电子电路实验3 综合设计总结报告题目：温度测量数显控制仪的设计实现班级：学号：：成绩：日期：一、摘要本次实验制作一个温度控制的数字显示控制仪器，主要分为温度采集、电阻/电压转换器、A/D转换器、控制电路和显示电路这五个模块。

温度采集部分用pt100铂电阻来实现，当温度变化时，铂电阻的阻值发生变化，铂电阻的每一个阻值都与温度一一对应，电阻/电压转换器将铂电阻的阻值转化成容易测量的电压值，在京A/D转化器将模拟电压值转换为数字电压值，最终由数码管显示。

当温度超过设定值之后，系统自动启动报警装置，蜂鸣器响起，发光二极管常亮，小风扇随之转动以达到降温效果。

本实验成果能够满足对温度测量精度要求较高的场所的需求，其测量围为-50℃~200℃，精度允许误差为±1℃，精度较高。

二、设计任务2.1 设计选题选题十五温度测量数显控制仪的设计实现2.2 设计任务要求设计一个可在一定温度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。

三、方案设计与论证电路可由温度采集（传感器）、电阻/电压转换器、A/D转换器、控制电路和显示电路组成。

温度由pt100铂电阻采集，经过一个比例放大器将电阻值转换为电压值，为了增加带载能力同时又不改变电压值，在其后增加一个电压跟随器。

A/D转换器集成在芯片ICL7107中，输出的数字信号直接显示在数码管上。

控制电路用比较器与电压跟随器输出相连，当电压超过一定值之后控制电路工作。

系统方框图见图1。

图1 系统方框图此方案A/D转换器使用ICL7107，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。

满足本选题的技术指标要求，而且硬件电路结构简单，易于实现。

四、电路单元参数的选定和设计实现4.1温度采集温度采集电路采用pt100铂电阻，该电阻在不同的温度下显示不同的电阻值，有良好的一一对应关系，测量精确。

电阻与温度对照表如下。

温度℃-50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200电阻80.3190.19100 109.73119.40128.98138.50147.94157.31166.61175.84表1 pt100电阻温度对照表4.2 电阻/电压转换电路电阻电压转换电路采用比例放大器图2 电阻/电压转换电路在输入端用一个锗二极管控制输入电压在0.3V左右。

由于比例放大器输入端电流基本为0，故流经R2的电流与二极管的电流基本上相等。

I=5V/R2，可知R2大约选取千欧级别，此处选用10k欧。

比例放大器对电压的放大关系式为：A=1+Rf/R1，为了使输出电压在可控围，令R1为33Ω。

当外界温度为-50℃时，铂电阻为80.31Ω，放大器的输出为Uo=(1+80.31/33)×0.3=1.03V；当外界温度为200℃时，铂电阻为175.84Ω，放大器的输出为Uo=(1+175.24/33)×0.3=1.90V。

在-50℃～200℃，输出电压在1.03～1.90V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。

4.3 A/D转换电路A/D转换电路的主要芯片为ICL7107，该芯片包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动发光二极管（LED）。

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。

将高性能、低功耗和低成本很好的结合在一起，它有低于10µV的自动校零功能，零漂小于1µV/℃，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。

ICL7107及外围电路如下。

图3 ICL7及外围电路将测量转换后的电压输出接到ICL7107的IN+引脚，当温度为-50℃时，调整32引脚的电阻分压值，以改变IN-的电压值；当温度为200℃时，调整35引脚的电阻分压值，以改变V REF+的电压值。

;事实上，温度与IN+、IN-、V REF+之间有如下公式关系TVININREF=⨯-+-+1000其中，T为设定的温度，当温度为-50℃和200℃时，可列得方程组：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⨯-︒-=⨯-︒-+-++-+2001000)200(501000)50(REFREFVININVININ当温度为-50℃和200℃时，IN+可通过实验测得，代入上式解方程组即可知道IN-和V REF的值，调节分压电阻即可使上述两个电压值与理论相符。

4.4 显示电路显示电路采用四个七段共阳数码管，由于ICL7107部集成了七段译码器和显示驱动，所以这一部分只需将数码管直接与ICL7107相连即可。

4.5 控制电路电路图如下。

图4 控制电路控制电路是在电压跟随器后面加一个电压比较器，电压比较器的原理是进入的电压信号若比设定的高，则门路反转，输出的电压为输入电压的负值。

电压比较器后面接控制电路的工作部分，采用价格经济的PNP三极管驱动，当三极管基极电压转为负值，在集电极和发射极之间，三极管就可以正常工作，发光二极管、蜂鸣器和风扇就可以正常工作。

