1、电子电路综合设计选题三： 温度测量数显控制仪的设计实现姓 名：班 级：学 号：指导教师：日 期： 2摘 要本设计主要是设计实现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。由温度传感器 Pt100 完成温度测量,利用电阻 /电压转换器将温度转化为电压信号，采用 ICL7107 完成温度的转换、输出、显示并采用电压比较器实现声光报警和启动风扇降温。系统具有数码管实时显示温度值，当温度大于设定值时可以驱动风扇降温及声光报警等功能。本系统具有集成度高、可靠性强、抗干扰性强、体积小、功耗低、性价比高等特点。并且在日常生活和工程领域经常用温度控制来解决相应的问题。关键词：温度采集传感器 P
2、t100、ICL7107、电阻/电压转换器、声光报警、风扇3目 录1 课题的任务与要求 .42 系统概论 42.1 设计方案比较与选择 .42.2 详细方案描述 .53 单元电路设计与分析 .73.1 温度采集 .73.2 电阻/ 电压转换器 .73.3 A/D 转换器 83.4 控制电路 103.5 显示电路 124 安装调试及测量数据分析 .134.1 安装调试步骤 .134.2 实验现象 .134.3 测量数据 .134.4 出现问题及解决方法 .134.5 结果分析 .145 结束语 145.1 设计制作的结论性意见及收获体会 .145.1 改进意见及鸣谢 .146 附录 .15附 1
3、: 总电路图 .15附 2: 参考文献 .15附 3: 元器件表清单 .164一. 课程设计的任务与要求1、设计题目（选题三）温度测量数显控制仪的设计实现2、选题背景温度控制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、粮食储备等精度要求不特别高的场合，经常采用铂电阻来实现温度的采集与控制调节。3、设计任务与要求：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a.该仪器测量温度的范围为 -50200,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。 b.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。4、设计目的a、
4、了解温度采集传感器 Pt100 的工作原理，掌握其工程设计使用方法。 。b、 掌握模数转换、电阻电压转换及数码显示电路的设计构造方法。c、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。二.总体设计思想2.1 设计方案的比较与选择方案一、基于 ICL7107 的温度测量数显控制仪本设计主要由温度采集、电阻/电压转换器、控制电路和显示电路组成。其中，温度采集传感器采用热敏类电阻铂 Pt100,A/D 转换器用 ICL7107(双电源5V 供电,适合驱动发光二极管显示),显示用共阳极数码管显示, 电阻/ 电压转换器用同相输入的运放搭建。由于
5、ICL7107 能直接驱动共阳极 LED 数码管,不需要另加驱动器件所以电路简单。本方案用到了 ICL7107，电路中的 A/D 转换电路与数码显示电路都由其控制与组成，因而在设计具体电路时，要针对 ICL7107 进行合理的设计。而电阻/电压转换电路由运放电路组成，Pt100 是电阻/ 电压转换电路的核心部分。系统框图如下：温度传感器A/D 转换器译码、驱动电源数字显示风扇降温 光电控制5方案二、基于 AT89S51 的温度测量数显控制仪本设计应用单片机实现。AT89C51 单片机是采用 CHMOS 工艺的 8 位单片机，它具有低功耗、高性能等特点。设计时利用热敏类电阻铂 Pt100 进行温
6、度采集,利用电阻电压转换器将采集到的温度变换转化为电压信号，51 单片机控制 A/D 转化器将电压信号转化为数字信号并驱动数码管显示采集到的温度。当测量温度高于设定温度时，驱动三极管进行声光报警并启动风扇进行降温。选用 AT89S51 型单片机作为主控制器件进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D 转换电路，通过 4 位共阳极LED 数码管并口传送数据，实现温度显示。此外在外加的报警电路方面控制也比较方便。系统框图如下：两个方案的比较：对于方案一，电路简单，原理容易理解，与方案一相比实现起来方便，节省费用，性价比高。但是实现的智能化程度、精度不如方案二，
