1、简易数字温度计的设计 第 I 页课程设计任务书20152016 学年第二学期专业：学号姓名： 课程设计名称： 电子技术课程设计 设计题目： 简易数字温度计的设计 完成期限：自 2016 年 6 月 13 日至 2016 年 6 月 26 日共 2 周一、设计依据 本课题要求利用电子技术相关知识设计出一个能够实现0.1精度的数字温度计。电路由温度采集电路、数字频率计电路和 LED 显示电路构成。通过本课题练习，学生的综合知识应用能力、设计能力将有较大提高，对今后从事电子产品的研制、生产、经营维修等打下基础。 二、主要内容及要求 主要内容： 1、给出详细的总体设计方案； 2、完成各部分具体功能电路
2、设计，主要包括基于热敏电阻的温度信号采集电路、555 振荡电路、频率计电路、LED 显示电路设计； 3、给出正确的电路图，仿真、调试验证各部分设计的正确性； 4、整理设计成果，完成课程设计说明书的撰写。 要求所设计数字温度计的输出温度的范围-20+45、误差范围0.1，具体温度显示采用数码管实现。 三、途径和方法 利用模拟电子技术和数字电子技术的相关知识设计一个数控温度计，可以先查阅相关资料（网上查找或参考相关书籍手册），明确课题的方向和目的，然后学习完成课题所需的理论知识，了解温度信号采集电路、555 振荡电路、频率计电路、LED 显示电路设计的工作原理；在理解的基础上确定设计电路方案，完成
3、电路设计，画出原理图及 PCB 印制版图，通过仿真分析验证设计的正确性，最后提交课程设计说明书一份。 四、时间安排 简易数字温度计的设计 第 II页课题讲解：2 小时 阅读资料：10 小时 撰写设计说明书：12 小时 修订设计说明书：6 小时 五、主要参考资料 1孙丽霞.数字电子技术M .北京:高等教育出版社,2006:174-196. 2杨素行.模拟电子技术基础简明教程M.北京：高等教育出版社 ,2007:40-92. 3高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程-基本技能训练与单元电路设计M. 北京 :电子工业出版社 ,2007:24-57. 4黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M .
4、北京:电子工业出版社, 2005.1:43-66. 5彭介华.电子技术课程设计指导M .北京: 高等教育出版社,2002.12:37-228. 6陈永甫.新编 555 集成电路应用 800 例M.北京: 电子工业出版,2000:80-130. 7萧宝瑾. protel 99 SE 操作指导与电路设计实例（第一版）M. 太原：太原理工大学，2004：198-230. 8张义申，陆坤. 电子设计技术M. 西安:电子科技大学出版 ,1996:48-62. 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年 月 日 简易数字温度计的设计 第 III页简易数字温度计的设计摘 要温度在现实生活中起着
5、相当重要的作用，在电子科技越来越发达的当今时代，工业生产中对温度的测量又有了更精确的要求。在本次简易数字温度计的课程设计中，将采用基于热敏电阻的温度信号采集，用 NE555 多谐振荡电路将温度转化成频率输入频率计中，用 CD40110 驱动数码管直接实现数字信号的显示，实现数字温度的设计。省去了另加编码器和译码器的设计，所以线路更加简单，直观。为了实现课程要求，温度范围要控制在-20+45，温度误差要控制在+0.1 ；因此，电路的设计合理度就尤为重要，这次设计中电路的设计模块有四个核心电路构成。四个核心电路为：温度转换为频率电路、频率显示电路、555 振荡电路、译码显示电路。关键词：热敏电阻，
6、NE555 多谐振荡器，CD40110 , 频率计，译码显示简易数字温度计的设计 第 II页 目 录1 绪 论 .11.1 课题描述 11.2 基本工作原理及总体框图 .12 硬件芯片及元器件说明 22.1 555 芯片 22.1.1 555 的工作原理 .22.1.2 555 的各个引脚功能 .22.1.3 555 的功能介绍 .32.2 CD4017 芯片 32.3 CD40110 芯片 .42.4 元器件介绍 .53 电路硬件模块设计 53.1 温度转换成频率电路设计 53.1.1 NE555 工作原理介绍 63.1.2 NE555 引脚及符号说明 73.2 频率显示电路设计 73.2.
