数显

东北石油大学

课程设计

2014年8 月2日

东北石油大学课程设计任务书

课程数字显示仪表课程设计

题目数字压力显示仪表的制作

专业自动化姓名林彦超学号120601140717

主要内容：

在面包板上安装一台单片A/D转换器7107或7106组成的0-2V通用表头。配接压力传感器（应变片式、扩散硅式或其它类型压力传感器），制成数字压力显示仪表。

基本要求：

（1）根据实验室所提供的元件、材料，设计并描绘电路接线图。最后在面包板上接插显示仪表的电路。

（2）由于元件、材料要反复使用，在接插过程中要小心，不要故意破坏元件。（3）在整个课程设计中，要学会实验室基本仪器、工具有使用方法。

（4）各小组配备的万用表、工具精心使用，如有故意损坏、丢失、要按价赔偿。参考资料：

[1] 张天春,杨慧敏.数字显示仪表课程设计指导书.大庆石油学院自编教材,2008.

[2] 李正军.计算机控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[3] 沙占有.数字化测量技术与应用[M].机械工业出版社,2004.

[4] 井口征士.传感工程[M].科学出版社，2005.

[5]徐爱钧.智能化仪表测量控制原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,1995.

[6] 孙蓓，张志义.电子工艺实训基础[M].北京：化学工业出版社，2007.

完成期限2013.7.22～2013.8.2

指导教师高宏宇

专业负责人

2013年8月2日

目录

第1章数显仪表工作原理 (1)

1.1数字仪表的发展与应用 (1)

1.2数字仪表的特点 (1)

1.3压力传感器的工作原理 (2)

第2章数显仪表设计方案 (4)

2.1ICL7107双积分A/D转换器 (4)

2.2 LED显示器 (6)

2.3主要集成块 (7)

第3章数显仪表的制作 (7)

3.1数显部分安装 (8)

3.2电源部分安装 (8)

第4 章结论与体会 (11)

参考文献 (12)

第1章数显仪表工作原理

1.1数字仪表的发展与应用

20世纪50年代初，世界上出现了世界上出现了第一台数字显示仪表。近五十年来随着科学技术的讯猛发展，尤其是数字化测量技术、半导体技术、大规的集成电路技术及计算机技术在仪表中的应用，仪表的应用范围扩展到一切测量领域。数显表现在在各行各业的应用越来越广泛，但对其定义一般都比较模糊。数显仪表定义：数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场合下已经代替了指针式仪表。

从我们家中的电子钟表到工厂用的显示数据牌，无论是对时间的把握还是对产量的控制都提供了精准的数字显示，用数字量替换了模拟量。到目前为止数显表的概念还没有统一的说法，但对其认识却大都相同，顾名思义它应该是数字或字母显示的仪表。从广义上讲，街头随处可见的大屏幕数字交通信号灯计时牌，车站的车次牌、工厂数控显示表等都算是数显表的范畴，目前的数显表一般都与电脑、PLC等设备相互连接使用。它的应用非常广泛，大到卫星监控数据、小至手腕上的电子手表，可以说在现代社会里，它的身影无处不在，其结构并不是很统一，随着需要它的形状大小也会跟着变化，一般为长方形的表头配一个表身。数显表的数字显示一般采用LED发光管或者是液晶屏幕这两种来完成。工业、交通等一般都是采用LED发光管的数显表，因为LED光源比较亮，有多种颜色，尤其是红色，非常适合辨别。液晶显示通常用于家用钟表，因其自身不发光，所以比较省电。随着数字技术和微电脑技术的不断发展，数显表、以单片机为核心的新型显示与记录仪表越来越广泛地应用到工业自动化和工控领域中。数显表与指针表一样，与各种传感器、变送器相配，对电量、压力、物位、液位、流量、温度等进行测量，并直接以数字形式显示被测结果。

1.2数字仪表的特点

（1）数字显示，读数不存在视觉误差。

（2）精确度一般较高，数字电工仪表由于没有机电类仪表的可动部分，所以机械摩檫，变形的影响极小，只要元器件的质量、性能上没问题，数字仪表是比较容易制成很高精准度的仪表，一般机电类仪表精准度达0.1%已很不容易，而数字仪表可轻易达到0.05%，目前有些数字仪表以达到0.01%的精确度。

