模电课程设计报告(简易数字温度计)

课程设计说明书

课程名称：模拟电子技术课程设计

题目：数字温度计

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

日期：年月日

数字温度计

一、设计任务与要求

1.测量范围0～120度。

2.测量精度±0.5度。

3.位LED 数码管显示。

4.温度超过40度报警。

二、方案设计与论证

图1.系统大致框图

根据总体设计模块图，总共可以分为五个模块。对相应的模块进行相应的电路设计，找出相应的元器件，最后组成一个完整的数字温度计。 (1)温度产生模块

温度传感器就是能将温度信号反映到电信号上去，可以用热敏电阻及一些热传感器来实现，由于热敏电阻的阻值与温度不成线性关系，所以这里主要是用温度传感器将温度信号线性地反映到电压上来实现温度取样，测量温度信号为模拟量。 (2)数模转换及分析

此模块可以由三极管放大或是用集成运算放大器将取样的温度信号放大，然后用利用A/D 转换器进行转换。A/D 转换主要的任务是对模拟电信号进行分析，将其信号转换成数字信号。 (3)显示模块

显示电路可以用各种类型的七段LED 显示。这里根据要求，选了4位LED 数码管

报警模块 数模转换 模块

显示模块

（数码管）

温度产生 模块

电压比较 模块

显示。

(4)电压比较模块

此模块，可以选用一些电压比较器进行搭建电路。

(5)报警模块

此模块可以选用一些LED灯、蜂鸣器灯等实现温度超标时的报警电路。

温度传感模块，可以由LM35温度传感器产生温度信号。报警模块，当温度超过设定值报警，可以利用电压比较电路实现，采用LM324。报警电路的实现,则采用发光二极管与蜂鸣器组成报警电路。至于数模转换模块，要求4位数码管进行显示，根据常用的AD转换器几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型，以及设计要求，有以下3种方案：

方案一：

用一个热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM324运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入MC14433A/D转换器进行数模转换和数字显示。

方案二：

采用温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时, 还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。

方案三：

采用TC7107进行模—数转换。通过温度传感器LM35采集到温度信号，通过使用TC7107集A/D转换和译码器于一体的功能，直接驱动数码管，省去译码器的接线。再通过LM324等组成的报警电路来达到超温报警的效果。

根据电路的简易性与可实行性(比如电路线路多而繁杂，MC14433等芯片在元件库中缺少等)，选用方案三。

三、单元电路设计与参数计算

１．温度传感电路

图．２

LM35是一种广泛使用的温度传感器，它采用内部补偿，输出可以从0℃开始。常温下，不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率，工作范围-55℃ to +150℃。电源供应模式有单电源与正负双电源两种。

２．Ａ／Ｄ转换与数码管显示

图．３

ＴＣ７１０７是3位半的ADC转换芯片,使用每段8ma的电流直接驱动共阳极发光二极管显示屏，可以大大降低线性误差，使其小于1个计数。翻转误差——等幅值与极性相反的漏电流输入信号读数之间的差值小于正负1个计数。高阻抗差分输入可提供1pA的漏电流。差分参考输入允许进行电阻比例测量或桥式传感器测量。自动调零周期确保了输入电压为零时显示屏读数也为零。传统的双积分型转换器测量周期分为两个阶段：①输入信号积分②参考电压积分（反积分）。

在固定时间周期（TSI ）内对正在转换的输入信号进行积分。通过计数时钟脉冲信号来测量时间。然后对负极参考电压常数进行积分，直到积分器输出电压回零。参考积分时间与输入信号（TRI ）成正比。

基本双积分型转换器：在简单的双积分型转换器中，一个完整的转换需要积分器完成一个从“上升”到“下降”的输出过程。这个简单的算术公式是输入信号、参考电压和积分时间的函数。

其中： VR = 参考电压

TSI = 信号积分时间（固定） TRI = 参考电压积分时间（可变）。

如果VIN 为常数： SI

RI R IN T T V V ?

=

３．报警电路

该模块电路利用了发光二极管

LED以及蜂鸣器SOUNDER进行报警，三

极管PNP用做“开关”电路。蜂鸣器

的一端接到VCC(+5V)电源上面，另一

端分别经过电阻R11后接地以及直接

连接三极管的发射极E。三极管的基级

B经过反向器和限流电阻R3后接到电

压比较器的输出端。当电压比较电路

输出负电压时，三极管Q1截止。流过

线圈电流很小，即蜂鸣器两端压降(为

1.6V)达不到驱动蜂鸣器发声的值

(3.5V)，蜂鸣器不发声，二极管LED

灯也不亮。当电压比较电路输出正电

压时，三极管导通。这样蜂鸣器的两

端压降(为3.93V)超过驱动值，发出声

音。同时，二极管正向导通，发亮。

因此，当传感器温度达到40℃及以上

时，蜂鸣器将发出声音，LED发亮进行

报警。

图．４

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

图．５

2．元件清单

元件序号型号主要参数数量备注

R1~R10 Resistors

220 1 300 1 32.2K 1 24K 1 40K 1 47K 1 100K 2 1M 1 2M 2

C1~C5 Capacitors 100pF 1 0.1uF 2 0.22uF 1 0.47uF 1

Q1 Transistors 1 PNP LS1 Speaker 1ms 1

U4 TTL 74LS series 1 74LS04 U3 Operational Amplifiers 1 LM324 U2 Data Converters 48K 1 TC7107 U1 Data Converters 1 LM35 D1 Active 2V 1 LED-RED L1~L4 Optoelectronics 1ms 4