7、1 放大整形电路设计 73.2.2 555 振荡电路 .83.2.3 译码显示电路 84 仿真调试 94.1 温度转变为频率电路测试 .94.2 放大整形电路的测试 104.3 振荡电路测试 11简易数字温度计的设计 第 III 页 5 总体电路 .12总 结 13致 谢 14参考文献 .15简易数字温度计的设计 第 1 页1 绪 论 1.1 课题描述本课题的目的为设计一个简易数字温度计，本课题要求设计出一个能够实现0.1精度的数字温度计，并要求输出温度范围为-20+45。利用相关的电子技术知识实现本次课程设计的整个过程，包括查阅资料，参考书籍文献；首先形成对本次课题的设计思路，包括需要选用的
8、电路和元器件，所选用的电路要严格按照课程设计任务书的要求；下一步要对各个电路模块进行原理图设计以及电路仿真，此过程中会用到 Protel 制图软件和 Multisim 仿真软件来实现部分结果。1.2 基本工作原理及总体框图本次设计采用温度频率转变电路，根据温度与频率的线性关系先将温度转变为频率，将转换的频率输入频率计中，频率计电路中通过放大整形路、主门电路、计数器、锁存器、七段译码输出，在七段显示器中将频率显示出来，显示的频率即为对应的温度值。它用热敏电阻采集温度信号，用 NE555 将温度转化为频率输入频率计中，用 CD40110 驱动数码管直接实现数字信号的显示，实现数字温度计的设计；省去
9、了另加编码器和译码器的设计，所以线路更简单、直观。总体框图如图 1 所示。图 1 整体工作框图简易数字温度计的设计 第 2 页2 硬件芯片及元器件说明2.1 555 芯片2.1.1 555 的工作原理它有五个部分组成：电阻分压器：由三个 5K 的电阻串联构成，为电压比较器 C1 和 C2 提供基准电压；电压比较器： 由 C1 和 C2 组成，提供的基准电压分别为 2/3Vcc 和 1/3Vcc.TH 为 C1 的反相输入端，也称为 555 的高触发端，TR 非为 C1 的反相输入端，也为 555 的低 触 发 端；基本 RS 触发器： 具有置零，置一，保持和无效四个工作状态，正常工作时，电压比
10、较器 C1 和 C2 的 输 出 端分别为 RS 触 发 器 的 置 零 和 置一输 入 端。放电管 VT： 总是与输出端 u0 的状态相反，当 Q=u0=1 时，放电管截至；当 Q=u0=0 时，放电管导通，电容开始放电；缓冲器： 主要是提供电路的带负载能力。555 定时器的原理图如图 2 所示。 图 2 555 定时器原理图2.1.2 555 的各个引脚功能1 脚：外接电源负端 VSS 或接地，一般情况下接地。8 脚：外接电源VCC，双极型时基电路 VCC 的范围是 4.516V， CMOS 型时基电路 VCC 的范简易数字温度计的设计 第 3 页围 318V。一般用 5V。3 脚：输出端
11、 Vo，2 脚：低触发 6 脚：TH 高触发端 4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 TR 和 TH处于何电平，时基电路输出为“0” ，该端不用时应接高电平， 5 脚：VC 为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只 0.01F 电容接地，以防引入干扰。7 脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。2.1.3 555 的功能介绍不难看出 555 的输入和输出具有反相特性，并且输出端 Q 与放电管 D 有着相反的状态；规律为输入端都高：u0=0，VT 导通；都 低：u0=1，VT 截至；中间状态：u0
12、 保持，VT 保持。555 的真值表如表 1 所示。表 1 555 的真值表2.2 CD4017 芯片CD40175 位 Johnson 计算器，具有 10 个译码输出端，CP ，CR ，INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作， 2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每 10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计
13、数链的下级脉动时钟。CD4017 的引脚图如图 3 所示。简易数字温度计的设计 第 4 页图 3 CD4017 的引脚图2.3 CD40110 芯片CD40110 能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段 LED 数码管，其逻辑功能见表 1，其引脚排列如图 1（a ）所示。R （5 脚）为清零端，R1 时，计数器异步清零。CP 为时钟端，CPu（9脚）为加法计数时钟，CPD （7 脚）为减法计数时钟。Qco（10 脚）加计数进位输出，QBO（11 脚）减计数借位输出。TB（4 脚）为触发器使能端，TE0 时，计数器工作，TE1 时，计数器处于禁止状态，即不计数。LE