（3）灵敏度高。由于有些数字仪表内多设有各种放大线路或器件，所以可测量较小的信号，如1v左右的电压信号，1mA左右的电流信号号、0.01Hz的频

率信号。

（4)输入阻抗高，数字仪表一般本身有工作电源，除测量电流外一般阻抗都可以制得较高，使在测量时对被测物理量影响很小。

（5）使用方便。特别是实验室用便携式、台式仪表，可制成多量程（目前有-1999-9999 显示量程的KM表系），多功能仪表（可测量电流电压频率功率线速转速）。

（6）抗干扰性能教差，由于数字仪表灵敏度高，其副作用就是抗干扰性能差，外磁场和电场等变化容易引起读书变化，为了解决这一现象；深圳科立恒公司，在技术方面投入巨资，应用先进的表面贴装工艺和电磁隔离技术，弧型设计面板确保仪表的长期稳定。

（7）数字仪表的精确度，表示方法不同于指针式仪表，数字仪表一般多以上量限或读数值为基准值的百分数再加上几个数字来表示该表的精确度，比如KM系列数显仪表，系统精度0.1%(直流)，0.2%（交流）满刻度1字。一般多功能，多量程的数字多用表的各功能、量程档位不同时，精确度也不一样。所以在选择和使用数字仪表时应引注意。

1.3压力传感器的工作原理

图1-1为其传感器部分的结构。如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。

图1-1 压力传感器基本构造

如图1-1所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。，受到拉伸的电阻R2和R4阻值增加；受到压缩的电阻

R1和R3阻值减小。由于各压电电阻如那样组成桥路结构，如果将它们连接恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，当压力为零时的ΔV等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V，实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。压力为零时，3R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR；相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR，于是ΔV=ΔRI 。这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。压力传感器的工作原理是当压敏电阻受压后产生电阻变化，通过放大器放大并采用标准压力标定，即可进行压力检测。压力传感器的性能主要取决于压敏元件（即压敏电阻）、放大电路，以及生产中的标定和老化工艺。在目前的压力传感器封装工艺中，通常可以将压阻式敏感芯体做得体积小巧、灵敏度高，而且稳定性好，并将压敏电阻以惠司通电桥形式与应变材料（通常为不锈钢）结合在一起，这样一来，就能确保压力传感器过载能力强和抗冲击压力强。该类传感器适合测量高量程范围的压力变化，尤其在1Mpa以上时，线性很好，精度也很高，并适合测量与应变材料兼容的各类介质。陶瓷压阻在结构上，该类传感器将压敏电阻以惠司通电桥形式与陶瓷烧结在一起。其过载能力较应变片略低一些，抗冲击压力较差，但灵敏度较高，适合测量50Kpa以上的高量程范围，而且耐腐蚀，温度范围也很宽。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，可以和应变式传感器相兼容。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。与上述两种结构不同，扩散硅采用在硅片上注入粒子形成惠司通电桥形式的压敏电阻。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。因此扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量1kpa到40Mpa的压力范围。一般情况下，扩散硅传感器分为带隔离膜片和非隔离膜片两种，非隔离膜片只能测量干净的气体，隔离膜片为软性膜片和刚性膜片，适合测量各种类型的介质。压电式传感器是利用某些晶体的极化效应，即当晶体沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受

到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢胺、钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等，其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，磷酸二氢胺属于人造晶体，而压电陶瓷等则属于多晶体。压电压力传感器主要应用在压力和力等的测量中，比如在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。总之，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

第2章数显仪表设计方案

2.1ICL7107双积分A/D转换器

ICL7107CPL是三位半双积分A/D转换器大规模集成电路，其输出极为异或门结构。它的作用是把输入电压信号变为数字输出，并驱动显示器。其内部结构包含模拟和数字两大部分。模拟部分包括积分器、模拟开关、过零比较器等电路。数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、译码器、控制器、相位驱动器等电路。

