1、 1. 概述- 1 -1.1設計要求- 1 -1.2實驗步驟- 1 -1.3數字儀表- 1 -1.31數字儀表概述- 1 -1.32數字儀表組成及作用- 1 -2.設計方案- 2 -2.1系統原理- 2 -2.2器件選用- 2 -2.2.1熱電偶- 2 -2.2.2放大器ICL7650- 3 -2.2.3 A/D轉換MC14433- 3 -2.2.4地址鎖存器74LS373- 4 -2.2.5 EEPROM線性化器MC28C64- 5 -2.2.6計數譯碼CD4511- 6 -2.2.7數字顯示與數碼輸出七段碼轉換器- 6 -2.3全部實驗器材- 7 -2.3.1集成電路芯片有：- 7 -2.

2、3.2開發環境如下：- 7 -3. 制作及調試過程- 8 -3.2遇到的問題及解決方法- 9 -4. 結果及分析- 9 -4.1實驗結果截圖- 9 -4.2誤差及分析- 10 -5.心得及體會- 11 -6.參考文獻- 12 - 12 -北京信息科技大學自動化學院實 驗 報 告課程名稱 智能檢測技術及儀表 實驗名稱 基于熱電偶的數字溫度顯示儀 專 業 自動化（信息與控制系統）班級/學號 自控/學生姓名 實驗日期 2013.4.10-4.25 實驗地點 7-109 成 績 指導教師 1. 概述1.1設計要求制作E,K型熱電偶數字溫度表,其大體可以采用放大,記數,時鐘,譯碼,顯示等數字儀表組建方式

3、,其間也有一些是屬于熱電偶的特殊之處,在制作過程中區別于其他的數字儀表。1.2實驗步驟圖1.1 實驗步驟1.3數字儀表1.31數字儀表概述 數字式顯示儀表是一種以十進制數形式顯示被測量值的儀表，與模擬式的顯示儀表相比較，數字顯示儀表具有讀數直觀方便，無讀數誤差準確度高，響應速度快，易于和計算機聯機進行數據處理等優點1.32數字儀表組成及作用 1.運算放大器：對傳感器測出的微弱電壓電流信號進行放大。 2.模/數(A/D)轉換器：將模擬信號轉換為數字信號,為后面儀表顯示做準備。3.計數器/譯碼器：通常用作對上一步的數字信號做相應的邏輯變換。4.時鐘電路：必不可少的,提供給整個系統的時鐘信號。5鎖存

4、器/緩沖器：提高數字電路的驅動能力。6.驅動電路：驅動數字儀表的顯示器件。7.標度/線性化電路：對信號進行量綱變換,克服傳感器的非線性特性。8.顯示電路：數字儀表的顯示部分,常用發光二極管,液晶顯示屏等。2.設計方案2.1系統原理圖2.1 系統原理圖（從左到右，由下至上）2.2器件選用2.2.1熱電偶熱電偶是工業上常用的測溫傳感器，尤其在高溫環境下更能體現其優點。在此，選取K型和E型熱電偶做為獲取溫度信號的敏感元件， K型測溫范圍是0至1300 ，E型測溫范圍是0至800?？梢愿鶕煌瑴y量精度選擇使用其中的一種熱電偶 。在本實驗中E型熱電偶作為溫度信號的輸入元件.2.2.1.1熱電偶工作原理1

5、823年塞貝克（Seebeck）發現，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩接觸處的溫度不同時，回路中就要產生熱電勢，稱為塞貝克電勢。這個物理現象稱為熱電效應。ATT0圖2.2.1 熱電效應B如圖2-1：兩種不同材料的導體A和B，兩端聯接在一起，一端溫度為T0，另一端為T（設T> T0），這時在這個回路中將產生一個與溫度T，T0以及導體材料性質有關的電勢EAB（T，T0），顯然可以利用這個熱電效應來測量溫度。在測量技術中，把由兩種不同材料構成的上述 熱電交換元件稱為熱電偶，稱A，B導體為熱電極。兩個接點，一個為熱端（T），又稱工作端，另一個為冷端（T0），又稱為自由端或參考端。2.2.