五、装调测试过程5.1 测试仪器直流电源5.2 常温下pt100的电阻值测量常温下铂电阻阻值为110.2Ω，查表可知当时的室温为26℃。

5.3温度采集及电阻/电压转换器的测试二极管的正极电压为0.283V为了验证前两个模块的准确性，调试过程中测试了四组数据，分别问-50℃、0℃、26℃（测量的室温）和200℃时电压跟随器前与电压跟随器之后的电压值，列表如下：表2 测量数据测量结果为输出在0.990~1.7887之间，与理论值1.03~1.90相差不大，可继续进行实验。

5.4 A/D 转换器与显示模块的测试根据5.3测得的数据可列得方程组：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⨯--=⨯-+-+-2001000787.1501000V 990.0REFREF V IN IN解方程组可求得IN-=1.15V ，V REF =3.19V 。

为了调节方便，将R3和R5换为20K （记为RP4）和10K （记为RP5）电位器。

将RP1和RP2靠近芯片的一段阻值设置为200Ω，则远离芯片的一端阻值调为300Ω。

根据分压原理有：2.08.619.35.08.652.03.415.15.03.4554+=+++=++RP RP解得RP4=14.77K Ω，RP5=3.67K Ω。

按照求得的值调节电路电位器RP4和RP5，使得IN-和V REF 与方程组求得的值相等。

用-50℃和200℃时的电阻值测试，如果A/D 转换显示出的结果与理论不符，则在此基础上微调RP1和RP2，一直达到没有温度误差，并用0℃时的电阻值验证使之准确无误。

由于实验不是一次性完成，电路板与电源多次连接所测得的电压值不一定一致，本次实验再次测时由于IN+（-50℃）和IN+（200℃）的电压值改变，导致计算结果有所变动，用以上方法再次计算，最后得到的结果为IN+（-50℃）=1.082V ，IN+（200℃）=1.810V ，IN-=1.228V ，V REF =2.912V ，此时的RP4和RP5接入电路的阻值分别为13.52K 和4.72K ，将此值应用于电路中，验证显示无误。

5.5 控制电路的测量将开关打到2档，使控制电路与A/D转换模块相连，调节RP3使得数码管显示温度为40℃，即报警温度为40℃，再将开关打到1档，给铂电阻升温，数码管显示的温度一直上升，当显示为40℃时，发光二极管亮起，蜂鸣器报警，风扇开始转动进行降温。

测得各引脚电压如下。

当温度达到报警温度是，运放8引脚的电压值与运放7引脚的电压值互为相反数，这说明反相器工作，将输入电压反转，提供给三极管工作的电压。

六、实验注意事项及主要可能故障分析6.1对作品的评估及存在问题本作品经测试，精度达到题目要求，有良好的测温功能及超温报警功能，可应用于家庭、冷库等地方，小巧便捷。

唯一不足的是没有加入220V民用电源转换成5V直流电的部分，实验中使用的稳压电源来进行的测试。

6.2实验中遇到的问题及解决办法在本次实验中我遇到了许多问题，尤其是在A/D转换与数码管显示部分的调试花费了许多时间。

1.没有经过计算就直接调电位器RP1和RP2，在实验中的效果是数码管数字变化围不大。

经过计算之后发现RP1和RP2 对改变分压值作用不是很大，于是利用公式计算出大体电阻值，将R3和R5变为电位器，方便调试。

2.在理解温度与电压关系的公式上遇到了问题。

一开始并没有真正理解电路及原理，没有弄清到底有多少个未知数。

在经过老师的讲解之后就能够理解并熟练应用了。

3.模拟pt100的电位器是旧的，可能是因为拧的次数多了，阻值锁定效果失灵，导致第一次将电阻调制24Ω，在不动的情况下再次测量阻值会自己跳变成30Ω左右，导致每次测试数码管显示都无法校准。

一开始没有想到是电位器的原因所以耽误了两天的时间调AD，查到这个原因之后换了一个新的电位器则解决了这一问题。

4.在用电位器模拟PT100的时候，不同的温度需要改变成不同的阻值。

一开始为了节省时间与方便，在连接电的情况下直接设定的电位器，多次测试未果，反复从现象找到了原因，发现阻值与不连电的时候会有10Ω左右的电阻差，再次测量的时候断电，电阻值变的精确，AD转换器调好。

6.3 心得体会本次实验做的还算顺利，A/D转换模块花费了最久的时间，不过在出现问题解决问题的过程中自己学到了很多，可以独立排查，知道了什么样的问题该怎样排查，怎样解决，这是之前所不能的。

除了这一部分其他模块都很顺利，包括电路的焊接与数据测试都没有差错。

这次试验巩固了模拟电子线路知识，增强了自行查资料识芯片的技能，收获良多。

七、参考文献[1] 红模拟电子技术基础（第3版）工程大学 2013年1月版[2] 电压比较器基本介绍及经典电路电子发烧友www.elecfans./soft/58/62/2013/325.html[3] ICL7107中文资料电子发烧友 .elecfans./soft/78/223/2012/453.html附录1 系统电路图附录2 元器件清单附录3实物照片。