五、安装与调试（没有进行安装调试的这部分写电路中参数的选择与计算）

把各设计模块进行连接仿真，使LM35的取样温度为0℃时，调节电阻R6，经过模-数转换器后，使得数码管读数显示也为零。利用二分法调节R6，当其为32.2K Ω时，显示为0.1℃。已经在误差允许范围内，其精度为0.1℃。 根据公式

V out =2.00V+400mV=2.40V

REF I N U R R R u R R R u ?++

?+=

2

122

11 可知，

REF I

T U R R u U N u 1

20

-

===

调节参考电压，使V U REF 20.1=时，输出读数为40（即40℃），这样，就使数字温度计实现超过40℃报警的设计要求。

六、性能测试与分析（写仿真调试与分析）

由于滑动变阻器调试出现问题，调试过程改用定值电阻进行调试。首先选取与滑动变阻器最大阻值相近的（也就是40K Ω）的两个电阻串联。当取样温度能在数码管上按比例显示时，采取2分法进行调试。逐步逼近，最终将取样电压和显示电压调成同步。由于数模转换器进行模-数转换存在的误差，即如传感器取样温度为62℃时，4位数码管显示温度为62.1℃（事实上这种情况只在超出某个范围内会出现）。取样温度低于8℃时，取样温度低于显示温度0.1℃。在8~61℃这个范围内，取样温度和显示温度相同。当传感器取样温度为62℃时，显示温度为61.9℃。即取样温度在62~113℃这个范围内，取样温度高于显示温度0.1℃。当取样温度为114℃时，温度为113.8℃。即在取样温度高于113℃这时，取样温度高于显示温度0.2℃。

调试电压比较器这部份电路时，为了直观，外接一个电压表进行调试。经过计算，将基准电压改为1.20V 时，在要求的取样温度（T ≥40℃），即传感器输出的电压Vout,也就是电压器的出入电压值uI ≥1.2V 时，输出正电压。

对连接温度传感器LM35与模数转换器TC7107之间的电阻R9以及R10，进行了更换测试。经测试发现，只要不小于给定任何电阻值都能显示，当取样温度变化时，同步显示的时间将会随着R9的电阻值的变化而变化。当R9电阻值达到100MΩ以上时，在改变取样温度时，4位数码管同步显示温度值及其缓慢，且显示的数值会不断的减小。

七、结论与心得

对于本次模拟电子技术课程设计，基本上完成了全部任务及要求。比如说，采用TC7107实现了对温度传感器的取样温度的正常显示以及要求的温度显示范围，并且在超出给定要求温度值后进行报警，测量的精度不超过0.5度等。总体电路经过同组同学的反复调试，虽然可能在某些参数的计算与电路设计的上存在一些问题，基本上是完成了本次课程设计的任务要求。

通过本次设计性实验，我加深了对模电，更多的是数电方面的知识的理解，很多无法在课堂上理解的抽象理论知识有了重新的认识，比如LM324的电压比较运算放大功能。此外还接触到LM35、TC7107以及未能使用得上的ICL7107、MC14433等芯片强大完善的功能，双积分转换、自动调零周期、信号积分周期等理论。

除此以外，团队合作也是一个很大的收获。在一周紧凑的时间内，没有集思广益、相互之间的讨论帮助，莫说精益求精、从实践中获取更多的知识，完成基本的任务恐怕也是很困难的。在本次实验中，我们通过分工查阅，相互讨论，测试调试，将困难逐个击破。只有团队合作才能体现工作效率，更好地完成任务。

在此次设计性实验中，老师的协助也是相当巨大与鼓舞性的。而这个最突出体现在A/D转换芯片的选择上，老师查阅了资料，亲自帮我们拟了两个参考的方案，让我们茅塞顿开，顿时干劲全开。

总的来说，这次课程设计是受益匪浅，无论是在知识、动手能力上，还是在团队合作上。

八、参考文献

[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M] .北京:高等教育出版社，1997.

[2]谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）[M] .武汉:华中科技大学出版社，2006．

[3]何希才．《通用电子电路应用400例》［Ｍ］．电子工业出版社，1999年．

[4]童诗白、华成英.《模拟数字电子技术基础》[M].高等教育出版社，2006年

[5]康光华．电子技术基础（数字部分）第五版[M]．高等教育出版社，2010．