数字温度计

课程设计
——数字温度计
学院：电子信息工程学院
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目录
一设计任务与要求
二总体框图
总体介绍
方案设计与论证
三选择器件
传感器部分
放大系统
A/D转换
七段数码显示器
四功能模块
温度检测电路模块
放大模块
A/D转换模块
显示模块
五总体设计电路图
六硬件仿真
七连硬件的结论和心得
参考文献
数字温度计
一设计任务与要求
设计一个数字温度计，设计要求如下：
（1）范围：0～+100℃，误差≤±℃；
（2）采用位电压表显示温度测量值，分辨率为℃。

二总体框图
总体介绍
温度计是工农业生产及其科学研究中最常用的测量仪表。

本设计所介绍数字温度计与传统的温度计比较，具有读数方便，测温准确，其输出温度采用数字显示的特点，主要用于测温比较准确的场所。

图1所示的数字温度计的电路框图。

图1 数字温度计的电路框图
由温度传感器、放大器、位A/D转换器和数码管显示器等组成。

被测温度经过温度传感器转换成随温度变化的电压，此电压经放大器放大后送到D转换器，最后用数字显示被测温度。

方案设计与论证
由设计和任务要求可知道，本设计实验主要分为四个部分，即传感器、放大系统、模数转换器以及显示部分。

经过分析，传感器可以选择对温度比较敏感的器件，最好是在某参数与温度成线性关系，比如硅热敏晶体管、热敏电阻等；放大系统可以由集成运放组成：A/D转换器需要选择有LED驱动显示功能的，而可供选择的参考元件有CC7107，ADC0809等；显示部分用4位LED数码管显示。

方案一：用一个NTC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LM358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CC7107A/D转换器进行数模转换和数字显示.。

方案二：用一个NTC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LM358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ADC0809转换器进行数模转换和数字显示。

方案三：用硅热敏晶体管做传感器把温度转化为电压，在把每一度的电压变化值通过LM358集成运放进行放大，使其放大的信号应能满足ADC0809或CC7107数模转换的要求，进行数字显示。

为了搭建电路方便，选用铂热敏电阻，由于3位半双积分A/D转换器CC7107实验室没有，所以选用ADC0809元件代替实现A/D转换。

因此选用方案二。

三选择器件
本次设计所选用的器件如表1所示。

表1 器件选择表
传感器部分
NTC热敏电阻器：
NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。

该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。

其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。

现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。

NTC热敏电阻的电阻值随温度的增加而减小，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。

特性如表2
表2 表3
由上表可知，当温度为0℃时，热敏电阻的电阻值约为325KΩ；当温度为100℃时，铂电阻传感器的电阻值为Ω，与标称电阻值的差值约为R
∆=Ω。

利用这个特性可以构建电桥，电桥平衡时，输出电压是0伏，温度改变，阻值改变，对应的输出电压也改变，从而可以反映温度的变化。

放大系统
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，管脚图如图2
图2 LM358引脚图
A/D转换
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D 模数转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近
寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

外部特性（引脚功能）
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。

下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：8路模拟量输入端。

2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基准电压。

Vcc：电源，单一+5V。

GND：地。

图3 ADC芯片图
七段数码显示器
LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。

它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。

发光二极管，即LED是由半导体材料制成的PN结，在正向偏置时会发光，具有工作电压低、体积小、寿命长、响应快等优点。

常用的颜色有红、绿、黄。

发光二极管的正向压降为～，工作电流为5～10mA，其发光亮度基本与工作电流成正比。

因此在使用发光二极管时，必须串限流电阻。

发光二极管可工作于脉冲状态，在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态比直流工作状态的亮度增加约20%。

发光二极管可以单个的形式使用，也可将几个发光二极管封装在一起，根据封装的形状有七段数码显示器、米字型显示器和点阵式显示器等不同的形式。

当发光二极管导通时，点亮相应的笔划或点。

控制这些发光二极管的亮与暗，即可显示不同的字符或符号。

图4共阳七段显示器结构
图5七段数码管显示器真值表
四功能模块
温度检测电路模块
电阻电桥的两个输出端电压的差值（此即为Pt电阻在温度变化时导致的电阻变化所引起的电压值的改变量）可由以下公式求得
△U=R
∆×V
CC ÷[2×(2R+R
∆)]
其中，U为10V，R为325KΩ，R
∆为Pt电阻在不同温度下的电阻值与在0℃时
标称电阻的差值，并且由电阻分度表可知，当电阻传感器所处温度为零下时，差值为正值；当电阻传感器所处温度为零上时，差值为负值。

和R1，R4，R3组成测量电路，下图是一个测量温度的电路，由电阻变换器R
t
仿真时用滑动变阻器代替热敏电阻。

当电桥平衡时
输出U
=0.这表明测量放大器有较高的共模抑制比
O
感受到温度变化后，会和较小的温漂。

若测量桥臂R
t
产生与△R
相应的微小变化的△Ut=△U。

t
6图
图7
图7为温度为0度时，对应的热敏电阻阻值是325k欧姆，电桥平衡，输出电压是0伏。

图8
图8为温度是99度时对应的阻值是欧姆对应的输出电压约为伏。

放大模块
放大系统是把温度传感器输出的弱信号放大，将每一摄氏度当对应的电压以整数输出，可以利用集成运放LM358组成差分放大电路。

当电桥平衡时，相当于
=0。

这表明测量放大器有较高的共模抑制比和较小的温输出共模信号，故输出U
O
漂。

若测量桥臂Rt感受到温度变化后，产生与△R
相应的微小变化△Ut=△U被
t
有效放大了。

图9
图9为电桥平衡时，输出的电压约为0伏，经过放大器调零以后输出约为0。

图10
上图为99度时温度检测电路模块输出电压绝对值为伏，经过放大器放大以后，输出约为伏。

A/D转换模块
由于Multisim软件中没有，所以用ADC代替ADC0809。

温度为零时，电桥平衡，经放大器输出为0伏，模数转换以后对应输出是
图11
当温度为99度时，对应的输入模拟量是伏，经过ADC模数转换以后输出数字量正好是显示模块
此模块在上个模块中已经体现。

五总体设计电路图
图12
六、
硬件仿真
图13硬件图
七、课程设计总结
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和连接图以及芯片上的选择。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。

而且还可以记住很多东西。

比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。

经过几天的上机，过程曲折可谓一语难尽。

在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。

从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。

劳动是人类生存生活永恒不变的话题。

通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。

我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。

我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好我们不断的反问自己。

也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。

同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

参考文献
1、夏路易主编：《数字电子技术基础》
2、毕满青主编：《电子技术实验与课程设计》第3版。