数字温度计设计 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】电子技术课程设计报告（数字温度计）姓名：学号：专业年级：电信111指导教师：设计时间：2013/06/17-2013/06/27第一章引言科技的高速发展，科技产品在不断的的更新。

传统的温度计已经不能满足人们对温度准确度和精确度的要求。

这些参数的获取都需要有高科技做保证，在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器随着温度而引起的物理参数变化有：膨胀，电阻，电容，电动势，磁性能，频率，光学特性及热噪声等等。

温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。

当今信息化时代展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件已经成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。

传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。

可见理解和撑握传感器的知识与技术有着其极重要的意义。

对采集的信息都希望用最直接的方式显示出来，但是传感器所采集的信息是模拟的信号，并且信号是非常微小的，需要用放大器进行放大。

模拟信号不能直接用数字仪器直接显示，通过模数转换之后就可以将模拟量转变成数字量，在通过数码管进行显示。

有些可以直接与单片机链接。

数码管有共阳极与共阴极两类，本次设计采用的是共阳极的七段数码管。

第二章设计任务与要求①设计任务：设计一数字温度计，将测量的温度值转换为数字量并显示出来，即将收集的模拟的信号转换成数字信号。

②设计要求：必须选择一个温度传感器，并且所设计的数字温度计测量的范围为0-100℃,采用数模转换（单片机除外），LED数码管进行数字显示。

第三章设计方案设计方案主要包括温度的采集与信号的放大，数模转换，数码显示三部分。

温度的改变会影响一些电阻的阻值，温度传感器是通过物体随温度变化而变化的特性来测量的。

一般采用阻值的变化与温度的变化有线性关系的电阻来采集温度，最后通过阻值的变化来反映出温度。

Pt100铂热电阻与温度之间存在着线性的关系，通过阻值的变化可以得到对应的温度。

有些是采用热电偶的方式，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成。

热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。

通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。

本次课程设计主要用LM35,温度传感器，它能集温度的采集与放大于一身的传感器，而且采用LM35的电路比较简单，于其内部已将采集的信号进行放大。

3-2模数转换：数模转换就是将采集的温度模拟信号转换为数字信号，能够被数码管识别的数字信号。

AD0809,等都是模数转换器，只是AD0809是与单片机搭配电路比较简单，但是该课程设计不能用单片机。

TC7107与MC14433都是三位半的模数转换器，其可以直接与数码管进行连接显示。

但是MC14433在仿真软件protues中没有，所以只能采用TC7107。

3-3数码显示：数码显示就是将TC7107转换成的数字信号进行显示。

一般数码管有共阳极与共阴极两类，共阳与共阴的只要区别就是其公共端是接阳极还是接阴极，如果接阴极就为共阴极，反之为共阳极。

数码管根据不同的信号显示不同的值，但是一个数码管只能显示0—9还有负号与小数点。

0—9的显示主要是其a~g管脚的组合显示。

第四章设计原理与电路4-1温度传感器原理：温度传感器主要就是LM35，由于它采用内部补偿，所以输出可以从零度开始。

LM35系列是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比，比按绝对温标校准的线性温度传感器还得多。

其主要的优点有：●在摄氏温度下直接校准。

●+10mV/℃线性刻度系数。

●在25℃时确定℃的精度。

●适合于远程应用。

●工作电压范围广（4—30）。

●低功耗，小于60uA。

●非线性仅为±1/4℃。

●输出阻抗，通过1mA电流时仅为。

LM35有多种不同的封装型式，在常温下，LM35不需要额外的校准处理就能达到±1/4℃的准确率。

其电源供电有单电源与双电源供电两类，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中其输出的电压与温度之间是线性的关系，也就是说当温度问10℃时期输出的电压时。

这一主要的特性使得温度的测量得到简化。

所以LM35作为传感器，一般你有三个管脚，如图4-1所示1管脚接电源，选取+5V 电源，3管脚接地，2管脚为输出端口，接TC7107的输入管脚。

直接将LM35接在电路中就可以仿真温度计，感受温度的变化。

LM35VCC （4—30℃）GNDOUT1 32 图4-1 图4-2图4-34-2模数转换原理：数字温度计将采集的模拟的信号转换为数字信号，并能通过数码管显示出来，采用TC7207三位半的A/D转换器进行模数转换。

它能直接驱动7段数码管进行数码显示，最后可得温度的数字信号。

TC7107是高性能，低功耗的三位半的A/D转换器，它自身包含七段数码显示器，显示驱动器，参考源和时钟系统。

三位半是十进制数0000-1999。

所谓三位是指个位，十位，百位，其数字显示范围是0—9而半位是指千位数，它不能与个位，十位，百位那样从0—9，只能由0-1变化，即二值状态，所以称为半位。

如果超过了量程，那么千位数就会显示1，反之就是0，一般采用将该显示的零进行消隐。

与ADC0809芯片相比，TC7107使得电路简化的同时又节约了成本，所以选择TC7107更合适。

TC7107是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模的CMOS 集成电路，其主要特点是：●可以采用是电源供电，±5V的电源，有助于实现仪表的小型化。

