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1、0设计一个数字温度计，测量范围：0100 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.画出系统原理电路图。3.用 MULTISIM 进行仿真实验。4.按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。设计一个数字温度计，测量范围：0100 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.画出系统原理电路图。3.用 MULTISIM 进行仿真实验。4.按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。二、总体设计思想1.基本原理由于温度计的应用很广，所以温度计的设计也不完全一样。以前一
2、般采用热电偶、玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。其中热电偶的温度测量范围较宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读1数。在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时间监测，且要求能够快速准确地读数。此时，上述各类温度计则难以胜任。而如果将热电偶产生的热电动势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应迅速，测量精度高，功耗小，
3、显示直观。因此，由热电偶、A/D 转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。但在本设计中，数字温度计应用的对象是一般家庭里，主要包括以下几部分：(1).取样电路温度传感器就是能将温度信号反映到电信号上去，这个我们可以用热敏电阻及一些热传感器来实现，由于热敏电阻的阻值与温度不成线性关系，所以这里主要是用温度传感器将温度信号线性地反映到电压上来实现温度取样，测量温度信号为模拟量。(2).放大电路放大电路可以有三极管放大或是用集成运算放大器放大，由于在这里放大器的功能是为了调节传感器与 A/D 转换器的关系，
4、故可以用集成运算放大器通过负反馈组成任意比例电路，根据芯片的参数需要而选择适当的放大倍数。(3).驱动电路驱动电路是为了让显示器将 A/D 所转换的数据无误地表现出来。这里主要是驱动 LED 显示及保护 LED 的电路，要想让 LED 正常工作，必需提供适当的电压，保证电流不能超过 LED 的最大电流，以免烧坏 LED 管。在这里主要包括一些三极管及电阻，配合驱动电路来制 LED 控显示。2(4).A/D 转换及分析A/D 转换主要的任务是对模拟电信号进行分析，将其信号转换成数码显示出来，可能的话还可以对信号进行分析预处理。这里也主要是采用 MC14433 芯片，采用这个芯片可以大大减少 A/
5、D 转换及译码电路，因为它本身输出就是BCD 码，而且是按十进制位串行输出的，同时它还包含了时序电路即用来串行输出用扫描显示用的电路及超过适用范围时发出提示信号，极大简化了电路，从而提高了电路的稳定性及减少功耗。(5).显示电路显示电路可以用各种类型的七段 LED 显示，出于对器件考虑，在这里仅用最常见的 7 段码显示即可。2.系统框图模拟采样转化电信号信号放大A/D转换编码显示系统超过温度提示译码电路图 1 数字温度计设计框图三、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。1.取样电路设计Nati
6、onal Semiconductor 公司的 LM35A 温度传感器集成芯片，它能将3温度与电流形成线性关系，以电压的形式输入 A/D 转换器进行转换与分析。转换公式如式(1)，0時输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。LM35有多种不同封裝型式。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到C、CC41的准确率。其电源供应模式有单电源与正、负双电源两种，正、负双电源的供电模式可提供负温度的量測；两种接法的静默电流-温度关系，单电源模式在25下静默电流約50A，非常省电。 Vout_lm35（T）=10mV/CTC (1)图 2 温度取样电路2.信号放大电路这里的放大电路采用的中 LM3
7、07N 集成运算放大器，根据 A/D 转换的需要而设计，R 4与 R6相同，从而构成两倍放大电路。4图 3 信号放大器电路3.译码驱动电路为了让 LED 正常工作，设计了这个译码驱动电路，这里采用的是74LS48 芯片。图 4 译码驱动电路4.A/D 转换电路在这部分电路里面，主要就是用 MC14433 集成 A/D 转换器，这与其强大的功能是离不开的。如图 4 中5R1、R 1/C1、C0 1、C0 2、CLKI、CLKO 分别为构成积分器、自动调零补偿电路及改变电路时钟频率电路。这里用的是常用的参数，时钟频率是66KHz，U I,UAG则为输入信号的两极，U R为参照电压，即转换最大电压，