7、且调试比较复杂,耗时比较多。对于方案二利用软件编程的方法对系统进行控制时调试比较方便，且精度及可靠性高。但使用 51 单片机，对编程水平要求高，且总体完成后的价钱高于方案一，即性价不如方案以一。从总体上比较，方案一实现起来比较容易，性价比高，且可以达到设计任务的要求，一般生活环境中，这样设计出来的产品能够满足实际需求，实用性高，就不需要智能化高的单片机产品，所以选用方案一。2.2 详细方案描述1、设计电路由温度采集、电阻/电压转换器、控制电路和显示电路组成。2、温度采集传感器采用热敏电阻铂 Pt100。3、A/D 转换器用 ICL7107（双电源5V 供电，适合驱动发光二极管显示） 。4、采用
8、共阳数码管显示。a、 温度采集模块：采用温度传感器为 Pt100,这是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200650的范围,本电路选择其工作在-50 200范围。利用这种线性关系，可以组成温度测量电路。从这个电路中Pt100 温度采集AT89S51电压跟随器 A/D 转换器数码管高于设定值高于设定值风扇降温光电控制6将会得到跟随外界温度变化而变化的带有当前温度特征的电压信号。b、电阻/电压转换电路：老师建议选择 LM324。温度对应的电阻值经过运放输出电压，并将温度测量电路输出的带有当前温度特征的电压信号进行放大。c、A/D 转换器模块：采用 ICL7107 进行模数转换
9、。ICL7107 是 31/2 位双积分 A/D 转换器,属于 CMOS 大规模集成电路,它的最大显示值为1999,最小分辨率为 100uV,转换精度为 0.051 个字。它能直接驱动共阳极 LED 数码管,不需要另加驱动器件。其输入阻抗高,对输入信号无衰减作用,芯片本身功耗小于15mw(包括 LED)。并且能直接驱动 LED 数码管,需要另加驱动器件。d、控制电路：温度控制电路模块的输出电压信号分为两路：一路直接送到数字显示电路模块的输入端，这样即可显示出当前要设置的温度值。另一路送入继电器驱动电路模块中的电压比较器的另一个输入端，与放大电路模块输出的电压信号进行比较,从而由这两路输入的电压
10、信号决定电压比较器的输出电压信号。其中，电压比较器的输出电压信号由其两路输入电压信号所决定。当两路输入信号的输入电压大于设定电压时，声光报警并且风扇开始工作，数字显示电路模块显示相应数据。e、显示模块：采用数码管显示。数字显示电路模块的输出显示内容，由其输入的电压信号所决定，并且其输出显示的段码数字与输入的电压信号呈一定的线性关系。这样就可由其输入的电压信号的伏值大小来控制其显示的内容，从而得到当前温度下的数字输出显示，从而可以直观的得到当前的温度值。并且，数码管具有低功耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、对外界环境要求低,易于维护。同时精度比较高,称量快,精确可靠,编程容易,操作简单等优点，在
11、电路当中便于使用。该方案的设计方框图表示如下：YES电源部分如下图：温度采集（Pt100）电阻/电压转换器A/D 转换器显示电路电压比较器 是否大于设定电压？声光报警启动风扇7三.单元电路设计与分析3.1 温度采集采用热敏类电阻铂 Pt100，它广泛用于化工、冶金、热电等测温领域。Pt100 热敏电阻将温度变化转换成电阻值的变化：温度是 0，阻值为100；温度 100时，阻值为 138.5；温度 200时，阻值 177；温度电阻系数 0.385 /，基本呈线性增长。电阻的电流 I 一定时，电阻的温度 T 变化时其阻值 R 随着变化，电阻的端电压 U = IR 也随着变化；只要测得电压 U 的大
12、小，就可算出其阻值 R 的大小，就可推算出温度 T 的大小。Pt100 温度与阻值的关系：传感器部分电路图：3.2 电阻/ 电压转换电路本设计采用同相输入的运放搭建电阻/电压转换器，电阻/ 电压比较器由一级运放，电压跟随器组成，运放采用同相输入，通过 Pt100 阻值随温度的变化使得第一级的放大倍数改变，第一级的输出电压改变，从而改变测量的温度。为使第一级输出电压与之后的电路匹配接入电压跟随器。运算放大器：输出电压： Uo=（1+RP/R1）*U i温度 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200电阻 80.31 90.19 100 109.73119.4 1
