1、 電子技術課程設計報告課題： 數字式溫度采集系統設計 班級 電氣1112 學號 1111205227 學生姓名 周恒輝 專業 電氣信息類 系別 電子信息工程系 指導教師 莊立運 淮陰工學院 電子與電氣工程學院2013年5月1 設計目的 a)培養理論聯系實際的正確設計思想，訓練綜合運用已經學過的理論和生產實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。b)學習較復雜的電子系統設計的一般方法，了解和掌握模擬、數字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學生自行設計、自行制作和自行調試。c)進行基本技術技能訓練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟練運用的能力，掌握設計資料、手冊、標準和

2、規范以及使用仿真軟件、實驗設備進行調試和數據處理等。d)培養學生的創新能力。2 設計要求a) 能夠實現壞境溫度的檢測及轉換，檢測精度為0.1；b) 測量值用數字顯示，顯示范圍為-50+150；c) 不可采用集成溫度傳感器；d) 畫出總體電路圖；e) 主要單元電路和元器件參數計算、選擇；f) 安裝自己設計的電路，按照自己設計的電路，在通用板上焊接。焊接完畢后，應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現象；g) 調試電路；h) 電路性能指標測試；i) 要求性能可靠、操作簡便；j) 提交格式上符合要求，內容完整的設計報告；3 總體設計 環境溫度是影響工農業生產的重要因素。本課題要求用電子元器

3、件設計一個數字式溫度采集系統，利用數碼管顯示當前溫度，具有讀數方便、測量范圍廣、測量準確等優點。檢測電路信號原理A/D轉換譯碼器驅動LED顯示 圖1溫度采集報警系統方案框圖3.1總體設計框圖 圖3-1為溫度采集報警系統方案框圖。該溫度采集報警系統由以下幾部分組成：（1）檢測電路（2）信號調理（3）雙積分A/D轉換器（4）基準電壓 （5）顯示譯碼器（6）字位驅動（7）LED數碼管顯示3.2電路組成圖及工作原理 圖2總電路圖測溫探頭的工作原理如圖所示的電路中，電阻R1R3、二極管VD1VD3、三極管V1構成溫度傳感器電路。其中，VD1、VD2串接作為測溫探頭；R1R3、VD3、V1構成恒流源電路，

4、給測溫探頭提供恒定的正向電流。 大家知道，半導體二極管的正向壓降決定于正向電流的大小和溫度，當正向電流一定時，正向壓降隨溫度的升高而下降。對于普通的硅二極管1N4148而言，具有約2.1mV/的溫度系數，當兩個1N4148串接時，總的正向壓降與溫度的關系約為4.2mV/。理論和實踐都已證明，在50150的范圍內，二極管的測溫精度可達0.1，與其他溫度傳感器比較，二極管溫度傳感器具有靈敏度高、線性好、簡便的特點，而且當二極管的正向電流和溫度一定的情況下，其正向壓降是非常穩定的。通過計算可以知道，恒流源提供給VD1、VD2的恒定電流約為0.5mA。二極管VD3起溫度補償作用，保證恒流源能提供穩定的

5、電流。測溫顯示原理測量探頭把待測溫度轉換為相應的電壓后，因為要實現溫度的數字顯示，就必須有模擬/數字轉換裝置。在附圖中，IC1、IC2、IC3及其周圍元件構成A/D轉換、數字顯示電路。 MC14433是單片CMOS3 位雙積分型A/D轉換器，該A/D轉換器轉換精度高，達0.051字；轉換速率為225次/秒；輸入阻抗大于1000M；外圍元件少，電路結構簡單；量程為1.999V和199.9mV兩檔；輸出8421BCD代碼，經譯碼后實現LED動態掃描顯示。MC14433的第2腳為外接基準電壓Vref輸入端；第3腳為被測電壓Vin輸入端；第1腳為模擬地，此端為高阻輸入端，是被測電壓和基準電壓的地；第1

6、5腳為過量程輸出標志端OR，平時OR為高電平，當|Vin|Vref即超過量程時，OR為低電平。被測電壓Vin與基準電壓Vref成下列比例關系(當小數點定位于4個LED數碼管的十位數時)： 輸出讀數=Vin/Vref 199.9在圖中，IC2(譯碼器MC14511)把IC1(MC14433)輸出的BCD碼譯成十進制數顯示，因為MC14433以掃描方式輸出數據，所以只需要用一個譯碼器就能驅動4只共陰極LED數碼管，其中千位數的數碼管(最左邊一個LED數碼管)只接b、c兩段。4只LED數碼管的公共陰極分別由IC3(MC1413)中的4個達林頓復合晶體管驅動。負號由千位數的LED數碼管之“g段”來顯示