14、（6脚）为锁存控制端，LE1，显示数据保持不变，但它的内部计数器仍正常工作。a，b，c，d，e，f，g（1，15，14，13，12，3，2 脚）为信号输出端，与七段显示器连接，CD40110 的引脚图如图 4 所示。 CD40110 的功能表如表 2 所示。图 4 CD40110 的引脚图表 2 CD40110 的功能表简易数字温度计的设计 第 5 页2.4 元器件介绍所用元器件的序号，编号，类型和名称以及数量经过核对，如表 3 所示。表 3 元器件清单序号 编号 名称 型号 数量1 Ds,Ds2 显示器 DCD-HEX-REDGR EN22 Q1,Q2 译码驱动器 CD40110 23 U1
15、,U2,U3 与非门 74LS00 14 U4,U6 多谐振荡器 NE555 25 U5 计数器 CD4017 16 R1R7 电阻 77 RQ 热敏电阻 18 C1C7 电容 79 D1,D2 二极管 1N4148 210 D3 发光二极管 111 RP 可变电阻 10K 13 电路硬件模块设计3.1 温度转换成频率电路设计简易数字温度计的设计 第 6 页通过热敏电阻对温度进行采集，通过温度与频率近乎线性关系，以此来确定输出频率与其对应的温度，不同的温度对应不同的频率值，故我们可以通过频率值的改变来判断温度值，再由数码管表示出来。该硬件电路模块的核心构成部件为 NE555 多谐振荡器，多谐振
16、荡器主要应用于简易温控报警器，双音门铃和模拟声响发生器等实际电路中。多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源后，不需要外加触发信号。3.1.1 NE555 工作原理介绍在 由 NE555 组 成 的 多 谐 振 荡 器 中 ， 电 容 C 的 充 电 时 间 T1和 放 电 时 间 T2各 为（1）（2）故电路的振荡周期为振荡频率为（3）（4）通过改变 R 和 C 的参数来改变振荡频率，温度的改变可以改变热敏电阻 R2 的阻值，而 R2 的改变又可以直接导致振动频率 f 的变化，即可通过频率的变化反应温度的变动。在室温下（设室温为 30 度）可测得负温度系数的热敏电阻的阻值为 10K，取电容
17、C 为 1uF,则有以上公式可得 2R1=(1/fC ln 2)-R2,得则取 R1 为 20K。温度转换成频率温度设计电路如图 5 所示。简易数字温度计的设计 第 7 页图 5 NE555 振 荡 电 路 工 作 原 理 图3.1.2 NE555 引脚及符号说明对各个引脚的使用进行说明：1 引脚接地 GND，2 引脚触发，3 引脚输出（OUT ),4 引脚复位，5 引脚控制电压，6 引脚为门限(阈值），7 引脚为放电端，8 引脚为电源电压 Vcc。R1,R2,C 是外接定时元件，定时器的 (2)端与(6)端连接起来接 uc ，晶体管集电极（ 7）接到 R1,R2 的连接处 P。NE555 的
18、引脚图如图6 所示。图 6 NE555 的引脚图3.2 频率显示电路设计简易数字温度计的设计 第 8 页3.2.1 放大整形电路设计此电路由三极管和几个 74LS00 与非门组成，其作用是为了把被测信号放大,然后整形为与其同频率的方波。电路如图 7 所示。图 7 放大整形电路3.2.2 555 振荡电路此电路一个 555 芯片、两个电阻和两个电容组成。电路如图 2.22 所示。由于低电平 T1= R1 Cln2 高电平 T2=（R1+R2 ）Cln2，高电平 T2=（R1+R2）Cln2可通过改变 R1 和 R2 的值来改变 T1，T2 的值，为了使电路发出一个合适的震荡信号，可以令 C=10
19、0uf，R1=1K，R2 可以用一个 5.1 K 的电阻和一个 10K的可变电阻来代替。电路如图 8 所示。图 8 555 振荡电路原理图3.2.3 译码显示电路 简易数字温度计的设计 第 9 页译码显示电路由计数器电路、锁存器电路、译码显示组成。计数器电路由一片 CD4017 芯片组成，计数器工作时每个高电平维持一个时钟周期，每输入10 个时钟脉冲，输出一个进位脉冲来计数。锁存器电路由 CD40110 组成，CD40110 为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。作用是将计数器在结束时所得的数和温度转换成的频率信号合成的结果进行锁存，
