《3位半数字显示温度计》设计报告.doc

3 位半数字显示温度计 设计报告 设计时间 班 级 姓 名 报告页数 广东工业大学课程设计报告 设计题目 学院 专业 班 学号 姓名 合作者 号 成绩评定 教师签名 一 设计任务与要求 设计任务 LM35 位 A D 转换器 数字显示器设计 一个日常温度数字温 度计 课程目标 1 加深对以上三门课程所学内容的理解 2 能够在设计中综合运用所学知识解决实际问题 3 初步掌握工程设计的一般方法 具备一定的工程设计能力 4 培养独立思考和独立解决问题的能力 培养科学精神和严谨的工作作风 标及技术要求 温度显示范围 0 50 数字显示分辨率 0 1 精度误差 0 5 电路工作电源可在 5 9V 范围内工作 二 设计方案及比较 设计可行性分析 方案思路一 基于 LM35 芯片以 51 单片机作为核心的三位半数字 显示温度计 外接一个温度采集 LM35 根据采集器的输出参数特性利用 TX 1C 开发板编程相关程序直接 处理温度信息并将处理结果显示在开发板自带的液晶屏上 方案思路二 基于 LM35 芯片以 ICL7106 作为核心的三位半数字 显示温度计 1 模拟信号采集部分 LM35 采集温度信息转化为可处理的模拟信号并将该信号输入至数 模转换部分 2 模数转换部分 用 ICL7106 芯片以及相关原件组成的外围电路组成一个直流电压测量电 路或一个数字电压表 利用 ICL7106 将模拟部分输出的模拟信号转换为数字信号 并通过 7106 自带的 BCD 译码器输出液晶屏所需输入信号 3 液晶屏显示部分 液晶屏链接 ICL7106 对应的输出接口输入显示信号 显示该数字电压 213 表的测量值以达到温度信号的 3 位半数字显示效果 方案思路三 基于 LM35 芯片以 ICL7107 作为核心的三位半数字 显示温度计 1 模拟信号采集部分 LM35 采集温度信息转化为可处理的模拟信号并将该信号输入至数 模转换部分 2 模数转换部分 用 ICL7107 芯片以及相关原件组成的外围电路组成一个直流电压测量电 路或一个数字电压表 利用 ICL7107 将模拟部分输出的模拟信号转换为数字信号 并通过 7107 自带的 BCD 译码器输出数码管所需输入信号 3 数码管显示部分 液晶屏链接 ICL7107 对应的输出接口输入显示信号 显示该数字电压 表的测量值以达到温度信号的 3 位半数字显示效果 多方案的分析以及最优方案的选择与取舍 方案一的核心是单片机的实践使用 但考虑到本次课程设计的学习重点包括了学习 查阅相关工作手册以懂得 IC 芯片的使用方法 电路仿真 CAD 软件的使用 掌握一定的电 子安装工艺 以及常用电子元器件的技术参数选择等 殊认为虽然选择方案一也能学习到 很多 但选择方案二或方案三则更能体会到本次课程设计中包含的精髓 方案二与方案二的区别在于 ICL7107 以及 ICL7106 芯片的选择以及相对应显示原件 的不同 ICL7107 对应的编码输出驱动的是数码管 而 ICL7106 对应的面码输出驱动的是液 晶显示屏 除此之外 7107 与 7106 芯片的功能和外围电路几近相同 而液晶屏幕与数码管相比 能 耗更低 显示更丰富 但考虑到三位半数字显示温度计无需过多显示方式 而且液晶显示为 背光显示 在光线强度较高的情况下 显示效果较差 考虑到该温度计在日常使用中经常会 遇到日光照射的情况 所以最终选择的显示原件是 LED 数码管 对应的数模转换芯片为 ICL7107 即方案选择为 案思路二 基于 LM35 芯片以 ICL7107 作为核心的三位半数 字显示温度计 三 系统设计总体思路 1 确定了方案选择后便确定了 LM35 ICL7107 以及共阳数码管的选用了 根据前期的 准备以及预设计方案就可以得到大致的原理框图 2 之后便是根据原理框图 参考各芯片的工作手册设计芯片的偏置电路 外围电路参 数与各个部分之间的衔接方式 作出电路原理图 并在电脑上使用 Multism protues 仿真修改 得到最终电路原理图 3 根据电路原理图购买相关元器件以及万用板 根据实际购得的大小以及所需孔数设 计电路布线图 4 根据布线图焊接电路板 5 最终调试产品并做最终修改 四 系统原理框图及工作原理分析 系统原理框图 双积分 A D转换 电路 计数器 锁存器 译码器 驱动电路 控制逻辑电路 4分频电路 显示器 4位LED数码管 外围震荡电路 A D转换电路 ICL7107 温度传感器 LM35 模拟信号 采集系统 