电子体温计的设计

北京信息科技大学

综合电子设计实验指导书

-----电子体温计的设计

电工电子实验教学中心

陈福彬

目录

课程设计简介 (3)

1.1课程设计目的与要求 (3)

1.2电子电路设计方法和步骤 (3)

1.3课程设计报告 (3)

课程设计题目：电子体温计的设计 (4)

2.1设计目的 (4)

2.2设计任务与要求 (4)

2.3设计要求 (4)

2.4设计思路 (4)

2.4.1基本工作原理 (4)

2.4.2 电路分析与设计 (5)

课程设计简介

1.1课程设计目的与要求

课程设计，实际上是利用所学过的基本理论知识和一定的实验技巧来设计小型的电子系统。

1.能够综合所学的理论知识提出设计方案并加以论证。

2.能够根据需要选择参考书，查阅手册、图表和文献资料，通过独立思考、深入钻研有关问题，

培养独立分析问题、解决问题的能力。

3.通过对设计方案的分析比较，单元电路的设计、元件选择，掌握使用电路的设计方法。

4.利用电子设计仿真软件进行电路辅助设计，能正确绘制电路图。

5.掌握常用仪表的使用方法，学会电路的实验调试和整机的测试方法，提高动手能力。

6.学会撰写课程设计总结报告。

1.2电子电路设计方法和步骤

1.3课程设计报告

1.统一的封面

2.设计任务与要求

3.内容摘要

4目录

5设计报告正文

包括：（1）系统总体设计方案

（2）系统分析与设计（包括各模块或单元电路的设计、工作原理阐述、参数计算、完整的电路图等内容）

（3）系统调试与参数测量（包括电路调试地方法、测试的参数和波形、测量误差分析等）

（4）总结（包括课题的核心内容和实用价值、设计电路的特点和方案的优缺点、改进方向和意见）（5）系统的元器件清单

课程设计题目：电子体温计的设计

2.1设计目的

1. 掌握温度测量电路的设计原理与设计方法

2. 学会安装与调试电子电路的方法与步骤

3. 熟练掌握计数、锁存、译码、显示电路的应用

2.2设计任务与要求

1．温度测量范围: 0～50℃，精度为0.1℃;

2．用三个数码管显示，误差控制在1%；

3．应用中、小规模集成电路设计温度测量电路

2.3设计要求

1. 根据技术指标选定实现方案。

2.说明所选电路的组成及工作原理，并绘出原理框图。

3．主要电路的设计计算和元器件选择。

4．画出实际电路图，（用mutisim绘图软件绘制并仿真）。

5．列出元器件清单。

6. 拟订调试方法和步骤。

7. 拟定技术指标的测试方案，给出相应的测试用数据表格。

2.4设计思路

2.4.1基本工作原理

温度传感器LM35将其接收到的温度信号转换成电压信号输出。然后通过一个LM331，将其接收到的从LM35输出的电压信号转换成频率信号后输出，其输出频率可通过下面的公式进行计算：

f OUT=0.01T×Rs/（2.09RL×R6Ct）

该设计的电路中的电位器Rs是用来调节LM331的输出，即本电路可通过调节Rs来调整其温度与频率的转换系数，这样我们可以调节其分辨率。

频率计是实验室常用仪器之一，其基本工作原理是首先要有一个稳定而又准确的时钟源，用它产生的频率信号经过分频电路后得到标准时间的闸门信号，并在闸门信号的后沿由锁存清零控制器产生锁存信号使锁存器锁存数据、产生清零脉冲使计数器清零，以便下一次重新开始计数。

被测频率信号在闸门开启的时间内进入BCD码计数器进行计数，当闸门信号的后沿到来时计数器停止计数，同时在锁存信号的控制下将计数结果锁存在锁存器中，被锁存的数据经译码驱动电路译码后驱动数码显示电路。

2.4.2 电路分析与设计

1.温度频率变换器电路设计

根据各芯片的性能、要求和引脚功能，设计如右所示的电路，在该电路中V CC为电路提供+5V的稳压电源，LM35的GND端接地，V S端接直流稳压电源V CC，OUT端输出电压信号。LM331的8脚即V CC端接直流稳定电源，7脚即V IN端接100KΩ的电阻到LM35的OUT端5脚即RC端接R6=6.8KΩ的电阻到直流稳压电源，4脚即GND端直接接接地，3脚即f OUT端为频率输出端，2脚即RS端接定值电阻R5=3KΩ和滑动变阻器R3，串联一个定值电阻是因为调节R S的大小可以调节系统的分辨率的，为了防止R S被调为0Ω，如果R S被调为0Ω，LM331的f OUT端的输出为0，即，f OUT端没有频率输出，通过此电路中的LM35将温度信号转换为电压信号，并通过输出Vout端将电压信号经R2输入到LM331芯片中，LM331将电压信号转换为频率信号。

