电子电路综合设计实验电子电路综合设计实验选题三 温度测量数控显示仪的设计实现姓 名： 班 级： 学 号： 指导教师：摘要温度测控是日常生活和工程领域经常需要解决的问题，在冷库、制冷设备、粮食储备精度要求等不特别高的场合，经常采用铂电阻来实现温度的采集与控制调节。本设计实现了温度测量数控显示仪，其温度测量范围为-50到200，精度为1。采用pt100作为温度传感器，通过将其接入到放大器的反馈环节，将其采集的电阻量转化为电压量，同时采用3 1/2位A/D转换芯片ICL7107完成模拟量到数字量转换的功能，ICL7107可以直接驱动和控制数码管，只需接简单的外围电路，即可实现显示控制，电路简单，成本低廉。经测试，此设计运行稳定，性能良好。1、选题背景、目的与任务1.1 选题背景由于传统的温度测量仪器响应慢、精度低、可靠性差、效率低下，已经不能适应高速发展的现代化工业。随着传感器技术和电子测量技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业现场，新型的电子测温仪器不仅操作简单，而且精度比传统仪器有很大提高。在冷库、制冷设备、粮食储备精度要求等不特别高的场合，经常采用铂电阻来实现温度的采集与控制调节。1.2 设计目的1、 了解温度采集传感器 pt100 的工作原理，掌握其工程设计实用方法2、 掌握模数转换、电阻电压转换及数码显示电路的设计构建方法3、 掌握电子电路系统设计的基本方法，培养提高综合利用多学科相关知识进行初步工程设计与实际装调系统电路的能力1.3 设计任务设计一个可在一定温度范围进行温度测量与控制的温度测量数显控制仪。该仪器测量温度的范围为-50-200，能够对温度值进行数字显示（可显示温度测量值和设定温度值两种） ，其测量误差为1。当超过某一设定温度上限值时（如 30） ，能声光报警，并启动风扇。 2、系统概述2.1 基本框图系统基本框架如图 2.1图 2.1 系统基本框架为了实现框图功能，提出了两种设计方案方案一：采用pt100作为温度传感器， ICL7107作为A/D转换与控制显示主芯片，ICL7107是高性能，低功耗的三位半的A/D转换器，可以直接驱动LED。电路简单，集成度高，价格低廉。方案二：采用pt100作为温度传感器，运用STC89C51作为主控芯片，A/D转换采用AD0804,采集的温度经过A/D转换芯片后送入单片机处理，后经LED驱动芯片驱动数码管显示。综合考虑上述两种方案，选择了方案一。 3.单元电路设计与分析 3.1 硬件电路设计3.1.1 方案总框图图 3.1 是 ICL7107 与 pt100 组成的测温系统的总框图图 3.1 系统总框图 3.1.2 温度采集与电阻电压转换部分温度采集采用的是热敏电阻 pt100，pt100 是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。pt100 的阻值与温度变化关系为：当 pt100 温度为 0时它的阻值为 100 欧姆，在 100时它的阻值约为 138.5 欧姆。它的工业原理：当 pt100 在0 摄氏度的时候它的阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。图 3.2 是 pt100 分度表温度-50-250255075 电阻80.3190.19100109.73119.40128.98 温度100125150175200 电阻138.50147.94157.31166.61175.8图 3.2 pt100 分度表电阻电压转换部分采用的是 LM324 运放, LM324 是四运放集成芯片，可以用作放大器，滤波器，电压比较器等，由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中。图 3.2 为 LM324 的芯片管脚图图 3.3 LM324 管脚图图 3.4 为所设计的温度采集与电阻电压转换电路图 3.4 温度采集与电阻电压转换电路这部分设计思路：当加入正 5V 电压时，二极管 IN60 导通，通过测试，此时二极管两端电压为 0.3V,因此正向输入为 0.3V 电压。pt100 接到放大器的反馈环节，当温度为-50时，pt100 电阻为 80.31，运放输出电压为U=(1+80.31/33)*0.3=1.03V当温度为 200时，pt100 电阻为 175.8，运放输出电压为U=(1+175.84/33) 0.3=1.90V所以在-50 200时，运放的输出电压为 1.031.90V 之间。在电阻/电压转换电路后，接一电压跟随器，提高带负载的能力。电压跟随器输出的电压作为比较器的反相输入，正向输入由电位器与定值电阻组成，通过调节电位器，即可以改变正向输入到比较器的电压，正向输入端作为温度上限值的设置端口。当电压比较器的反相输入值大于正向输入值时，电压比较器输出端输出低电平，从而驱动蜂鸣器响，发光二极管亮，这样就实现了电阻电压的转换。3.1.3 A/D 转换器A/D 转换器与数码管显示部分采用了美国 Harris 公司 ICL7107,其特点如下：1.ICL7107 是 31/2 位双积分型 A/D 转换器，属于 CMOS 大规模集成电路，它的最大显示值为士 1999，最小分辨率为 100uV，转换精度为 0.05 士 1 个字。2.能直接驱动共阳极 LED 数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士 5V 两组电源供电。3. 在芯片内部从 V+与 COM 之间有一个稳定性很高的 2.8V 基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压 VREF 。 4.能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。5. 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。6.整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和 LED 共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。7. 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。