7、，顯示負號的“g段”由MC14433的Q2控制，當輸入負電壓時(對應溫度為0以下)，Q2=“0”，顯示負號的“g段”通過R15點亮；當輸入正電壓時(對應溫度為0以上)，Q2=“1”，使MC1413的另一個達林頓復合晶體管把流過R15的電流旁路到地，使顯示負號的“g段”熄滅。小數點固定在十位數的LED數碼管，通過R16給小數點“dp”提供電流，使小數點“dp”點亮。在圖中，設置電位器RP1和RP2，其中RP1用于調節沸點(100)；RP2用于調節冰點(0)。整個電路的直流電源由IC4(LM7809)提供，直流電源電壓為9V。3.3各框圖的功能和實現該功能的可選電路及特點1) 檢測電路：轉化元件輸

8、出的電量常常難以直接進行顯示,記錄,處理和控制.這時就需要將其進一步變化成可直接利用的電信號。2)信號調理：簡單的說就是將待測信號通過放大、濾波等操作轉換成采集設備能夠識別的標準信號。是指利用內部的電路(如濾波器、轉換器、放大器等)來改變輸入的訊號類型并輸出之。3)雙積分D/A轉換電路：能將模擬量轉換成數字量的電子電路,簡稱ADC或A/D。模數轉換器是利用數字系統分析、處理。4）基準電壓：高精度的基準在電源接通后，芯片達到熱穩定之前可能需要一個額外的熱穩定周期并且使得受熱所引起的失調達到它們的最終穩定值5）顯示譯碼器：主要解決二進制數顯示成對應的十、或十六進制數的轉換功能，一般其可分為驅動LE

9、D和驅動LCD兩類。6）字位驅動：用字位顯示接口驅動步進電機。7）LED數碼管顯示：LED數碼管以發光二極管作為發光單元。3.4 電路制作所需的工具表 3-1工具名稱 工具數量 電烙鐵 1 萬用表 1 剪刀 1 鑷子 1 鉗子1 3.5 元器件列表表 3-2元件名稱 元件數量 MC144331CD4511 1 MC14131 78091 510K電阻 120K電阻3 3K電阻 1 4.7K電阻 1 1K電阻 9 10K滑阻 2 300K電阻 1 470UF電容 1 2200UF電容1 0.1UF電容 3IN4148 390131 電路板 1 焊錫絲，導線 若干 3位半共陰數碼管1 4 單元電路

10、設計4.1 MC14433芯片MC14433是美國Motorola公司推出的單片3 1/2位A/D轉換器，其中集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要功能特性如下： 1.精度：讀數的0.05%1字 2.模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔 3.轉換速率：2-25次/s 4.輸入阻抗：大于1000M 5.輸入阻抗：大于1000M 6.功耗：8mW（5V電源電壓時，典型值） 7.功耗：8mW（5V電源電壓時

11、，典型值） MC14433最主要的用途是數字電壓表，數字溫度計等各類數字化儀表及計算機數據采集系統的A/D轉換接口。 圖3 MC14433引腳圖1. Pin1(VAG)模擬地，為高科技阻輸入端，被測電壓和基準電壓的接入地。 2. Pin2(VR)基準電壓，此引腳為外接基準電壓的輸入端。MC14433只要一個正基準電壓即可測量正、負極性的電壓。此外，VR端只要加上一個大于5個時鐘周期的負脈沖(VR)，就能夠復為至轉換周期的起始點。 3. Pin3(Vx)被測電壓的輸入端，MC14433屬于雙積分型A/D轉換器，因而被測電壓與基準電壓有以下關系： 因此，滿量程的Vx=VR。當滿量程選為1.999V

12、，VR可取2.000V，而當滿量程為199.9mV時，VR取200.0mV，在實際的應用電路中，根據需要，VR值可在200mV2.000V之間選取。 4. Pin4-Pin6(R1/C1，C1)外接積分元件端。次三個引腳外接積分電阻和電容，積分電容一般選0.1uF聚脂薄膜電容，如果需每秒轉換4次，時鐘頻率選為66kHz，在2.000V滿量程時，電阻R1約為470k，而滿量程為200mV時，R1取27k。 5. Pin7、Pin8(C01、C02)外接失調補償電容端，電容一般也選0.1uF聚脂薄膜電容即可。 6. Pin9(DU)更新顯示控制端，此引腳用來控制轉換結果的輸出。如果在積分器反向積分