2. 时钟电路

闸门脉冲的准确性（精度）取决于时钟电路。

图6.6.3 时钟电路

4518是双4位BCD码-十进制计数器，控制逻辑与4520完全一样，真值表见表6.6.2。

表6.6.2 4518和4520的真值表

CLK EN R输出

上升沿 1 0+1

0 下降沿0+1

下降沿×0不变

×上升沿0不变

上升沿0 0不变

1 下降沿0不变

××1Q0~Q3为0

图6.6.4 将4518接成8分频电路的方法

3. 锁存清零控制器

锁存信号是用来锁存1秒闸门时间内计数结果的，所以应用闸门脉冲的下降沿产生锁存信号。清零信号是用来对计数器清零的，必须在锁存信号之后到来。这一电路可用十进制循环计数器4017来完成。

4017是16脚双列直插式CMOS集成电路，有两个控制端，即复位端RST（15脚）和使能端NEA（13脚）；一个时钟输入端CLK（14脚）；一个进位输出端CO（12脚）和十个循环输出端Q0~Q9。当RST为高时，除Q0外所有输出端均为“0”，当RST和NEA均为低时，它对CLK端输入的时钟脉冲上升沿进行循环计数，Q0~Q9依次循环输出高电平。根据这一特点可以设计出如图6.6.5所示的锁存清零控制器电路。

闸门信号是正逻辑信号，闸门开启期间为高电平，这时4017的Q0为“1”、Q1~Q9端均为“0”，计数器可以正常计数。闸门信号结束（变低）后计数器停止计数，4017开始开始工作，时钟信号频率比闸门信号高8倍，第一个脉冲上升沿使4017的Q0变低，Q1变高，将计数器中的数据锁存在锁存器中。第二个脉冲上升沿使4017的Q1变回低电平，Q2变成高电平，锁存器中的数据不变，但计数器被清零。第三个脉冲上升沿使Q0、Q1和Q2均变低，锁存器中的数据仍然不变，计数器保持“0”状态，但由于这时的闸门信号仍然是低电平，所以计数器并不计数。

到第八个脉冲结束时，4017只循环到Q7为高电平，还没有轮到Q0第二次变高，第二个闸门脉冲就开始了，计数器重新开始计数。

在计数器计数期间，由于锁存信号始终为低电平，锁存器中的数据仍然是前一次锁存的结果，一直保持到计数结束，锁存脉冲到来，锁存器中的数据才被更新。

图6.6.5 锁存清零控制器电路

4.十进制计数器MC14553

CD14553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。

CD14553引脚功能：

CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效。

CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子。

MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。

LE：锁定允许。当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数

器的值不能进入。

DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。

DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。

Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。

CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。例如：当Q0～Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。

图1 CD4553引脚图

CD4553/CC4553真值表：

Inputs 输入

Outputs 输出

Master

Clock Disable LE

Reset

0 ↑ 0 0 No Change 没有变化

0 ↓ 0 0 Advance 进行

0 x 1 x No Change 没有变化

0 1 ↑ 0 Advance 进行

0 1 ↓ 0 No Change 没有变化

0 0 x x No Change 没有变化

0 x x ↑ Latched 锁存

0 x x 1 Latched 锁存

1 x x 0 Q0=Q1=Q2=Q3=0

6 译码驱动器

用于驱动共阳极型数码管显示器的译码驱动电路常用CD4511，它是双列直插16引脚集成电路，16脚接V CC，8脚接地，其余引脚的定义如图6.6.9所示。

CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列

图1：CD4511管脚图

如图1 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d 段消隐，所以显示6、9 这两个数时，字形不太美观图3是 CD4511和 CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300?的限流电阻。

7 数码管

常用的小型数码管有共阳极型数码管和共阴极型数码管。这里以共阳极型数码管为例介绍数码管的结构和使用方法。图6.6.10（a）所示为0.5英寸数码管的管脚排列（俯视）示意图，图6.6.10（b）所示为数码管的电路标识图。无论是LA5011还是别的型号，只要是0.5英寸数码管，管脚排列都是一样的，由图可见，数码管的第3脚和第8脚为COM端，接V CC，其余引脚的作用为：

7脚——接低电平时a字段辉光；

6脚——接低电平时b字段辉光；

4脚——接低电平时c字段辉光；

2脚——接低电平时d字段辉光；

1脚——接低电平时e字段辉光；

9脚——接低电平时f字段辉光；

10脚——接低电平时g字段辉光；

5脚——接低电平时小数点dp辉光；

共阴极型数码管与共阳极型数码管的区别仅在于接入电路时的极性不同。共阴极型数码管的COM端应该接地，而各个字段控制端接高电平时才能辉光。

如果不准备让某个笔段（例如小数点dp）辉光时，只要将该笔段的控制端悬空或接到COM端即可。

0.5英寸数码管每个字段的最大驱动电流不得超过20mA（≥2mA时即可看见辉光），正常情况下每个字段上的电压降为1.6~2.8V，所以当电源电压为5V时，在笔段控制端与驱动电路输出端之间应该串接一只200Ω~300Ω的限流电阻, 否则既有可能烧毁数码管，也有可能烧毁驱动电路。