课程设计 ——数字温度计 学 院：电子信息工程学院 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 目录 一 设计任务与要求二 总体框图2.1总体介绍 2.2方案设计与论证三 选择器件3.1 传感器部分 3.2 放大系统3.3 A/D转换3.4 七段数码显示器四 功能模块4.1温度检测电路模块4.2放大模块4.3 A/D转换模块4.4显示模块五 总体设计电路图六 硬件仿真 七 连硬件的结论和心得参考文献数字温度计一 设计任务与要求 设计一个数字温度计，设计要求如下： （1）范围：0～+100℃，误差≤0.5℃； （2）采用3.5位电压表显示温度测量值，分辨率为0.1℃。
二 总体框图 2.1 总体介绍温度计是工农业生产及其科学研究中最常用的测量仪表本设计所介绍数字温度计与传统的温度计比较，具有读数方便，测温准确，其输出温度采用数字显示的特点，主要用于测温比较准确的场所图1所示的数字温度计的电路框图传感器放大系统A/D转换显示图1 数字温度计的电路框图 由温度传感器、放大器、3.5位A/D转换器和数码管显示器等组成被测温度经过温度传感器转换成随温度变化的电压，此电压经放大器放大后送到3.5A/D转换器，最后用数字显示被测温度 2.2方案设计与论证 由设计和任务要求可知道，本设计实验主要分为四个部分，即传感器、放大系统、模数转换器以及显示部分经过分析，传感器可以选择对温度比较敏感的器件，最好是在某参数与温度成线性关系，比如硅热敏晶体管、热敏电阻等；放大系统可以由集成运放组成：A/D转换器需要选择有LED驱动显示功能的，而可供选择的参考元件有CC7107，ADC0809等；显示部分用4位LED数码管显示方案一：用一个NTC热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM358运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入CC7107A/D转换器进行数模转换和数字显示.。
方案二：用一个NTC热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM358运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入ADC0809转换器进行数模转换和数字显示 方案三：用硅热敏晶体管做传感器把温度转化为电压，在把每一度的电压变化值通过LM358集成运放进行放大，使其放大的信号应能满足ADC0809或CC7107数模转换的要求，进行数字显示为了搭建电路方便，选用铂热敏电阻，由于3位半双积分A/D转换器CC7107实验室没有，所以选用ADC0809元件代替实现A/D转换因此选用方案二三 选择器件 本次设计所选用的器件如表1所示 表1 器件选择表序号元器件个数1ADC080912LM35833数码管24NTC热敏电阻15滑动变阻器26电阻若干7导线若干3.1 传感器部分NTC热敏电阻器：NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。
其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料NTC热敏电阻的电阻值随温度的增加而减小，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器 特性如表2表2 表3 由上表可知，当温度为0℃时，热敏电阻的电阻值约为325K；当温度为100℃时，铂电阻传感器的电阻值为6.467K，与标称电阻值的差值约为=-318.5利用这个特性可以构建电桥，电桥平衡时，输出电压是0伏，温度改变，阻值改变，对应的输出电压也改变，从而可以反映温度的变化3.2 放大系统LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，管脚图如图2图2 LM358引脚图 3.3 A/D转换 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示下面说明各引脚功能 IN0～IN7：8路模拟量输入端 2-1～2-8：8位数字量输出端 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量 CLK：时钟脉冲输入端要求时钟频率不高于640KHZ REF（+）、REF（-）：基准电压 Vcc：电源，单一+5VGND：地。
图3 ADC芯片图3.4 七段数码显示器 LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点发光二极管，即LED是由半导体材料制成的PN结，在正向偏置时会发光，具有工作电压低、体积小、寿命长、响应快等优点常用的颜色有红、绿、黄发光二极管的正向压降为2.2V～2.6V，工作电流为5～10mA，其发光亮度基本与工作电流成正比因此在使用发光二极管时，必须串限流电阻发光二极管可工作于脉冲状态，在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态比直流工作状态的亮度增加约20%发光二极管可以单个的形式使用，也可将几个发光二极管封装在一起，根据封装的形状有七段数码显示器、米字型显示器和点阵式显示器等不同的形式当发光二极管导通时，点亮相应的笔划或点控制这些发光二极管的亮与暗，即可显示不同的字符或符号 图4共阳七段显示器结构 图5七段数码管显示器真值表 四 功能模块 4.1温度检测电路模块电阻电桥的两个输出端电压的差值（此即为Pt电阻在温度变化时导致的电阻变化所引起的电压值的改变量）可由以下公式求得 △U= VCC[2(2R+)] 其中，U为10V，R为325K，为Pt电阻在不同温度下的电阻值与在0℃时标称电阻的差值，并且由电阻分度表可知，当电阻传感器所处温度为零下时，差值为正值；当电阻传感器所处温度为零上时，差值为负值。
下图是一个测量温度的电路，由电阻变换器Rt和R1，R4，R3组成测量电路，仿真时用滑动变阻器代替热敏电阻当电桥平衡时输出UO=0.这表明测量放大器有较高的共模抑制比和较小的温漂若测量桥臂Rt感受到温度变化后，会产生与△Rt相应的微小变化的△Ut=△U6图 图7 图7为温度为0度时，对应的热敏电阻阻值是325k欧姆，电桥平衡，输出电压是0伏图8 图8为温度是99度时对应的阻值是6.6689k欧姆对应的输出电压约为-5.76伏 4.2放大模块 放大系统是把温度传感器输出的弱信号放大，将每一摄氏度当对应的电压以整数输出，可以利用集成运放LM358组成差分放大电路当电桥平衡时，相当于输出共模信号，故输出UO=0这表明测量放大器有较高的共模抑制比和较小的温漂若测量桥臂Rt感受到温度变化后，产生与△Rt相应的微小变化△Ut=△U被有效放大了 图9 图9为电桥平衡时，输出的电压约为0伏，经过放大器调零以后输出约为0图10 上图为99度时温度检测电路模块输出电压绝对值为5.76伏，经过放大器放大以后，输出约为7.6伏。
4.3 A/D转换模块 由于Multisim软件中没有，所以用ADC代替ADC0809 温度为零时，电桥平衡，经放大器输出为0伏，模数转换以后对应输出是 图11 当温度为99度时，对应的输入模拟量是7.2伏，经过ADC模数转换以后输出数字量正好是99.4.4显示模块 此模块在上个模块中已经体现五 总体设计电路图图12六、硬件仿真图13硬件图7、 课程设计总结 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和连接图以及芯片上的选择在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的经过几天的上机，过程曲折可谓一语难尽在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令。