数字电子基础课程设计——数字体温计(温度计)

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：电信..班

指导教师：刘运苟工作单位：信息工程学院

题目：16 数字体温计

初始条件：

具备数字电子电路的理论知识；具备数字电路基本电路的设计能力；具备数字电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。

要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、3位LED显示；

2、检测温度0—45摄氏度；

3、绝对误差0.1度；

4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书；

5、设计电源；

6、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。

时间安排：

第十九周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试

指导教师签名： 2013年 5 月 30日

系主任（或责任教师）签名：年月日

摘要

本次课设题目是数字温度计电路，本说明书围绕数字电子技术基础中模数转换电路、相应芯片的管脚功能，以及模电中的电压比较器进行了简要的分析，为设计建立了理论基础。其次，从实验设计电路出发，对仿真的过程及结果进行了简述与分析，与实验要求进行比对，最后进行了实物的制作与调试，给出了相应的焊接工艺，结果分析，材料列表。并在报告书的结尾部分，给出了本次课程设计的心得感受，相应的总结体会。

关键词：模数转换、proteus仿真、电压比较器、温度传感器

Abstracts

In this design，I was asked to design a device that can detect the temperature .The report mainly describes the basic knowledges about the theoretical treatment and the thought of the design .Also,we used the proteus to simulate the real part.The report gives the analysis,the photos of the results,the finished product ,and the compare between the theory and realism .At the end of the report,I give some personal feeling and the experience I got in these days.

Keywords:voltage comparator proteus Digital Analog Converter

目录

1.概论

1.1 设计目的及意义 (1)

1.2 设计任务及要求............................... 错误！未定义书签。

2.总体方案的选择与论证............................. 错误！未定义书签。

2.1 温度采集模块的方案及选择 (1)

2.2 信号转换模块的方案及选择 (1)

2.3显示模块的方案及选择 (1)

3.电路设计........................................ 错误！未定义书签。

3.1 直流稳压电源的设计 (1)

3.2 温度采集模块的电路设计及原理 (1)

3.3 信号转换模块的电路设计及原理 (10)

3.4显示模块的电路设计及原理 (10)

3.5电路中参数的设置 (11)

3.6总电路图 (11)

4.电路仿真及分析.................................. 错误！未定义书签。

5.电路的安装与调试 (14)

6.误差分析........................................ 错误！未定义书签。

7.实物展示 (16)

8.总结............................................ 错误！未定义书签。

9.参考文献 (19)

1.概论

1.1 设计目的及意义

1.巩固数电知识的学习，熟练分立元件的实际应用；

2.进一步巩固简熟悉数字体温计的电路结构及电路原理；

3.掌握proteus的使用方法；

4.学会用简单的元器件及芯片制作简单的数字体温计，增强动手能力；

5.学会调试电路并根据结果分析影响实验结果的各种可能的因素。

1.2 设计任务及要求

1.2.1设计任务

利用所学知识，自选相关电子器件，设计一个数字体温计。

1.2.2要求

1、3位LED显示；

2、检测温度0—45摄氏度；

3、绝对误差0.1度；

4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书；

5、设计电源；

6、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。

2.总体方案的选择与论证

分析本次课程设计的相关要求，总体上，本次设计可分为以下几个部分：温度采集电路、模数转换电路、电压比较电路、发光二级管报警电路。具体方框图如图1。

2.1 温度采集模块的设计与论证

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。

方案一：采用二极管做温度传感器

晶体二极管或三极管的PN 结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN 结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV ，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN 结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。

方案二：用可编程器件DS18B20做温度传感器

DS18B20数字温度计是DALLAS 公司生产的1－Wire ，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

温度采集电路

电压比较电路 发光二级管报警电路

模数转换电路 数码管显示电路 图1 电路原理框图

DS18B20产品的特点

（1）、只要求一个端口即可实现通信。

（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）、测量温度范围在－55。C到＋125。C之间。

（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

（6）、内部有温度上、下限告警设置。

但是18B20需要单片机软件控制，与本次设计要求不符。

方案三：用LM35做温度传感器

LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。

在使用单一电源时，LM35的一个缺点是无法指示低至零度的温度。据称利用LM35可测出20mV的电压，这一值相当于2℃（一些情况下甚至可测出0～2mV的电压！），但要指示零度或更低的温度时，最好还是再提供一个负电源和一只下拉电阻。