13、周期之前，DU端輸入一個正跳變脈沖，該轉換周期所得到的結果將被送入輸出鎖存器，經多路開關選擇后輸出。否則繼續輸出上一個轉換周期所測量的數據。這個作用可用于保存測量數據，若不需要保存數據而是直接輸出測量數據，將DU端與EOC引腳直接短接即可。 7. Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)時鐘外接元件端，MC14433內置了時鐘振蕩電路，對時鐘頻率要求不高的場合，可選擇一個電阻即可設定時鐘頻率，時鐘頻率為66kHz時，外接電阻取300k即可。 8. Pin12(VEE負電源端。VEE是整個電路的電壓最低點，此引腳的電流約為0.8mA，驅動電流并不流經此引腳，故對提供此負電壓的電源供給電流要求

14、不高。 9. Pin13(Vss)數字電路的負電源引腳。Vss工作電壓范圍為VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有輸出端均以Vss為低電平基準。 10. Pin14(EOC)轉換周期結束標志位。每個轉換周期結束時，EOC將輸出一個正脈沖信號。 11. Pin15（OR非）過量程標志位，當|Vx|VREF時， 輸出為低電平。 12. Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路選通脈沖輸出端。DS1、DS2、DS3和DS4分別對應千位、百位、十位、個位選通信號。當某一位DS信號有效（高電平）時，所對應的數據從Q0、Q1、Q2和Q3輸出，兩個選通脈沖之間的間隔為2個時鐘

15、周期，以保證數據有充分的穩定時間。 13. Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD碼數據輸出端。該A/D轉換器以BCD碼的方式輸出，通過多路開關分時選通輸出個位、十位、百位和千位的BCD數據。同時在DS1期間輸出的千位BCD碼還包含過量程、欠量程和極性標志信息。14. Pin24(VDD)正電源電壓端。4.2 數字電壓表軟件流程 圖 4 數字電壓表軟件流程圖4.3 A/D轉換、譯碼和驅動部分驅動器是將譯碼器輸出對應于共陽極數碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅動相應筆畫的方波。 控制器的作用有三個： 第一，識別積分器的工作狀態，適時發出控制信號，使各模擬開關接通或斷開，A/D轉換

16、器能循環進行。 第二，識別輸入電壓極性，控制LED數碼管的負號顯示。 第三，當輸入電壓超量限時發出溢出信號，使千位顯示“1 ，其余碼全部熄滅。鎖存器用來存放A/D轉換的結果，鎖存器的輸出經譯碼器后驅動LED 。它的每個測量周期自動調零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。雙積分型A/D轉換器的電壓波形圖如圖5所示圖 5雙積分型A/D轉換器的電壓波形圖4.4顯示譯碼器 顯示譯碼器CD4511是一個用于驅動共陰極 LED （數碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器

17、。CD4511引腳圖 圖6 CD4511引腳圖 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，七段數碼管均處于熄滅（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狀態，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數值。A1、A2、A3、A4、為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。CD4511的內部有上拉電阻，在輸入端與數碼管筆段端接上限流

18、電阻就可工作。5 調試焊接、安裝好電路后，該數顯溫度計需要經過調試方可正常使用。調試前，先準備好0的冰水和100的沸水各1000ml.調試步驟如下：(1) 將RP1調到最上端，使Vref為最高電壓，把二極管測溫探頭置于0的冰水中，調節RP2，使四只LED數碼管顯示的讀數為“00.0”。(2) 將二極管測溫探頭置于100的沸水中，調節RP1，使得四只LED數碼管顯示的讀數為“100.0”，且IC1(MC14433)的第15腳OR為高電平。 經上述調試后，該數顯溫度計就可以正常工作了，其測溫范圍是50150。該數顯溫度計的測溫范圍僅受二極管測溫探頭的限制，若改用其他的溫度傳感器，則無需變動附圖所示電路的其他部分，就可獲得不同測溫范圍的數顯溫度計。6 電路測試及測試結果先檢查線路是否短路，斷路，是否有虛焊。按原理圖，接上所有元器件，接通電源。通電后先觀察數碼管是否正常點亮，為了安全起見最好在通電測試前在數碼管的公共端陽極串入一個限流電阻防止出現錯誤燒壞數碼管。模擬部分的調節主要是調節滑阻，用萬用表觀察穩壓源輸出端與運放正極之間的電壓。經過一系列的測試之后，最終得其