ICL7107内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零；极性判别电路，即使输入电压很小也能正确区别极性，并显出来；时钟电路，可以外接RC器件，产生自激振荡；供A/D转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源；ICL7107的输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED；ICL7107与其他CMOS 集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。

ICL7107采用标准的双列直插40引线封装，引线排列如图2-1所示。可在7~15V单电源条件下工作。

图2-1 7107管脚排列

双积分式A/D转换器的优点是：对积元件的质量要求不高，时钟振荡器可以使用普通的阻容元件代替石英晶体，抗干扰能力强。它作为一种低速、高精度A/D转换器，在数字仪表中广泛应用。

(1)ICL7107D的双积分A/D转换：ICL7107D模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分（采样）、反相积分（比较）三个阶段：自校零（A/Z）阶段、信号积分(INT)阶段、反相积分（DE）阶段。

(2)ICL7107的逻辑电路：由于ICL7107驱动LED显示器，因此它的数字电路部分较ICL7106略有差异，因为驱动LCD不仅要有锁存器，还要有驱动LCD 的公共电极所需要的对称方波电源（驱动LED无需这一电源），但驱动LCD几乎不需要电流，而驱动LED每端需5~8V电流（吸入），因此两者输出部分略有不同。显示器采用七端显示方式，其中个位、十位和百位十字部分分成a、b、c、d、e、f、g、七端，再加上千位K和符号位P，不同断发光，可以显示出不同的数字。对7107来说，因为发光二极管需要极大驱动电流，故驱动电流吸入电流增大至8mA，对千位数字，K端有两个显示端，所以7107的第19脚吸收电流可达16mA。

(3)时钟脉冲发生器：由于双积分式的转换精度与时钟无关，所以7106不必采用晶体振荡器，只要采用阻容多谐振荡器即可。振荡器是由芯片内的两个与非门外接R0、C0组成的多谐振荡器。为提高抗干扰能力，选R0、C0使f0与电网频率成整倍数关系，一般f0=40Hz时钟发生器输出40Hz信号经四分频为10Hz分三路输出：一路去电子计数器，作为计数脉冲，即为液晶显示器背电极驱动。当然时钟脉冲产生方式也可采用外部时钟或石英振荡器。若采用外部时钟，只要在芯片（40）脚加峰值5V信号即可，经芯片两极反相器放大整形变为时钟；若用晶振作时钟，只要将晶体接在（39）（40）脚即可。

(4)数字计数器：包括计数、锁存、译码、七段输出、驱动。计数器采用“8421”编码，有个、十、百三个二-十进制计数器，级联使用，每位计数器有四个触发器。另有千位计数器是“半位”，只能显示数字1，所以用一个触发器即可。锁存器亦采用触发器组成，受逻辑电路所存指令控制，所存指令到来，只接受代码而不输出。解锁指令到来才将代码送译码器。译码器完全是由门电路达成的组合逻辑电路，将BCD译码成七段码笔划。译码输出的笔划信号和背电极的相位共同决定，异或门的输入端是段位信号和50Hz方波相异或。

(5) 时序逻辑控制电路：时序逻辑控制电路接受比较器的过零脉冲和计数器的溢出脉冲，经处理后输出四个指令：一是各模拟开关的控制信号，是模拟开关按规定时需切换；二是闸门信号，控制技术脉冲的个数；三是判断被测电压的极性，输出“+”、“-”号控制；四是超量程控制，超量称时，千位显示“1”，其余数码消隐。

2.2 LED显示器

数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用与多种数字设备中。目前，数码显示器正朝着小型、多位、多彩、平面化的方向发展。

将条状发光二级管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8”字型发光二极管，另一极做笔画电极，就构成了LED数码显示器。只要按规定使某些笔画的发光二级管发光，就能组成0~9的一系列数字。

LED显示器一般采用七段，既把七只LED共阳极（或共阴极）连接，每段具有单只LED的特性及驱动显示方法。

在各种显示器中，LCD的功耗最低，LED的发光响应时间最短，寿命最长。因此，目前的数字仪表大多采用LED或LCD显示器，它们都能由集成电路直接驱动。

发光二极管是采用半导体材料制成的，能将电信号转化成光信号的结型电

压发光器件。

2.3主要集成块

MC1403是高精度低温度漂移的基准电路，作为8-12位（二进制）数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的7107的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源，在这里采用MC1403作为基准稳压源供电，可以获得精密的电压基准。如图2-2所示。