显示系统模数转换系 统 工作原理分析 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 此信号差动输入到 A D 转换器 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 五 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 一 主要元器件选择 1 温度传感器 感测温度的产品有多种类型 依特性可概分为膨胀变化型 颜色变化型 电阻变化 型 电流变化型 电压变化型 频率变化型 等 常用的有热敏电阻 热电偶 热电阻 双金属片传感器 集成温度传感器 集成温度传感器是将传感器 信号处理电路集成一体 因而极大地提高了它得性能 它具有测温精度高 线性优良 体积小 稳定性好 输出信 号大 热容量小等优点而广泛被应用 集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型 按照预期的实验方案 我们需要的是电压变化形的温度传感器 而常见的电压变化型的温度 传感器有 LM35 LM335 其不同点为 LM35 之输出电压是与摄氏温标呈线性关係 而 LM335 则是与凯氏温标呈线性关系 由于我们日常生活使用的温度计量标准为摄氏温标 所以 本次设计产品所用到的芯片为 LM35 2 显示系统 能实现 3 位半数字显示的简易系统有数码管 LED 与液晶管 LCD 正如前文所说 其中 液晶屏幕与数码管相比 能耗更低 显示更丰富 但考虑到三位半数字显示温度计无需过多显 示方式 而且液晶显示为背光显示 在光线强度较高的情况下 显示效果较差 考虑到该温 度计在日常使用中经常会遇到日光照射的情况 所以最终选择的显示原件是 LED 数码管 3 模数转换系统 模数转换电路的作用是将输入连续变化的模拟信号变换为与其成正比的数字量信 号输出 在进行模 数 即 A D 转换时 通常按取样 保持 量化 编码四个步骤进行 较 常见和使用较多 市面上易找的有双积分型 A D 转换器 双积分型 A D 转换器的优点 转换精度高 成本低 转换精度与积分电阻 积分电容的精度无关 转换器精度与时钟频率的漂移无关 表明其时钟振荡器不一定采用价格较贵的石英晶 体 使用普通的 R C 已满足要求 抗干扰能力强 外围电路简单 其中选用可直接驱动 LED 的双积分型 A D 转换器 ICL7107 或直接驱动液晶显示 LCD 的双积分型 A D 转换器 ICL7106 可以减少芯片外译码驱动电路的设置 大大的 简化了产品电路 ICL7107 与 ICL7106 的外围电路大致相同 区别在于前者驱动的是 LED 后者是 LCD 所以按照之前显示系统的选择 此处模数转换系统我们选择的是 ICL7107 芯片 由于 7107 的低电平输出特性 因此选择的数码管应为共阳数码管 二 主要元器件的介绍 ICL7107 LM35 温度传感器 LM35 中文资料 引脚图 封装 参数及应用电路 温度传感器 LM35 中文资料 引脚图 封装 参数及应用电路 LM35 是由国半公司所生产的温度传感器 其输出电压与摄氏温标呈线性关系 转换公式如式 0 时输出为 0V 每升高 1 输出电压增加 10mV LM35 有多种不同封装型式 外观如图所示 在常温下 LM35 不需要额外的校准处理即可达到 1 4 的准确率 其电源供应模式有单电源与正负双电源两种 其接 脚如图所示 正负双电源的供电模式可提供负温度的量测 两种接法的静止电流 温度关系如图 所示 在静止温度中自热效应低 0 08 单电源模式在 25 下静止电流约 50 A 工作电压 较宽 可在 4 20V 的供电电压范围内正常工作非常省电 TO 92 封装引脚图 SO 8 IC 式封装引脚图 TO 46 金属罐形封装引脚图 TO 220 塑料封装引脚图 供电电压 35V 到 0 2V 输出电压 6V 至 1 0V 输出电流 10mA 指定工作温度范围 LM35A 55 to 150 LM35C LM35CA 40 to 110 LM35D 0 to 100 封装形式与型号关系 TO 46 金属罐形封装引脚图 LM35H LM35AH LM35CH LM35CAH LM35DH TO 220 塑料封装引脚图 LM35DT TO 92 封装引脚图 LM35CZ LM35CAZ LM35DZ SO 8 IC 式封装引脚图 LM35DM Electrical