东北石油大学课程设计2014年8 月2日东北石油大学课程设计任务书课程数字显示仪表课程设计题目数字压力显示仪表的制作专业自动化姓名林彦超学号120601140717主要内容：在面包板上安装一台单片A/D转换器7107或7106组成的0-2V通用表头。

配接压力传感器（应变片式、扩散硅式或其它类型压力传感器），制成数字压力显示仪表。

基本要求：（1）根据实验室所提供的元件、材料，设计并描绘电路接线图。

最后在面包板上接插显示仪表的电路。

（2）由于元件、材料要反复使用，在接插过程中要小心，不要故意破坏元件。

（3）在整个课程设计中，要学会实验室基本仪器、工具有使用方法。

（4）各小组配备的万用表、工具精心使用，如有故意损坏、丢失、要按价赔偿。

参考资料：[1] 张天春,杨慧敏.数字显示仪表课程设计指导书.大庆石油学院自编教材,2008.[2] 李正军.计算机控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2006.[3] 沙占有.数字化测量技术与应用[M].机械工业出版社,2004.[4] 井口征士.传感工程[M].科学出版社，2005.[5]徐爱钧.智能化仪表测量控制原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,1995.[6] 孙蓓，张志义.电子工艺实训基础[M].北京：化学工业出版社，2007.完成期限2013.7.22～2013.8.2指导教师高宏宇专业负责人2013年8月2日目录第1章数显仪表工作原理 (1)1.1数字仪表的发展与应用 (1)1.2数字仪表的特点 (1)1.3压力传感器的工作原理 (2)第2章数显仪表设计方案 (4)2.1ICL7107双积分A/D转换器 (4)2.2 LED显示器 (6)2.3主要集成块 (7)第3章数显仪表的制作 (7)3.1数显部分安装 (8)3.2电源部分安装 (8)第4 章结论与体会 (11)参考文献 (12)第1章数显仪表工作原理1.1数字仪表的发展与应用20世纪50年代初，世界上出现了世界上出现了第一台数字显示仪表。

近五十年来随着科学技术的讯猛发展，尤其是数字化测量技术、半导体技术、大规的集成电路技术及计算机技术在仪表中的应用，仪表的应用范围扩展到一切测量领域。

数显表现在在各行各业的应用越来越广泛，但对其定义一般都比较模糊。

数显仪表定义：数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场合下已经代替了指针式仪表。

从我们家中的电子钟表到工厂用的显示数据牌，无论是对时间的把握还是对产量的控制都提供了精准的数字显示，用数字量替换了模拟量。

到目前为止数显表的概念还没有统一的说法，但对其认识却大都相同，顾名思义它应该是数字或字母显示的仪表。

从广义上讲，街头随处可见的大屏幕数字交通信号灯计时牌，车站的车次牌、工厂数控显示表等都算是数显表的范畴，目前的数显表一般都与电脑、PLC等设备相互连接使用。

它的应用非常广泛，大到卫星监控数据、小至手腕上的电子手表，可以说在现代社会里，它的身影无处不在，其结构并不是很统一，随着需要它的形状大小也会跟着变化，一般为长方形的表头配一个表身。

数显表的数字显示一般采用LED发光管或者是液晶屏幕这两种来完成。

工业、交通等一般都是采用LED发光管的数显表，因为LED光源比较亮，有多种颜色，尤其是红色，非常适合辨别。

液晶显示通常用于家用钟表，因其自身不发光，所以比较省电。

随着数字技术和微电脑技术的不断发展，数显表、以单片机为核心的新型显示与记录仪表越来越广泛地应用到工业自动化和工控领域中。

数显表与指针表一样，与各种传感器、变送器相配，对电量、压力、物位、液位、流量、温度等进行测量，并直接以数字形式显示被测结果。

1.2数字仪表的特点（1）数字显示，读数不存在视觉误差。

（2）精确度一般较高，数字电工仪表由于没有机电类仪表的可动部分，所以机械摩檫，变形的影响极小，只要元器件的质量、性能上没问题，数字仪表是比较容易制成很高精准度的仪表，一般机电类仪表精准度达0.1%已很不容易，而数字仪表可轻易达到0.05%，目前有些数字仪表以达到0.01%的精确度。