通过比较和对本次设计要求的的考虑，决定采用方案三以LM35作温度传感器。

2.2 信号转换模块的设计与方案选择

数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号的模拟量后，需经模/数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路-A/D转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶所在。

方案一：用可编程器件A/D做转换器

如果利用ADC0801进行一次A/D转换，其工作过程为：先由外电路给片选端

输入一个低电平，选中此芯片使之进入工作状态，此时输出为高电平，表示转换没有完成，芯片输出为高阻态。和为高电平时芯片不工作。当外电路给端输入一个低电平时启动芯片，正式开始A/D转换。转换完成后，输出为低电平，允许外电路取走～数据，此时外电路使和为高电平，A/D转换停止。外电路取走～数据后，使为低电平，表示数据已取走。若要再进行一次A/D转换，则重复上述控制转换过程。图1-2为ADC0801的应用电路图：

图2 ADC0801的应用接线图

方案二：采用ICL7107做转换器

ICL7107是高性能，低功耗的三维半A/D转换电路。它包含有段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。可直接驱动发光二极管（LED）。ICL7107将高精度、通用性很好的结合在一起，有低于10μV的自动效零功能，零漂小于1μV/°C。

主要特点：

(1)保证零电平输入时，各两量程的读值均为零

(2)很低的噪声

(3)差动输入和差动参考源，直接LED显示驱动

(4)不需外接有源电路

(5)低功耗

通过比较和对本次设计要求的考量，最终决定采用方案二进行设计。

2.3 显示模块的设计与方案选择

通过转换模块对模拟量的转换，使显示模块接收到的是数字量，现实更精确简单。

图3液晶显示

方案一：采用液晶显示

液晶显示器(lcd)是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（lcd）的原理与阴极射线管显示器（crt）大不相同。lcd是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。显示虽然方便，但是显示亮度不够，比较模糊，而且需要软件对其进行驱动，与本次课设的用以相违背。

方案二：采用LED数码管进行显示

LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，

以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将"b"和"c"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。

数码管不仅价格便宜而且容易驱动，亮度好且比较稳定。其管脚图如图4所示：

图4 数码管引脚图

通过比较，本次设计采用方案二进行显示模块的设计。

3.电路设计

3.1直流稳压电源的设计

图5 直流稳压电源

很多电子设备，家用电器都需要直流电源供电，其中除了少量的低功耗，便携式的仪器用于电池供电外，绝大多数电子设备正常工作需要直流供电，而常用的电源基本上都是220V或380V的交流电，因此需要把直流电变成交流电。我们一般是将交流电网经过变压，整流，滤波，稳压四个步骤变换成电路所需的低压交流电。

图5所示的电路是采用LM7812和LM7912型号的集成稳压器芯片组成的具有同时输出+12V，-12V电压的稳压电路。此电路对称性好，温度特性也近似一致。电源输出端接有保护二极管D3,D2.正常工作情况下，D2，D3均属于截止状态，不影响电路的工作。电路中的D5，D4也是保护二极管。

3.2 温度采集模块的硬件设计及原理

本次设计采用LM35作为温度传感器，LM35是NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。LM35是一种内部电路已去噪校准放大的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比，输出端电压信号基本满足本设计的需求。转换公式如式：

0°C 时输出为0V，每升高1°，输出电压增加10mV。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测；在静止温度中自热效应低(0.08℃)，单电源模式在25°C下静止电流约50μA，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。

图6 电压-温度关系图

LM35具有的规格参数如下：

1、工作电压：直流4～30V；

2、工作电流：小于133μA

3、输出电压：+6V～-1.0V

4、输出阻抗：1mA负载时0.1Ω；

5、精度：0.5℃精度（在+25℃时）；

6、漏泄电流：小于60μA；

7、比例因数：线性+10.0mV/℃；

8、非线性值：±1/4℃；

9、校准方式：直接用摄氏温度校准；

10、额定使用温度范围：-55～+150℃；

11、引脚说明：①电源负GND；②电源正VCC；③信号输出S。

LM35的封装如图7：

图7 LM35封装

本次设计的温度检测模块硬件图如图8所示：

图8 温度检测模块图

3.3 信号转换模块硬件电路设计及原理

本次设计采用三位半LED 显示A/D 转换器ICL7107，此集成芯片内部包含有数码管的驱动电路，此次选用ICL 最典型的应用电路，设计图如图9所示：

3.4 显示模块设计电路图

本次设计采用气味数码管进行显示，ICL7107中已包含数码管驱动电路，所以数码管只需与ICL7107的输出端对应连接即可， 由于ICL7107的芯片对数码管的输出可以直接连接，对应管脚连接相应的数码管管脚。由于第三块数码管的小数点需要常亮，因此连接地，以达到所需效果。第一块数码管的b 、c 连在一起，以显示“1”。设计图如图10所示：