8. 芯片本身功耗小于 15mw（不包括 LED） 。9. 不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将 LED 共阳极数数码管公共阳极接 V+。10. 可以方便的进行功能检查。图 3.5 为其引脚图图 3.5 ICL7107 引脚图图 3.6 ICL7107 转换原理图ICL7107 转化器原理图如图 3.6 所示。其中计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。控制器的作用有三个：识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D 转换器能循环进行；识别输入电压极性，控制 LED 数码管的负号显示；当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示1，其它码都熄灭。锁存器用来存放 A/D 转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动 LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ） 、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。图 3.7 是双积分型 A/D 转换器的电压波形图图 3.7 双积分型 A/D 转换器的电压波形图图 3.8 为 ICL7107 的设计部分，ICL7107 集成度高，使用简单，通过接一些简单的外围电路即可实现 A/D 转换的功能，通过调节两个电位器，使得输入为 1.03V 时，显示为-50，输入为 1.90V 时，显示为 200，从而达到测温范围在-50-200的要求。图 3.8 ICL7107 设计部分3.1.4 数码管显示a b c d e f g dp GND a b c d e f g dp +5V a b f c g d e 3 COM e 1 d 2 c 4 dp 5 b 6 a 7 8 f 9 g 10 COM (a) (b) (c) 图 3.9 共阳数码管引脚图本设计用 4 个 1 位 8 段共阳数码管，数码管内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。共阳数码管的公共端接 VCC,其它管脚根据需要给出低电平，共阳数码管可以不接上拉电阻。数码管的管脚接到相应 ICL7107 的管脚上，实现相应的控制。3.1.5 整体硬件设计两部分直接用自锁开关连接，当自锁开关按下时，数码管显示设定温度值，当自锁开关弹起时，显示测量温度。图 3.10 总体设计图3.2 电路仿真电路仿真部分用的是 proteus 软件，仿真电路如图 3.11,芯片 ICL7107 采用proteus 元件库中的 TC7107 替代。由于 proteus 中的 TC7107 的 30 脚和 32 脚不能与电源共地，导致仿真与实际设计的电路有一些差别。图 3.11 proteus 仿真电路4、安装调试及测量数据分析 4.1 硬件焊接问题本次实验用到 4 位数码管显示，数码管每个有 10 个管脚，并且与 ICL7107上的引脚位置对应不整齐，为焊接带来了很大的麻烦，在板子上飞了很多根线。在调试过程中，无论怎么调节滑动变组器，数码管显示的数值都达不到要求，也换过电位器旁边的电阻，依然达不到要求。这种情况下，只能仔细检查电路，看有没有焊错，虚焊，漏焊的地方，结果没有发现问题，由于板子焊的比较乱，具体问题找不出，所以我决定重新画一块板子，在画板子的时候认真布局，避免飞线，力求板子小且实用，以避免飞线太多给焊接带来的麻烦，在画好板子之后，找好元件，每个元件在插上之前都要测量其阻值以及是否坏了等因素，没有问题了就插上元件，重新进行调试，转动电位器，发现达到了要求。 4.2 硬件测试测试步骤：1. 将板子焊好后，用万用表检测电路是否导通，由于腐蚀出的板子有的时候看上去连上了，但实则不是很结实，导线在中间有断的地方，但是不明显，时而看不出来，所以一般要用焊锡将导线在镀一遍，以确保没有问题。2. 检查电源，以及电源引线，看电源工作是否正常，引线是否坏，没有问题了，将电源小心接上，注意不能接错。3. 此时数码管上已经有了数值显示，表明板子基本好使，电路没有问题，接下来，将一个 200 欧姆的电位器插到 pt100 的位置，调节电位器，使之达到80.31 欧姆，这时要调节 ICL7107 端的两个 470 欧姆的电位器，使得数码管显示为-50，调好之后，再将 200 欧姆电位器调节到 175.84 欧姆，同样调节 ICL7107 端的两个 470 欧姆的电位器，使得数码管显示为 200。这些满足要求后，再将调好的 80.31 欧姆电阻换上，看还是否为-50，若有改变，则再微调两个 470 欧姆电位器，如此反复，直到达到要求为止。4. 将 pt100 接上，测室温，数码管显示 24，由于没有温度计，没有测真实室温做对比。5. 将自锁开关按下，进入设定温度的方式，调节 470 欧姆电位器，使得数码管显示 30，之后让自锁开关弹起。6. 用手握住 pt100，数码管显示温度在上升，在温度上升到 30时，发光二极管亮，蜂鸣器响，达到实验要求。 5、设计总结 5.1 设计遇到的问题及解决方案在设计中我主要遇到了两个问题1.板子开始焊上以后怎么也不好使，查了很多遍，改了很多遍，还是不知道哪里的问题，最后通过自己画电路板解决了这个问题，焊接能力有待提高，细心度不够2.电路上有两个电阻值不对，一开始接上调不出来，后来通过和同学的讨论和自己研究电路，改了正确的阻值，解决了问题。 5.2 设计中需要改进的地方可以在温度超过设定温度的时候，启动风扇降温，这样在实际应用中更加的保险，确保人们的安全 5.3 设计的收获和体会这次电子综合实验我学到了很多的东西，首先，从专业知识来讲，我又重新的拾起了模拟电子线路的知识，同时，了解了新的芯片 ICL7107，老师说这个芯片在工程上常用，并且用处很广。在个人能力方面，通过自己查阅芯片的PDF，一点点的了解芯片的原理及使用方法，我觉得自己也在不断地进步，实践与自主的能力在不断的提高，在焊接部分虽然出现了一些问题，很郁闷，但是却有机会画了一块电路板，这是对自己以前学习 protel 的一次巩固，也是在实际中运用的一