13、28.98 138.5 147.94 157.31 166.61 175.848放大倍数： Au=Uo/Ui当 t=-50时，运放的输出电压为Uo=(1+80.31/33) 0.3=1.03V当 t=200时，运放的输出电压为Uo=(1+175.84/33) 0.3=1.90V则在-50 200，输出电压在 1.01.9V 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。所选运放均由 LM324 提供。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，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。LM324 的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外
14、，四组运放相互独立。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。LM324 运放集成电路： LM324 管脚图：LM324 实际搭配的电路图：3.3 A/D 转换器9模数转换(ADC)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量。模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。本设计 A/D 转换器采用 ICL7107(双电源5V 供电,适合驱动发光二极管显示)。ICL7107 工作原理是双积分型 A/D 转换器 ICL7107 是一种间接 A/D 转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分,将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔,
15、然后利用脉冲时间间隔,进而得出相应的数字性输出。它包括积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源。积分器是 A/D 转换器的心脏,在一个测量周期内,积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较,比较的结果作为数字电路的控制信号。时钟信号源的标准周期 Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它由内部的两个反向器以及外部的 RC 组成的。它包含 3 1/2 位数字 A/D 转换器，可直接驱动发光二极管（LED）。 内部设有参考电压、七段译码器、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零、参考源和时钟系统等功能。ICL7107 引脚图：ICL7107 的引脚连
16、接说明：如图所示，1 电源正极。28 脚个位 7 段码输出 d1/c1/b1/a1/f1/g1/e1；914、25 脚十位 7 段码输处d2/c2/b2/a2/f2/e2/g2；1518、2224 脚百位 7 段码输出d3/b3/f3/e3/g3/a3/c3；19 千位 a4b4，因千位只显示 1，a、b 连在一起由 19脚驱动。20 极性显示。21 模拟信号公共端。26 电源负极。27 积分器外接积分电容输入端。28 缓冲器输出端，外接积分电阻。29 外接自动调零电容。30 模拟信号负极输入。31 模拟信号正极输入。32 模拟信号的公共端。33、34 外接基准电容。35、36 基准电压的负极
17、、正极输入端。37 逻辑电路公共地。38、39、40 振荡端外接振荡电阻和电容。ICL7107 是高性能、低功耗、三位半 A/D 转换器，包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。它可以直接接数码管进行数字显示。ICL7107 采用105V 供电。采用美国 Harris 公司的 ICL7107（双电源5V 供电），将高性能、低功耗和低成本很好的结合在一起，它有低于 10V 的自动校零功能，零漂小于1V/，低于 10pA 的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源广泛用于各种单片测量单元。可用于组装成各种数字仪表或数控系统中的监控仪表，广泛用于电压、电流、温度、压力等各种