20、使显示器上能稳定显示此时计数器的值。译码显示电路通过 CD40110 和七段数码管来显示。两片 CD40110 芯片和七段显示译码管以及 CD4017 芯片共同构成了译码显示电路。电路如图 9所示。图 9 译码显示电路4 仿真调试4.1 温度转变为频率电路测试在常温下，热敏电阻所感受的温度转变为频率，用频率计测出此时的频率温度值。在频率计中观察到频率计显示的频率为 28.757HZ，即此时的温度值约为 28.757 度。该温度值在所估计的误差范围内。测试电路如图 10 所示。该电路的仿真结果如图 11 所示。简易数字温度计的设计 第 10 页图 10 温度转变为频率电路测试图图 11 温度转变
21、为频率测试电路仿真结果4.2 放大整形电路的测试把被测信号放大然后整形为与其同频率的方波。电路输入正弦波频率为10HZ 振幅为 1V, 仿真测试电路如图 12 所示。仿真的波形如图 13 所示。图 12 放大整形电路测试电路图简易数字温度计的设计 第 11 页图 13 放大整形电路测试波形4.3 振荡电路测试振荡电路输出周期为 1.279 秒，高电平脉冲为 0.68 毫秒的方波。测试电路如图 14 所示。该测试电路的仿真波形如图 15 所示。图 14 振荡测试电路简易数字温度计的设计 第 12 页图 15 振荡测试电路仿真波形5 总体电路通过对各个模块电路的设计，整理出总体电路如图 16 所示
22、。简易数字温度计的设计 第 13 页1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 28-Jun-2016 Shet of File: C:UserswuyingyingDocumentsMyDesign.ddbDrawn By:a bfcgdeDPY LEDgn1234567a b c d e f gDS1DPY_7-SEGa bfcgdeDPY LEDgn1234567a b c d e f gDS2DPY_7-SEGD1LEDA7B1C2D6LT3BI4LE5A13B12C11D10E9F15G14U2451A7B1C2D6
23、LT3BI4LE5A13B12C11D10E9F15G14U3451CLK14ENA13RST15Q03Q12Q24Q37Q410Q51Q65Q76Q89Q911CO12U44017TRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VC8 GND 1U1555TRIG2Q 3R4CVolt5 THR 6DIS 7VCC8GND1U5NE555U6NANDU7NANDU8NAND12345678161514131211109RP1RESPACK412345678161514131211109RP2RESPACK4R15.1KR21K R310KRp10KC1100uF C210uFC30.1uFC4
24、0.01uF C5100uFR4100KD1DIODER6C60.01uF C71uFR720KVCD2DIODER810KR5100K图 16 总体电路简易数字温度计的设计 第 13 页总 结本次简易数字温度计的设计通过把温度转换成频率，频率信号通过放大整形后，可以测出其频率，数码管显示其频率。本设计还有着其不足之处：只能粗劣的测出温度值，不能精确的测出温度，温度有一定的限度。从对设计原理的认识、器件参数的计算、误差的分析、电路的仿真等一系列的工作都是建立在独立查询资料的基础之上的。这次设计对以后的课程设计和毕业设计都有很大的帮助。简易数字温度计的设计 第 14 页致 谢最后，我要感谢张老师
25、的指导，在张老师的指导和改正下,让我及时发现了我所设计的不足之处,完善了我的电路设计.衷心的谢谢张老师。张老师严格，负责地指出我课题设计中的所有问题和误区，她的教导深入我心。就算是一个标点的错误，她都不会放过，她就是这样一个治学严谨的好老师。这为我的毕业设计以及接下来的课程设计都打下了坚实的基础。我再次致以诚挚的敬意和感谢。也要感谢书籍资料的作者，他们的思路给我提供了设计的方向。简易数字温度计的设计 第 15 页参考文献1谢自美.电子线路设计实验测试M. 武汉：华中理大学出版社，2000 年.2阎石.数字电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2006 年.3王港元.电工电子实践指导M. 江西: 江西科学技术出版社, 2009 年.4付家才.电子实验与实践M. 北京：高等教育出版社，2004 年.5梅慧楠.park 变换 UPQC 检测方法研究J. 北京：电力科学与工程出版社 ,2005 年.