Characteristics 电气特性 注 1 6 LM35A LM35CA Parameter 参数 Conditions 条件 Typical 典型 Tested Limit 测 试极限 注 4 Design Limit 设 计极限 注 5 Typical 典型 Tested Limit 测试 极限 注 4 Design Limit 设 计极限 注 5 Units Max 单位 TA 25 0 2 0 5 0 2 0 5 TA 10 0 3 0 3 1 0 Accuracy 精度 注 7 TA TMAX 0 4 1 0 0 4 1 0 TA TMIN 0 4 1 0 0 4 1 5 Nonlinearity 非线性 注 8 TMIN TA TMAX 0 18 0 35 0 15 0 3 TMIN TA TMAX 10 0 9 9 10 0 9 9 Sensor Gain 传感器增益 Average Slope 平均斜率 10 1 10 1 mV TA 25 0 4 1 0 0 4 1 0 mV mA Load Regulation 负载调节 注 3 0 IL 1mA TMIN TA TMAX 0 5 3 0 0 5 3 0 mV mA TA 25 0 01 0 05 0 01 0 05 mV V Line Regulation 线 路调整 注 3 4V VS 30V 0 02 0 1 0 02 0 1 mV V VS 5V 25 56 67 56 67 A VS 5V 105 131 91 114 A VS 30V 25 56 2 68 56 2 68 A Quiescent Current 静 态电流 注 9 VS 30V 105 5 133 91 5 116 A 4V VS 30V 25 0 2 1 0 0 2 1 0 A Change of Quiescent Current 变化静态电流 注 3 4V VS 30V 0 5 2 0 0 5 2 0 A Temperature Coefficient of Quiescent Current 静 态电流 温度系数 0 39 0 5 0 39 0 5 A Minimum Temperature for Rated Accuracy 最低温度 额定精度 In circuit of Figure 1 IL 0 1 5 2 0 1 5 2 0 Long Term Stability 长期 稳定性 T J TMAX for 1000 hours 0 08 0 08 Electrical Characteristics 电气特性 注 1 6 LM35 LM35C LM35D Parameter 参 数 Conditions 条 件 Typical 典型 Tested Limit 测试 极限 注 4 Design Limit 设计 极限 注 5 Typical 典型 Tested Limit 测试 极限 注 4 Design Limit 设计 极限 注 5 Units Max 单位 TA 25 0 4 1 0 0 4 1 0 TA 10 0 5 0 5 1 5 TA TMAX 0 8 1 5 0 8 1 5 Accuracy 精 度 LM35 LM35C 注 7 TA TMIN 0 8 1 5 0 8 2 0 TA 25 0 6 1 5 TA TMAX 0 9 2 0 Accuracy 精 度 LM35D 注 7 TA TMIN 0 9 2 0 Nonlinearity 非线性 注 8 T MIN TA TMAX 0 3 0 5 0 2 0 5 10 0 9 8 10 0 9 8 Sensor Gain 传感器增益 Average Slope 平均 斜率 T MIN TA TMAX 10 2 10 2 mV TA 25 0 4 2 0 0 4 2 0 mV mA Load Regulation 负载调节 注 3 0 IL 1mA T MIN TA TMAX 0 5 5 0 0 5 5 0 mV mA TA 25 0 01 0 1 0 01 0 1 mV V Line Regulation 线路调整 注 3 4V VS 30V 0 02 0 2 0 02 0 2 mV V VS 5V 25 56 80 56 80 A VS 5V 105 158 91 138 A VS 30V 25 56 2 82 56 2 82 A Quiescent Current 静态 电流 注 9 VS 30V 105 