6、2放大器ICL7650 熱電偶輸出的熱電勢信號，其大小只有毫伏級，不能做為后續電路的輸入信號，必須進入前置放大器進行信號放大到0至1v的范圍，采用ICL7650進行同相放大，同相放大公式為： A=1+R2/R1 所以放大倍數如下： K： A1=A-1=1000/51.612-1=18.4 E： A1=A-1=1000/59.825-1=15.7采用ICL7650作為放大器，它具有極低的輸入失調電壓，溫漂、時漂也較低。 Cextb： 外接電容1Cexta： 外接電容2-Input： 反向輸入端+Input： 同向輸入端 V-： 負電源端 Cretn： 外接電容的公共端Output： 輸出端V+：

7、 正電源端Int/clk： 時鐘輸出端Ext/clk： 時鐘輸入端 圖2.2.2 ICL7650各引腳2.2.3 A/D轉換MC14433 在溫度測量系統中，溫度變化過程比較平穩，不需要高速的A/D變換器。這里采用雙積分型的A/D轉換器MC14433。它能將模擬信號轉換為BCD碼，并且動態掃描輸出，即千、百、十、個位BCD碼分時在Q0Q3輪流輸出，同時在DS1DS4端輸出同步字位選通脈沖。轉換公式如下： 輸出讀數Vx/Vr*2000 采用MC14433作為A/D轉換器，它的轉換速度和轉換精度非常適用于溫度測量系統。 圖2.2.3 MC1443各引腳 2.2.4地址鎖存器74LS373 MC14

8、433 A/D轉換結果采用BCD碼動態掃描輸出，因此每位數字要增加一個四位的鎖存器74LS373，把經過多路組合的數據分離出來，并寄存在相應的鎖存器內，由MC14433的多路調制選通脈沖DS4，DS3，DS2控制Q0，Q1，Q2，Q3BCD碼三位數據的輸出，經個位，十位和百位鎖存器鎖存，輸出個，十，百三位BCD碼，在下一步中，以這十二位BCD碼作為EEPROM的地址線，對其進行尋址。在最初設計中，EEPROM的尋址應該使用二進制碼進行，但是由于BCD碼到二進制碼的轉換芯片已經停產，所以直接用BCD碼做為EEPROM的地址線，所以，就要在相應的存儲單元存儲相應的溫度值?？刂凭€轉換的頻率是由A/D

9、轉換芯片的頻率決定的，通過選定外圍電路的電阻值來控制頻率的高低，在地址鎖存的時候本應該在控制信號到來時傳輸數據的，由于我將A/D轉換的頻率設置在70赫茲，這樣在后續電路顯示的時候，人眼是分辨不出來的。 圖2.2.3 MC1443各引腳2.2.5 EEPROM線性化器MC28C64圖2.2.5 Et 的量化曲線圖 AD轉換器的輸出作為地址碼訪問EEPROM時，EEPROM存放的表格內容將被取出，送入顯示器以顯示被測的溫度。表格的編制方法如下：首先根據熱電偶的Et 特性曲線，在E坐標上進行有限等分。K型的鎳鉻鎳硅熱電偶用于測量01299。設量化單位為q。Et 的量化曲線如圖4-3所示。這種線性化的

10、精度取決于劃分的程度，劃分得越細，越多，則精度越高，不過還取決于實際電路所能達到的程度，也就是芯片的分辨率，A/D轉換的分辨率越高，就可以分的越高，這樣也就跟熱電偶分度表的真實性越接近。線性化的結果是在一定程度上模擬熱電偶的分度表曲線，但不是完全符合，而是允許在一定的誤差范圍之內。這樣做，可以在不搭建復雜模擬電路系統的情況下，實現對熱電偶的非線性特性補償。此種做法的不足之處是，在計算新的分度表時，過程較繁瑣，但相對于復雜的模擬電路來說，還是有很大改進的。K型熱電偶的溫度特性曲線是非線性的，為了在數字轉換部分使電路簡化，就應當在這里對非線性進行補償，從它的溫度特性曲線可以看出，采用通常的折線法或

11、是最小二乘法都可以，不過就加大了計算的復雜程度，而且在后續的A/D轉換時就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整個設計的經濟成本，為此，采用了這種借助線性化輔助曲線的方法，詳述如下：首先將K型熱電偶在1299時其轉換電壓是51.612mv，將其分成一千份，那么其最小分度就是q0.0561mv，分得越小，其精度越高，不過要受后續器件的精度影響。其次，在熱電偶的溫度特性表上每隔10找一個參考點，它的作用在于使線性化補償之后的擬合曲線始終在原溫度曲線附近，不會偏差太多，也可以選擇20，或更高，參考點相距越近，測量精度就越高。最后，在測量的時候，將實際測量的轉換電壓與特性表中的參考點比較，這里以向下