18、物理的测量。封装形式有 DIP40、LQFP44 或 QFP44。 此部分采用 A/D ICL7107 对测量得到的电压进行模数转换，从而得到所测得温度值。由于设计要求温度测量范围为-50200，Pt100 在-50时阻值为80.31 ，在 200时阻值为 175.84，通过对电路中电位器的调节使得在对应阻值时显示对应温度，通过调节电位器 RP1 调节下限温度，调节电位器 RP2 调节上限温度。ICL7107 实际搭配的电路图：3.4 控制电路本设计控制电路采用比较器。其器件图如下：13.3k10k11当反相输入端 Un 为一个给定值时，随着正相输入端 Up 的增大，当达到UpUn 时， Uo
19、 变成高电平输出，否则，Uo 为低电平输出。基于以上原理当把正相输入端接设定温度值，反相输入端接测量温度值时，就可以实现本设计的报警电路。当测量温度值大于设定温度值时，输出为负，此时可以使驱动三极管进行声光报警及启动风扇。控制电路部分实际搭配的电路图a、声光报警控制电路图：从 8 管脚出来接如下电路图，当测量温度大于设定温度时，level1 为低电平，三极管导通，LS1 端为低，蜂鸣器响且灯亮；当测量温度小于设定温度时，level1 为高电平，三极管截止，LS1 为高，蜂鸣器不响灯也不亮。实现声光报警控制。b风扇控制当测量温度大于设定温度时，三极管 b 端为低电平，三极管导通并启动风扇，由于三
20、极管具有放大电流的作用,所以风扇正端只需接+5V 就可以满足要求。8 管脚处连接12C温度设定电路通过调节 R14 改变设定电压大小，从而改变设定温度的高低。开关打到 2 显示设定温度，打到 1 显示测量温度。当测量值低于设定值时。3.5 显示电路因为 ICL7107 具有驱动程序所以可以不必接入其他电路，直接接数码管进行温度显示。本设计用共阳极数码管进行显示。共阳极数码管：数码管共有十个引脚，上五下五，从正面看去，左下脚第一个起逆时针方向依次为 110 脚。其工作原理为数码管由 7 个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极。通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成
21、相应的数字。LED 数码管的结构：8 管脚处连接13显示电路部分实际搭配的电路图四、安装调试及测量数据分析 4.1 安装调试步骤a、电路板焊制：在焊制电路板的过程中，遇到跳线的问题，选择直接引线解决，虽然能解决问题，但在工艺上，抗干扰上带来了较大的问题。b、电路板的检测： 37 脚的 TEST 端与 l 脚短接，表头应显示-1888 。这时可检查显示是否缺笔画。如有，大多是引脚、连线虚焊。将 32 脚与 26 脚短接，表头的最高位应显示-l，其它位均不亮。否则，应检查电源或换芯片。正电源通过 R7 限流电阻向共阳极数码管供电，改变 R7 可改变数码管的亮度。C、电路板的调试：当基准信号调到 0
22、2V 时，外加信号的输入也在0 2V，LED 对应显示 0 1999，相当于 1mV 对应 1 个字。当输入信号超过上限量程时，千位数码管显示 1，而其余三位数码管全无显示；当输入信号超过下14限量程时，千位数码管显示-1，而其余三位数码管全不显示。d、整体电路调试：将电路剩余部分焊接完成后检查有无短路、断路，无误后进行整体调试，先将电路接上电源，将调试电阻调到 80.3 调节与 ICL7107相联的电位器，使得数码管显示值为-50，再将调试电阻调到 175.8，调节与 ICL7107 相联的另一电位器，是数码管显示值为 200。用 Pt100 代替调试电阻接入电路，观察数码管现实的温度值，通
23、过按键切换到设定温度，调节 R14，确定设定温度值，给 Pt100 加温，观测当温度超过设定值时发光二极管，蜂鸣器及风扇的反应。若正常，说明电路无误。 4.2 实验现象实验现象描述：当日测量得到的室温值为 25，设定温度为 30，对Pt100 加温达到 30时，发光二级管发亮，蜂鸣器鸣叫，同时风扇转动。反应比较灵敏。4.3 测量数据电路焊接后检查有无短路、断路，检查无后，焊好测试电阻，接好电源后，先测得三脚电压，将测试电阻调至 80.3 测一脚电压，再将测试电阻调至175.8 测一脚电压。得到测量数据如下：三脚电压：0.29V 理论值在 0.1 到 0.3 之间，满足要求一脚实际测量值：RP=