（3）灵敏度高。

由于有些数字仪表内多设有各种放大线路或器件，所以可测量较小的信号，如1v左右的电压信号，1mA左右的电流信号号、0.01Hz的频率信号。

（4)输入阻抗高，数字仪表一般本身有工作电源，除测量电流外一般阻抗都可以制得较高，使在测量时对被测物理量影响很小。

（5）使用方便。

特别是实验室用便携式、台式仪表，可制成多量程（目前有-1999-9999 显示量程的KM表系），多功能仪表（可测量电流电压频率功率线速转速）。

（6）抗干扰性能教差，由于数字仪表灵敏度高，其副作用就是抗干扰性能差，外磁场和电场等变化容易引起读书变化，为了解决这一现象；深圳科立恒公司，在技术方面投入巨资，应用先进的表面贴装工艺和电磁隔离技术，弧型设计面板确保仪表的长期稳定。

（7）数字仪表的精确度，表示方法不同于指针式仪表，数字仪表一般多以上量限或读数值为基准值的百分数再加上几个数字来表示该表的精确度，比如KM系列数显仪表，系统精度0.1%(直流)，0.2%（交流）满刻度1字。

一般多功能，多量程的数字多用表的各功能、量程档位不同时，精确度也不一样。

所以在选择和使用数字仪表时应引注意。

1.3压力传感器的工作原理图1-1为其传感器部分的结构。

如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。

受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。

图1-1 压力传感器基本构造如图1-1所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。

，受到拉伸的电阻R2和R4阻值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。

由于各压电电阻如那样组成桥路结构，如果将它们连接恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，当压力为零时的ΔV等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V，实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。

压力为零时，3R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR；相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR，于是ΔV=ΔRI 。

这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。

压力传感器的工作原理是当压敏电阻受压后产生电阻变化，通过放大器放大并采用标准压力标定，即可进行压力检测。

压力传感器的性能主要取决于压敏元件（即压敏电阻）、放大电路，以及生产中的标定和老化工艺。

在目前的压力传感器封装工艺中，通常可以将压阻式敏感芯体做得体积小巧、灵敏度高，而且稳定性好，并将压敏电阻以惠司通电桥形式与应变材料（通常为不锈钢）结合在一起，这样一来，就能确保压力传感器过载能力强和抗冲击压力强。

该类传感器适合测量高量程范围的压力变化，尤其在1Mpa以上时，线性很好，精度也很高，并适合测量与应变材料兼容的各类介质。

陶瓷压阻在结构上，该类传感器将压敏电阻以惠司通电桥形式与陶瓷烧结在一起。

其过载能力较应变片略低一些，抗冲击压力较差，但灵敏度较高，适合测量50Kpa以上的高量程范围，而且耐腐蚀，温度范围也很宽。

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，可以和应变式传感器相兼容。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。

陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。

电气绝缘程度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。

与上述两种结构不同，扩散硅采用在硅片上注入粒子形成惠司通电桥形式的压敏电阻。

被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

因此扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量1kpa到40Mpa的压力范围。

一般情况下，扩散硅传感器分为带隔离膜片和非隔离膜片两种，非隔离膜片只能测量干净的气体，隔离膜片为软性膜片和刚性膜片，适合测量各种类型的介质。

压电式传感器是利用某些晶体的极化效应，即当晶体沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢胺、钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等，其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，磷酸二氢胺属于人造晶体，而压电陶瓷等则属于多晶体。

压电压力传感器主要应用在压力和力等的测量中，比如在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。

特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

总之，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

第2章数显仪表设计方案2.1ICL7107双积分A/D转换器ICL7107CPL是三位半双积分A/D转换器大规模集成电路，其输出极为异或门结构。

它的作用是把输入电压信号变为数字输出，并驱动显示器。

其内部结构包含模拟和数字两大部分。

模拟部分包括积分器、模拟开关、过零比较器等电路。

数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、译码器、控制器、相位驱动器等电路。

ICL7107内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零；极性判别电路，即使输入电压很小也能正确区别极性，并显出来；时钟电路，可以外接RC器件，产生自激振荡；供A/D转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源；ICL7107的输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED；ICL7107与其他CMOS 集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。

ICL7107采用标准的双列直插40引线封装，引线排列如图2-1所示。

可在7~15V单电源条件下工作。

图2-1 7107管脚排列双积分式A/D转换器的优点是：对积元件的质量要求不高，时钟振荡器可以使用普通的阻容元件代替石英晶体，抗干扰能力强。

它作为一种低速、高精度A/D转换器，在数字仪表中广泛应用。

(1)ICL7107D的双积分A/D转换：ICL7107D模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分（采样）、反相积分（比较）三个阶段：自校零（A/Z）阶段、信号积分(INT)阶段、反相积分（DE）阶段。