●芯片内部有异或门输出电路，可以直接驱动LED显示器。

●功耗低，芯片本身消耗的电流只有，功耗约16mW。

●输入阻抗高，对输入信号没有衰减作用。

●能通过内部的模拟开关进行自动调零和自动显示极性的功能。

●噪声低，失调温标和增益温标均很小。

具有良好的可靠性，使用寿命长。

●整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便的进行功能检查。

图4-4为TC7107的管脚图，一共有40个管脚，其每一个管脚的意义表1所1V+提供正电压 2D1激活个位显示的d 部分 3C1激活个位显示的c 部分 4B1激活个位显示的b 部分 5A1激活个位显示的a 部分 6F1激活个位显示的f 部分 7G1激活个位显示的g 部分 8E1激活个位显示的e 部分 9D2激活十位显示的d 部分 10C2激活十位显示的c 部分 11A2激活十位显示的a 部分 12B2激活十位显示的b 部分图4-4F osc为外部小数点的负供电电压38,39,40OSC3,OSC2,OSC1。

这三部分组成振荡器部分。

对于48kHz 的时钟，38管脚接100pF 电容，39管脚接100K 电阻，并且电容与电阻的另一端接40管脚TC7107工作原理：TC7107是双积分型A/D 模数转换器，主要是在一个测量周期内进行两次积分，两次积分的方向相反，将被测电压U X 转换成与其成正比的时间间隔，在此时间间隔内填充标准的时钟脉冲，用仪器记录的脉冲个数来反映U X 的值，所以它是T U -变换型的。

其原理图为：其工作主要有三个阶段:(1)准备阶段:主要使积分器的输出电压变为0，保证输入电压U 0=0作为其初始状态。

自动调零电容一般为。

(2)采样阶段:主要是对被测量即对输入的电压进行积分。

一般作正向积分，输出的电压U 01线性增加，同时逻辑控制电路将闸门打开，释放脉冲个数。

TC7107的信号积分周期为1000个时钟周期或计数。

在内部计时之前，将外部的时钟频率进行四分频。

所以积分时间为：为外部设置的时钟频率所以积分可以得：100041⨯=FToscUT dt U U Xx RC t t RC 101211=--=⎰表14-2-14-2-2图4-5VV REFIN=1000是输入的电压，即被测电压是标准的时钟周期C 为积分电容，其计算公式为:F OSC 为38管脚上接的时钟频率V FS为满量程输入范围R INT为积分电阻，满量程为200mV 时选用47K ，满量程为时，采用的阻电阻值为470KV INT希望的满量程积分输出摆幅C一般选用的电阻的阻值为，其必须保持较低的介质吸收率，以最小化翻转误差。

当转换器与测量系统公用同一电源公共端即接地端时，由VIN+和VIN-输入的差分信号必须在器件共模电压的范围之内。

如果转换器与测量系统未公用同一公共端，应该将VIN-接到模拟公共端。

极性是在积分结束后确定。

符号位是真实的极性指示，这样才能正确分辨小于1LSB 的信号，从而使得精密零检测只受器件噪声和自动调零残留失调的限制。

(3)参考积分阶段：这一阶段主要是对系统的标准电压进行与被测电压进行积分方向相反的积分。

如果被测的电压即输入电压进行的正向积分，则对标准电压就应该进行反向积分，反之亦然。

用于在参考电压积分周期期间使积分器输出电压返回到零的参考电压存储在CREF 上。

当VIN-连接到模拟公共端时，可使用μF 的电容。

如果存在一个大的共模电压（VREF-与模拟公共端相连）且应用需要200mV 的满量程，可将CREF 增加至μF 。

翻转误差将保持在半个计数以内。

选用聚酯薄膜型介质电容即可。

输出回零所需的时间与输入信号成比例，在0至2000个计数之间。

显示的数字读数为：V IN为输入的电压，即从温度传感器输出的电压VREF为标准电压此段积分输出的电压为：与正向积分的方程进行联立可以得到：UxT1()VINTRV FCINTFS OSC⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=14000U T U U UxO O O RC t t Udt RC 2112321-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎰4-2-34-2-44-2-5U N NU x12=即因为U 与T 1是给定的，所以输入电压的大小与T2时间内释放的脉冲个数成正比。

如果始终脉冲的周期为T 0那么有TN T 022=所以输入电压还可以表示为：如果标准电压与第一次积分中的时钟脉冲个数在数值上相同，那么输入的电压就是在反向积分中填充的脉冲的个数。

标准电压是由电阻的分压确定，在这次设计中采用的是20K 与150K 的滑动变阻器进行调节标准电压的大小。