5 161 91 5 141 A 4V VS 30V 25 0 2 2 0 0 2 2 0 A Change of Quiescent Current 变化 静态电流 注 3 4V VS 30V 0 5 3 0 0 5 3 0 A Temperature Coefficient of Quiescent Current 静态 电流温度系数 0 39 0 7 0 39 0 7 A Minimum Temperature for Rated Accuracy 最 低温度 额定 精度 In circuit of Figure 1 IL 0 1 5 2 0 1 5 2 0 Long Term Stability 长 期稳定性 T J TMAX for 1000 hours 0 08 FONT 相关文章 温度 传感器 LM35 中 文资料 LT111 引脚图 内部 结构及应用电路 新型三端稳压器 M5237L 的内部结构框 引脚图 封装 模数 转换器 AD592 中 文资料 电压 反转芯 片 NJU7662 引脚图 内部结 CB950 的 典型应 用电路 LNK304 介绍 图 LM2931 的基本应用 电路 LM2930 LM2931 LM2940 USB 接口芯片组 FT245BL 简介 共阳数码管 使用条件 A 段及小数点上加限流电阻 B 使用电压根据发光颜色决定 C 使用电流 动态平均 4 5mA 峰值电流 100mA 注意事项 A 数码管表面不要用手触摸 B 焊接温度 260 度 焊接时间不大于 5S C 表面有保护膜的产品可以在使用前撕下来 三 参数的计算与选择 参考电容为 0 1uf 33 34 该值得选择范围为 0 1 F CREF 1 F 当存在较大 的共模电压和使用 200MV 的满量程时 可选用较大的电容 1uf 以防止翻转误差 但绝大多 数情况下 0 1uf 的电容效果最佳 譬如本次设计 所以本电路中的参考电容设计值为 0 1uf 积分电阻为 470K 28 Rint Vinfs Iint 在量程为 2v 的时候 输出电流都尽量 落在 4uA 的线性区间内 且积分电流又必须远大于至可以忽略印刷版上的漏电流 所以积分 电阻取值应为 500k 左右 参考相关容易购得的成品电阻的参数 最终选择的是常用电 阻 470 积分电容 0 22uf 27 根据工作手册 ICL7107 接 5V 供电电压 COM 端接地 时钟频 率约为 48KHZ 时 Cint 标称值为 0 22uf 自动调零电容 0 047uf 29 为了兼顾噪音情况和过载时的加载速度 根据工 作手册选择参考值 0 047uf 蒸蛋电阻 100k 39 所有频率范围内 根据工作手册 参考值都为 100k 所以 使用参考值 震荡电容 100pf 38 根据 f 0 45 RC 带入震荡电容 100 f 48Khz 得 Cosc 约为 94pf 能找到的相近电容为 100pf 参考电压 1v 35 36 满量程时有 Vin 2Vref 因为设计的满量程为 2V 所以参考电压取 值为 1V 通过两个串接电阻分压得到 使用的电阻分别为 15k 的电阻和 10k 的电位器 限流电阻 330k 欧米茄 根据限流电阻 输出电压 发光二极管耐压 正向最大工作 电流 估算而来 可以根据亮度需求再做调整 估算值为 200 1k 六 电路原理图 仿真图像图以及布线图 电路原理图 仿真图像图 布线图 七 产品制作及调试 制作过程简述 1 按照布线图从将各个原件由低到高焊接到万用板上 其中插座先焊其中一对对角即可 2 确定各原件焊点位置无误后按布线图连线 3 将 IC 插到插座上 焊上正负电源线与地线 调试过程简述 1 检查连线无误后通电 发现短暂输出 666 后数码管仅仅显示小数点 测量得知 7107GND 脚没有接好 插入的时候被插弯了 更换问题解决 后来又在出现该问题 不过确定 GND 脚 正常后发现 V 输入只有 3V 多 原来是实验室电压源示数和实际输出存在偏差 用万用表 将其输出挑到 5V 后问题解决 2 后来是发现十位偶尔会输出如 H 的奇怪数字 在收集了十位能输出的所有图形后推断出是 g 或 c 将 e 短路了 将相临的 ge 端各自电路重新焊后示数恢复 3 调节电位器后 显示数字与 10 倍 L35 输出几乎相等且用电烙铁加热 LM35 时两数同步变 化 其他如数码管的亮度 40 50 C 的示数 刷新频率都正常第一次调试完成 4 后来在验收前夕偶尔发现温度计示数与温度无关 