最新数字温度计设计

数字温度计

摘要：温度计在实际生产和人们的生活中都有广泛应用。该设计是数字温度计，首先是对总体方案的选择和设计；然后通过控制LM35进行温度采集；将温度的变化转为电压的变化，其次设计电压电路，将变化的电压量通过放大系统转化为所需要的电压；再通过TC7107将模拟的电压转化为数字量后直接驱动数码管LED对实时温度进行动态显示。最后在Proteus仿真软件中构建了数字温度计仿真电路图，仿真结果表明：在温度变化时，可以通过电压的变化形式传递，最终通过3位十进制数显示出来。

关键词：温度计；电路设计；仿真

目录

1设计任务与要求 (1)

1 设计任务与要求 0

2 方案设计与论证 0

3 单元电路的设计及仿真 (1)

3.1温度传感器 (1)

3.2放大系统 (2)

3.3 A/D转换器及数字显示 (3)

4 总电路设计及其仿真调试过程 (5)

4.1总电路设计 (5)

4.2仿真结果及其分析 (6)

5 结论与心得 (8)

6 参考文献 (10)

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1 设计任务与要求

温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表。本课题要求用中小规模集成芯片设计并制作一数字式温度计，即用数字显示被测温度。具体要求如下：（1）测量范围0～100度。

（2）测量精度0.1度。

（3）3位LED数码管显示。

掌握线性系统的根轨迹、时域和频域分析与计算方法；

（2）掌握线性系统的超前、滞后、滞后-超前、一二阶最佳参数、PID等校正方法；（3）掌握MATLAB线性系统性能分析、校正设计与检验的基本方法。

2 方案设计与论证

数字温度计的原理是：通过控制传感器进行温度采集，将温度的变化转化为电压的变化；然后设计电压电路，将变化的电压通过放大系统转化为需要的电压；再通过A/D转换器将模拟的电压转换为数字量后驱动数码管对实时温度进行动态显示。

原理框图如图2-1所示：

图2-1数字温度计原理框图

由设计任务与要求可知道，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，做好是在某参数与温度成线性关系，比如用温敏晶体管构成的集成温度传感器或热敏电阻等；放大系统可以由集成运放组成或反相比例运算放大器；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ICL7107，ICL7106，MC14433等；显示部分用3位LED数码管显示。

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MC14433（A/D转换器)进行数模转换和数字显示。

方案二：用集成温度传感器把温度转化为电压，在把每一度的电压变化值通过LM324集成运放进行放大，使其放大的信号应能满足ICL7107数模转换的要求进行数字显示。由于MC14433模数转换器的显示部分需要驱动器CD4511，基准电压又需要一个MC1403，也就是需要外接的电路和元件相对复杂和麻烦。而31/2位双积分型A/D 转换器ICL7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换和数码显示。

因此选用方案二。

设计初稿中的元器件大多是通过参考书和网上的资料定下来的，Multisim是最常用的仿真软件。首次选用Multisim进行仿真，可是在Multisim里始终找不到需要的仿真模型，最后选用Proteus进行仿真。到了Proteus仿真软件里，很多元器件还是没有仿真模型，只能折中选用仿真模型里有的。比如放大电路由LM324取代了LM741, A/D 转换器由TC7107取代了ICL7107等等。

主要参考元器件有：LM35，LM324，TC7107，电阻及电容若干。

3 单元电路的设计及仿真

3.1温度传感器

集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器，这种传感器最大优点是：直接给出正比于热力学温度的理想的线性输出，另外体积小，成本低廉。因此，它是现代半导件温度传感器的主要发展方向之一。目前，已广泛应用于-55～150℃温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。由于本设计要求，测温范围为0～100℃，故此集成温度传感器满足要求。

3.2放大系统

放大系统是把温度传感器输出的弱信号放大，将每一摄氏度对应的电压以整数输出，可以利用集成运放LM324组成两个反相比例放大电路，由于温度传感器输出的电压与温度的线性关系为10mv/℃，即温度每升高1℃电压升高10mv,因此可以使得电压通过反相比例运算电路放大10倍，即1℃对应电压为100mv。

（1）反相运算器电路结构：

图3-1反相运算放大器的电路结构图

如图3-1所示，该图为反相运算放大器的电路结构图。图中的

R1：输入电阻

R f：反馈电阻，引入电压并联负反馈

R2：平衡电阻，要求R2=R1//R f

（2）电压放大倍数：f

o

vf

i i

R

V

A

V R

==-

V0和V i成比例关系，比例系数为-R f/R i，负号表示V0和V i反相比例系数的数值可以是大于、等于或小于1的任何值。

通用型低功耗集成四运放LM324，内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用(3～30v)，也可接双电源使用(±1.5～±15v)，驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。故选用LM324进行放大系统。

参数计算：U3：A（反相比例运算放大器）用电压放大倍数选择输入电阻和反馈电阻，选用输入电阻R4=1k，故反馈电阻R3=10.03k。平衡电阻R6=R4//R3=1.1k。放大后的电压为负电压，所以还需要级联一个U3：B（同比例反相器），选用输入电阻