12、尋找為標準，找到一個和實際電壓最接近的一個參考點，這時，就以改參考點為基準溫度值，然后計算出二者的電壓差，在將該電壓差除以最小分度q，得出一個在10之內的溫度值，最終顯示溫度為：最終顯示溫度參考點基準溫度附加溫度值按照這種方法制作EPPROM內的溫度表格，這樣把主要的精力用在尋找非線性補償的方法上，簡化了電路的設計，只需把計算出的溫度表格輸入到存儲器中即可，而且這種利用線性化輔助曲線進行非線性補償的方法，計算簡單，易行，精度高(根據參考點和最小分度值的選取)，分辨率高，不僅適用于溫度補償系統還可以在近似的情況中應用。只要后續轉化器件的精度高，就允許將參考點選取的更近，將最小分度值選取的更小。測

13、量結果就更接近實際溫度值。2.2.6計數譯碼CD4511整個系統的工作頻率由A/D轉換器時鐘電路決定，在段碼轉換時采用了4511七段碼轉換芯片。 圖2.2.6 CD4511各引腳其功能介紹如下： BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態如何，七段碼管均處于熄滅（消隱）狀態，不顯示數字。 LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入DCBA 狀態如何，七段均發亮，顯示“8”。它主要用來檢測數碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。LE=1時譯碼器是鎖定保持態，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數值。 A1、A2、A3、A4、為

14、8421BCD碼輸入端。 a、 b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。2.2.7數字顯示與數碼輸出七段碼轉換器 從EEPROM線性化器讀出的數分別送到四個七段碼的譯碼器之中，從里面送出的數碼是BCD碼，然后把BCD數碼通過4511轉換為七段碼，再通過限流電阻接到數碼管上，若采用的是共陰極的數碼管，可以直接把4511的輸出接到數碼管的限流電阻上，然后接到七段碼上，但通常使用的是共陽極的數碼管，這時就需要把4511輸出的七段碼經過非門74HC04做一下反向。限流電阻一般可以根據具體情況來選擇，這里選擇240歐姆的阻值。 本實驗中我們使用的事共陰極的顯示管.最終的溫度值顯示使用L

15、ED數碼管輸出，也可以將其輸入計算機中做進一步運算處理。數碼輸出數字顯示時鐘計數譯碼邏輯控制電路模擬開關A/D轉換基準電源放大電路信號轉換被測信號線性化電路及標度變換 圖2.2.7 電路各部分組成2.3全部實驗器材2.3.1集成電路芯片有：(1) 熱電偶：K型（鎳鉻-鎳硅）和E型（鎳鉻-銅鎳）兩種型號熱電偶(2) 前置放大器：ICL7650 CMOS斬波穩零單片集成運算放大器(3) A/D轉換器：MC14433 3.5位雙積分型A/D轉換器(4) 鎖存器：74系列的74LS373(5) EEPROM線性化器：MC28C64(6) 七段數碼管轉換器：BCD碼到七段碼轉換器45112.3.2開發環

16、境如下：(1) PC機一臺(2) 示波器一臺(3) 萬用表一個(4) 頻率計一個(5) 高精度電源一臺(6) 面包板一塊(7) 剝線鉗，鑷子各一個(8) 導線，不同阻值電阻若干3. 制作及調試過程3.1電路圖 圖3.1系統電路圖3.2遇到的問題及解決方法Q1: 測試時LED無反應 Solve methods: 用萬用表檢查實驗線路發現電面包板上的5V與地并未完全串聯。用導線把所有的5V與地應該接地線路接好Q2: 測試時LED燈亮但不穩定，示數混亂對照實驗連線圖校正改Solve methods: EEPROM(AT28c64)中的引腳錯位。重新連接糾正線路板上的錯誤連線。Q3: 改正線路后LED

17、顯示燈未有反應。Solve methods: 萬用表檢查實驗線路發現由于多次移動和線路的改正導致由于多次移動改正線路等一系列因素導致EEPROM(AT28c64)中控制個位和十位的芯片與面包板接觸不實。4. 結果及分析4.1實驗結果截圖實驗結果數據：數碼管顯示20.721.221.822.422.923.524.124.725.826.7實際溫度2020.52121.52222.52323.52424.54.2誤差及分析最小二乘法程序：axis(0 30 0 30);coords=20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.5;20.7 21.2 21.8 22

18、.4 22.9 23.5 24.1 24.7 25.8 26.7;gridholdplot(coords(1,:),coords(2,:),'*');x=coords(1,:);y=coords(2,:)'b=size(coords);c=ones(1,b(2);MT=c;x;M=MT'f=inv(MT*M)*MT*y;'y=',num2str(f(2),'x +',num2str(f(1);x=-max(x):max(x);y=f(1)+f(2)*x;mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y);fprintf('智能檢測儀表的系數靈敏度S=%5.3f%n',abs(f(2)fprintf('非線性誤差f=%5.3f%n',mistake)plot(x,y)xlabel('x/')ylabel('y/')title('智能檢測技術及儀表實驗')l