不定时跳变 以为是芯片烧坏 但在更换 7107 后 无好转 测试各管脚发现 Vin Vin 间电压有误 发现是 Vin 端接地时焊接不牢固 重焊后恢复 最终调试完成 八 实验结果和数据处理 0 10 20 30 40 50 60 215 235 256 274 314 333 357 408 450 500 Vin mv 显示 数值 Vin mv 215 235 256 274 314 333 357 408 450 500 显示数值 21 6 23 8 25 4 27 4 31 5 33 4 35 6 41 1 44 9 49 9 九 实验总结 本次课程设计难度较低 但对于缺乏实践应用知识的我们来说 仍然存在着不低的难度 在 设计系统框图时 由于 ICL7107 自带译码驱动 所以最终框图只有区区的 3 个部分 但 AD 模数转换部分涉及内容较多且难度大 Lm35 与数码管的应用简单 本次课程设计的难点 与重点在于对于 AD 模数芯片工作各个环节的理解 参数的计算以及各个引脚外围电路接法 十 实验心得 为其两周的课程设计终于要迎来它的结束 也算是颇有感触 首先由于之前是几个基础课 的考试占用大量的时间 导致我们的前期收集工作是在一天之内赶出来的 但这并不影响我 们后续的进展 设计的第一步设计好系统的工作原理 然后我们需要对所用的 4 个 后来在 考虑简化电路的时候减少了一个反转极性芯片和电源稳压输出 5V 的芯片 的芯片的工作 原理 工作条件以及各自的电路接法有了一个系统的学习后 我们开始使用仿真软件设计 电路图 这时候问题就出来了 常用的 MULTISIM 几乎没有任何我们需要的芯片模型 无 论哪个版本 在网上也找不到相关的模型 直到后来我们发现一个叫 protues 的仿真软件有比 较多的数字电路芯片原件 包括了我们的 ICL7107 ICL7660 LM35 等 为此我们专门临时学 习了怎么去使用这个软件 最后在仿真的时候却频频失败 在无数次擦人电压指针与调整参 数后我们才发现 原来 protues 上的 ICL7107 使用同类型的 TC7107 替代 的 COM 端固 定输出 2V 电压并且由于 protues 的算法特性 当这个输出接地时 会由于电压模拟冲突而导 致仿真崩溃 后来将 COM 单独连接 LM35 的接地端并且去掉 LM35 接地端与地线的连接时 才得以仿真成功 后来布线的时候更发现由于买不到 4 位一体的数码管且能买到数码管的管 脚分布不想仿真一样分布在同一端也导致的布线的困难重重 整整花了一天时间 我们才将 一份没有飞线的布线图做出来 由于并没有将其优化到最佳的情况 焊接也足足使用了半 天的时间 正如前文所说 我们调试的过程也并非一帆风顺 检查连线无误后通电 发现短暂输出 666 后数码管仅仅显示小数点 测量得知 7107GND 脚 没有接好 插入的时候被插弯了 更换问题解决 后来又在出现该问题 不过确定 GND 脚正 常后发现 V 输入只有 3V 多 原来是实验室电压源示数和实际输出存在偏差 用万用表将 其输出挑到 5V 后问题解决 2 后来是发现十位偶尔会输出如 H 的奇怪数字 在收集了十位能输出的所有图形后推断出是 g 或 c 将 e 短路了 将相临的 ge 端各自电路重新焊后示数恢复 3 调节电位器后 显示数字与 10 倍 L35 输出几乎相等且用电烙铁加热 LM35 时两数同步变 化 其他如数码管的亮度 40 50 C 的示数 刷新频率都正常第一次调试完成 4 后来在验收前夕偶尔发现温度计示数与温度无关 不定时跳变 以为是芯片烧坏 但在更换 7107 后 无好转 测试各管脚发现 Vin Vin 间电压有误 发现是 Vin 端接地时焊接不牢固 重焊后恢复 最终调试完成 也许说起来就简单的几段话 但其实每个步骤都花费了大量的时间才找出问题 导致这 个状况的原因我们面对错误缺乏清晰的检查思路 而这种思路和我们对这个电路的认识也 都在这一次次的调试更改中得到提升 以至于最后我们也帮助其他几个出问题的小组发现 了他们的问题 这是我们的第一次课程设计 我们在这两周内确确实实学到了不少真本领 比 如软件的使用 学习怎么去找需要的芯片资料和学会怎么使用一块没有用过的芯片 根据要 求和查询的资料设计框图 掌握拔除错误的思路等 到明天答辩为止 我们的本次课程设 计就圆满的结束了 虽然很遗憾由于决策失误没有去学习做一块自己的 PCB 板 但是我们 也知道了之后我们也有大量的机会去实践我们所学的知识以及更好的去锻炼自己