(1)输出电压误差：2.5V±1%

(2)输出电压温度系数：10ppm/（typ）。

(3)输出电流：10mA。

(4)输出电压范围：4.5-40V。

(5)封装：8脚DIL陶封（代码U）；8脚DIL塑封（代码DSM）。

图2-2 MC1403的管脚排列

第3章数显仪表的制作

数字显示电路部分的安装要在面包板上进行，压力传感器，电源部分不在面包板上。由于数显部分需要6V的电源，因此，电源要在另外的印刷电路安装，以给数显部分供电。原理图如图3-1。

图3-1数显压力表原理图

3.1数显部分安装

根据绘制的接线图，首先在面包板上把7107和四个数码管的位置确定好，为了便于显示，一般要把四个数码管放在上方。然后以接线方便为原则，确定7107的位置。同时要考虑“+电源”线，“—电源”线，“地”线的接法。其他芯片，电阻，电容，电位器等围绕7107就近安排。

3.2电源部分安装

由于数显部分要使用±6V的电源，这里采用两个三端集成稳压器。其中7806为固定标准正电压稳压器；7906为固定标准负电压稳压器。电源原理图见图3-2所示。

图3-2 正负输出电压电路

电源电路的器件包括电源变压器，整流桥，集成稳压器及电容。整个电路安装在一块印刷线路板上，安装时要使用电烙铁。为了使用该电源的安全性，可靠性。因此，在设计是要考虑线路布置合理，强电与弱电之间要留有相当的距离。同时注意220V电源线的引入方向，安全，防止短路，输出6V电源要有“接线端子”。

下图为安装好并且调试成功后的面包板。

图3-3调试好的面板

第4 章结论与体会

随着暑假设计的完成，同时也是我大学两年的学习生活也就要终结。经过两年的学习生活，我学到了许多的专业方面的知识，并且在平时的学习和设计中得以检验。暑假设计对于每个人都很重要，它不仅检验我的专业知识理论，同时也使我的实际动手能力和综合素质得以充分体现，因此，在本次设计中，我端正态度，认真的进行学习和设计，尽量使自己的潜力发现并使其发展，在老师的指导下和自己的努力下，终于成功的完成了本次设计。

通过本次的数字显示仪表课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。本次课程设计的题目是数字压力显示仪表的制作。通过查找资料，结合书本中所学的知识，完成了课程设计的内容。把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。在课程设计之前，我们通过各个渠道查找资料后分析验证，经过多次的修改和整理，作了如上的设计思路。虽然这次设计一开始是按照设计要求去完成的，但由于在实际操作中，出现了比较大的问题，导致以上的准备资料，在实际操作中都未能派上用场。在这次的课程设计过程中，我懂得了很多，课程设计不光是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的能力！

通过本次课程设计使我对数字显示仪表又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。在设计过程中碰到了很多问题，例如：LED显示器与转换器连接的时候，有时候就会接错，导致不能显示正确的数字、在有导线连接电路的时候，两条导线不能相碰，否则会引起短路。通过解决这些问题，提高了我的析问题，解决问题的能力，以及动手能力，同时使我数字显示仪表的原理、器件的识别、以及绘图能力又了进一步提高，为以后有关课程的学习打下良好的基础。

参考文献

[1] 张天春,杨慧敏.数字显示仪表课程设计指导书.大庆石油学院自编教材,2008.

[2] 李正军.计算机控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[3] 沙占有.数字化测量技术与应用[M].机械工业出版社,2004.

[4] 井口征士.传感工程[M].科学出版社，2005.

[5]徐爱钧.智能化仪表测量控制原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,1995.

[6] 孙蓓，张志义.电子工艺实训基础[M].北京：化学工业出版社，2007.

东北石油大学课程设计成绩评价表

指导教师：霍凤财刘远红年月日