入电压可以共模方式的中心电压为参考；2）输入信号电压小于1.5V；3）采用外接参考源。本设计的电路满足不了全部条件，所以用单一的+5V供电时，数码管总显示出超量程。解决办法：1）外接负电源；2）利用时钟输出信号产生负电源。本设计最终采用第二种方法。(2) 输入信号为零，表头显示不为零，并不停跳动：检查基准源电容和自动校零电容。(3) 表头读数偏差较大：可能是积分电容问题，或者基准电压发生变化等。(4) LM35输出的电压跳动幅度大;LM35的电源供应不稳定，可加稳压管来稳定其电源的电压。(5) 制作PCB板时铜线互相连接：因为线与线的距离近，而腐蚀时没有完全去掉线与线之间的铜，导致两条线短接。所以在腐蚀完后的PCB，一定要检查是否有腐蚀不完全的情况。11 心得体会通过查找资料、仿真、设计、画PCB板、制作实物、调试，数字温度计最终完美地做出了。从原理到实物，从调试到调试成功，遇到了很多困难。在设计初期，通过软件仿真很容易实现功能。但当把仿真的结果转化为实物时，就会出现很多问题，如：芯片供电不足，数码管示数跳动。其中的一个原因是仿真软件在仿真过程中为了仿真成功，内部默认了些参数，而这些参数我们无法得知是否改变。通过这次设计也收获了很多，知识层面上，学得了很多新知识，解决问题的新方法。增强的查找资料，阅读资料的能力；实践方面，提高了动手能力，提高了解决实际问题的能力等等；在思想上，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。12 附录元器件清单元器件名称参数/类型数量（个）温度传感器LM351A/D转换芯片ICL71071反相器74041LED数码管共阳4稳压芯片78051电阻470241K1100 K1470 K11M1电容1000uf10.33uf10.1uf210uf10.047uf2100pf10.22uf10.01uf2精密可调高电位器1 K1成品图：图 15正面图 16背面 17 / 21