图9模数转换电路

图10 数码管显示电路

3.5 电路中相关参数设定

1脚，正电源端，接直流+5V；

2~20脚、22~25脚，接相应的数码管；

21脚，接GND，由于采用的数码管是共阳的，因此将21脚与第三块数码管的小数点显示相连，以便达到该位小数点在工作时常亮的状态。

26脚，负电源端，接直流-5V；

27脚，积分器输出端，外接积分电容C（一般取C=0.22uF）；

28脚，输入缓冲放大器的输入端。外接积分电阻R(一般取R=47k)；

29脚，积分器和比较器的反向输入端，接自校零电容C (一般取C=0.47uF)；

30、31脚，模拟量输入端，将LM35的信号从30、31两脚处接入。

32脚，模拟信号公共端，将32脚与30脚相连。

33、34脚，基准电容端，这里采用的是C=0.1uF。

35、36脚，基准正负电压端，这里采用滑动变阻器，以便对基准电压进行调节，使显示正确的温度值。

37脚，测试端。本次设计中空置。

38、39、40脚，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R、C元件。一般采用的参数值为C=100pF、R=100k。

3.6总体设计图

图11 总设计图

4. 电路仿真及分析

4.1 仿真软件简介

本次仿真所用软件是Proteus，Proteus软件是英国Labcenter electronics 公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

其功能特点是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

（3）SPICE电路仿真

4.2 仿真及其分析

首先在Proteus中画好原理图，然后设置ICL7107的36脚的电压值为1V，然后直接设置LM35的温度值，启动仿真，就可观察数码管显示的数值，仿真存在一定的误差，LM35现实的温度值与数码管显示的温度值并不精确的相等，仿真结果如下图：

图12 0℃时的仿真图

图13 45℃时的仿真图

如上图所示，我此次设计的数字体温计能够测量0到45摄氏度的温度，当LM35的温度设置为0℃时，数码管显示的是0.1℃.当LM35的温度设置为45℃时，数码管显示的是44.9℃。综合以上所有仿真结果，我所设计的数字体温计满足了设计任务书里的

要求。

5.电路的安装与调试

1.牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V 至－5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

2.注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。

3.注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。－－本文不讨论特殊要求应用。

4.负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5V 供电就可以解决问题。比较常用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到，这样需要增加硬件成本。我们常用一只 NPN 三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片 38 脚的振荡信号串接一个 20K －56K 的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为 2.4V － 2.8V 为最好。这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支1N4001 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 ICL7107 的 26 脚使用。这个电压，最好是在－3.2V 到－4.2V 之间。

5.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻X1 档，我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107 的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，

允许有 2 －3 个字的误差。如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。

6.比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 － 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。

7.ICL7107 也经常使用在 ±1.999V 量程，这时候，芯片 27,28,29 引脚的元件数值，更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以使用在±1.999V 量程了。

测量数据如表1所示：

数字万用表

数显温度计 室温 21.0℃

20.5℃ 21.1℃ 20.5℃ 冷水 15.1℃

15.2℃ 15.2℃ 15.1℃ 温水

52.0℃ 50.8℃ 52.1℃ 50.7℃ 表1 测量数据

6.误差分析

LM35温度传感器是常用的传感器之一。使用温度传感器不可避免地存在测量误差，引起该测量温误差的原因是多方面的:(1)传热误差：测温时，必然会通过热敏元件进行热量交换，有传热现象存在，LM35工作端所感受的温度就不能完全正确反映被测环境的温度，存在误差，通过信号放大，该误差进一步增大从而引起测量误差。

（2）动态误差：被测对象温度变化后，测温仪表来不及立即指出变化了的温度，从而引起读数误差。对于快速变化的温度，由于测温元件的热惰性，动态误差可能很大。

（3）线路电阻误差：线路中电阻对信号传导的影响都会引起测温误差。所有各种测温误差，最终都集中反映在E-t 关系上。因此，对各种误差的大小必须针对某一具体问题进行分析，从中抓住主要矛盾，以便提高测量精度。

测 量 工 具 测 量 环 境

7.实物照片

图14 数字体温计正面电路图

图15 数字体温计反面电路图