24、80.3 时，U=1.23VRP=175.8 时，U=2.25V一脚理论输出电压：1.20V2.21V误差：RP=80.3 时， （1.23-1.20）/1.20=2.4.%RP=175.8 时， （2.25-2.21）/2.21=2.1%误差在允许范围内，可以使用。实验精度：测量室温值：24 实际室温值：25误差：4.2%4.4 出现问题及解决方法a、调试过程中出现下限溢出呈现负一状态。解决方法：检查 lm324 管脚电压，3 管脚电压为 0.29V 为正常状态，1 管脚电压为 0V，可见运放没有放大，检查电路焊接正常，换了一块 lm324 就能正常运放，呈现正常状态。b、调节电路时，当接入
25、电阻为 175.84，数码管显示为 200，换成接入电阻为80.3 时，调节电位器数码管示数不为-50 。解决方法：电位器两侧的电阻不太匹配，使得在电位器的调节范围内无法达到-50 的显示值。不断尝试换与 RP1 和 RP2 串联的电阻阻值，将电阻换为适当的值后，使得显示值在-50 附近。c、数码管显示数字时某段不能稳定，一直闪。解决方法：经检查不是电路焊接问题，是数码管引脚与底座接触不良导致部分不亮，将对应引脚与底座再次焊接就出响了正常情况。4.5 结果分析在此次实验中，数码管显示温度稳定，在超过 30时，出现声光报警和风15扇工作，反应灵敏，但所测室温与实际温度有一定误差，主要原因为上限制
26、和下限值不是准确的-50 和 200，存在一定的误差，再者，由于电路焊接以及元器件问题，可能导致一的误差。实验仪器：直流稳压电源，数字万用表五 结束语5.1 设计制作的结论性意见及收获体会在此设计过程中，主要是电路的焊接以及对电阻的调节，本次试验是利用PT100 接 LM324 运放、数码管显示 AD 转换电路和数码显示电路。数码管显示AD 转换电路主要由芯片 ICL7107 组成，由四位数码管共阳极组成。 LM324 部分电路主要完成将温度信号转换为电压信号，ICL7107 部分电路与数码管显示电路完成温度的数字显示。通过本次实验，初步掌握了电子电路设计的基本过程，对于一些芯片的功能及运用有
27、了基本的了解。除此之外也对一些实验中常用的元件如开关、二极管、数码管等的应用有了一定的认识。同时，我也发现了自己的不足，在焊接电路时有时会出现虚焊的现象，而且对电路的布局掌握得还不好，导致飞线的数量很多，使得电路看上去很乱，也给电路的检查与故障的排除带来很大的困难。这是其一，还有就是，对电路原理掌握的不是很熟练，导致焊的时候速度不是很快，减慢了试验时间。再者我感觉自己对一些常用元件的掌握不够好，理论基础知识掌握不够牢固，导致焊接电路时常出现一些可避免的错误。最重要的一点就是，自己在焊接电路时比较马虎，会出现错焊、漏焊的现象。希望自己能够从这次实验中总结经验，改正自己的不足让自己的能力得到提升。
28、同时在此次试验中，能够得到理想的实验结果与同学的交流是很重要的一个因素，探讨电路的接法，如何布线，电路的调试及错误，收获了很多很多，让自己的思维更加严谨。 5.2 改进的意见及鸣谢在焊接过程中，主要问题是电路的布线及电阻的调试，对于电阻的调试，我认为，在与 RP1 和 RP2 串联的电阻也可以改成滑动变阻器，使得调节方便，数码管底座焊接处布线很密，可以适当的将每个数码管间隔一定距离，是电路看上去更加好看，当然，如果是要减少飞线，最好的是画 PCB 板，但相对来说，难度较大，时间较长。在此，感谢电子电路这门实验，让我动手能力和理论知识都得到了加强，并且感谢给予我指导老师和给我提出意见和建议的同学
29、。六 附 录16附 1: 总电路图附 2: 参考文献实用电子系统设计基础 姜威 北京理工大学出版社电子线路设计实验测试 罗杰 谢自美 电子工业出版社传感器原理、设计与应用 刘迎春 叶湘滨 国防科技大学出版社LM324 芯片中文资料 ICL7107 芯片中文资料附 3: 元器件表清单设计选题：温度测量数显控制仪的设计实现17姓名 学号 班级元器件名称型号 数量芯片：ICL7107 LM324DIP40 DIP14电容：224 473 101 104数码管（共阳）底座（40 位）发光二级管（红）二极管（2N60）开关 风扇 蜂鸣器三极管（8550）Pt100电位器：201501电阻：33100360220470K4.3K6.8K100K13.3K10K6.8K2K万用板各 1各 1各 14111各 121131111111111131