8、能过对 UAG与 UR的调节，可以将传感器输出的电压信号正确地从零开始线性增加，这也是本电路设计的核心部分，通过这个设置，还可以扩大数字温度计的适用范围，对显示部分电路稍作修改就可以对开尔文温度直接显示，只是精度有改变了。D 1 稳压管是为确保输入的电压不超过 A/D 转换器的转换范围。另外，芯片工作采用的是双电压工作的。5.显示电路显示电路主要是由三个 LED 七段显示器，从左到右分别为十位、个位及小数位。1234567abcdefg8 dp9GNDabfcgde dpU7 1234567abcdefg8 dp9GNDabfcgde dpU8 1234567abcdefg8 dp9GNDab
9、fcgde dpU9Q6 Q7 Q8R222低低低低图 5 显示电路6五、附录1.原理图Uag1Ur2Ui3Ri4Ri/Ci5Ci6C017C028DU9CLKI 10CLKO 11Uee12Uss 13EOC14OR 15DS416DS317DS218DS119Q1 20Q2 21Q3 22Q0 23Udd 24U10MC144331234567abcdefg8 dp9GNDabfcgde dpU7 1234567abcdefg8 dp9GNDabfcgde dpU8 1234567abcdefg8 dp9GNDabfcgde dpU9Q6 Q7 Q8Vss0GND1OUTPUT 2Q5LM
10、35VCCR9300kC10.1uFC20.1uFR1470K23 1411U6AR4100kR6100kR580.6kR351kVCC-VCCR82kD11VR7100VCC+5V+5V-5V-5V-VCC D2D3低低低低低低低低低低低低Q9Q10Q11R1022 R222BI/RBO4 RBI5LT3 A7B1 C2D6a 13b 12c 11d 10e 9f 15g 14U1174LS48VCC+5V图 6 总体电路2.仿真图U1ALM324M321141V15 V V25 V GNDR3100KR61K_LINKey = A 50%R1100K R451.0KR510.0KR280.
11、6KV31 V 7图 7 放大电路仿真U2ABCDEFGCKHU3ABCDEFGCKHVCC5VVCC5VS1Key = AS2Key = SS3Key = DS4Key = FQ12N2222Q22N2222S5Key = GS6Key = H S7Key = JS8Key = KQ52N3250Q42N3250LED2 LED1Q62N3250R411R122S9Key = LU4ABCDEFGCKHQ32N2222VCC5VR31.8kU174LS48NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4R751kR651k图 8 驱动显示仿
12、真电路3.元件清单编号 名称 规格大小 数量芯片LM35、MC14433、CD4511各 1 片R2、 R12 电阻 100K 2R13 电阻 51K 1R15 、R16 电阻 100 2R18 微调电阻 2K 1D2 稳压二极管 1V 1R14 电阻 470K 18C3、 C4 电容 0.1uF 2R17 电阻 300K 1Q2Q3 三极管 PNP 2U4、U5、U12 LED LED 3Q12、Q13、Q14 三极管 NPN 3Y2、Y3 蜂鸣片 CRYSTAL 2表 1 元件清单注：1.CD4511 是 BCD-锁存/七段译码/驱动器： 有灯测试功能；以反相器作输出级，用以驱动 LED
13、或数码管；具有消隐输入；显示数 6 时，a=0,显示 9 时，d=0 . 1-B,2-C,3-LT（为灯测试输入端）,4-BI（数据输入端）,5-LE（锁存使能，锁存输入使能）,6-D,7-A,8-VSS（电源负极） （A，B，C，D 为门电路的输入端） 9-e,10-d,11-c,12-b,13-a,14-g,15-f, 16-vdd(电源正极） （a,b,c,d,e,f,g 为译码输出；显示字符端输出，连接数码管的相应脚） 。2.MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 又 1/2 位 A/D 转换器，其中集成了双积分式 A/D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电
14、路。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，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的 A/D 转换器，其主要功能特性如下：9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：2-25 次/s 输入阻抗：大于 1000M 电源电压：4.8V8V 功耗：8mW（5V 电源电压时，典型值） 采用字位动态扫描 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，很方便实现LED 的动态显示。 MC14433 最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的 A/D 转换接口。3.LM35 是由 National Semiconductor 所生产的温度感測器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系, 0 時输出为 0V，每升高 1，输出电压增加10mV。LM35 有多种不同封裝型式。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到 C、CC41的准确率。其电源供应模式有单电源与正、负双电源两种，正、负双电源的供电模式可提供负温度的量測；两种接法的静默电流-温度关系，单电源模式在 25下静默电流約 50A，非常省电。
