H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y课程设计说明书（论文）课程名称：课程设计І设计题目：数字温度计的设计院系：电子与信息工程学院班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2011年4月15日至2011年6月6日哈尔滨工业大学2011年4月15日星期五哈尔滨工业大学课程设计任务书*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
一、任务技术指标主要内容：设计一个数字温度计，测量范围：0～200 O C。
温度的实时LED 数字显示。
测量温度信号为模拟量。
基本要求：1.画出数字温度计的结构框图。
2.画出系统原理图、印制版图与仿真图。
3.计算所需器件数值，列写元器件清单4.进行调试操作5.按要求完成课程设计报告，打印报告二、总体设计思想1.基本原理温度的测量，在工业生产的过程和科研工作中都非常重要。
数字式温度测量的特点是采用数码管直接显示出被测温度值，这种数字显示不仅直观，测量精度高而且便于进行自动控制。
所以，数字温度计获得了广泛的应用。
（一）电路的功能和组成数字温度计应具有下列基本功能：1.能把温度测量转换为成比例的模拟电信号（电流或电压等）。
2.把模拟电信号变换成数字信号。
3.最后通过数字电路（译码和显示）直接指示出温度值。
（二）为了实现上述功能，可以有多种不同的方法，设计时应根据不同的设计要求和具体情况进行选择。
1.温度变换电路目前广泛使用的温度传感器主要包括热电偶、热敏电阻、测温铂电阻、集成电路(IC)温度传感器、晶体管温度传感器等几种类型的传感器，这几类传感器又各有优缺点：①热电偶的灵敏度较低，但它能在很宽的温度范围内使用；②热敏电阻的工作温度范围较窄，但灵敏度高，有利于检测微小温差，但由于其输出的特性量是非线性的，在检测时要首先经过线性化变换，使用不方便；③廉价集成电路(IC)温度传感器的性能离散度较大，必须经过校准后才可用于高精度测量；④测温铂电阻温度系数的离散度很小，精确度较高，灵敏度也较好，特别适用于1 000℃以下温度的测量，但价格比较贵；⑤晶体管温度传感器则是利用半导体材料PN 结电流电压特性和温度的相关性进行测温，它的最大优点是输出线性度好，测温精度也比较高，而且价格便宜，是比较有前途的一类温度传感器。
基于以上考虑，本文介绍的电路就采用PNP 三极管作为温度传感器。
2.放大电路在该测量系统中，传感器的输出是放大器的信号源，然而改传感器的等效电阻不是常量。
根据电压放大倍数的表达式：u is ius A R R R A •+=可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。
为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻Ri>>Rs ，Ri 愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。
此外，放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。
3.A/D 转换电路 （1）A/D 转换器的分类常用的A/D 转换器有双积分型、逐次比较型、并行比较型等。
不同类型的ADC 转换器在性能指标上也有很大差异。
（2）A/D转换器的选用依据①A/D转换器用于什么系统、输出的数据位数、系统的精度、线性。
②输入的模拟信号类型，包括模拟输入信号范围、信号的驱动能力、信号的变化快慢。
对A/D转换器的转换时间、取样速率的要求等。
③后续电路对A/D转换器输出数字逻辑电平的要求、驱动电路等。
④成本及芯片来源等因素。
4.译码显示电路为了节省资源，使用LED的动态显示方式。
由于刷新速率较高，以及人眼的视觉暂留效应，我们看到的是四个LED同时点亮，稳定显示没有闪烁的效果。
2.基本框图图1 数字温度计框图三、具体设计本设计主要构成部分应该是由模拟传感器、线性放大电路、A/D转换分析、驱动电路及显示五部分组成。
下面主要详细介绍各个电路的具体功能。
1.温度取样电路设计温敏三极管在温度发生变化时be结的温度系数为–2mV/°C，利用这个特性可以测出环境温度的变化。
图2 温度取样电路由图可知，U0处即为-U be和R2处的偏置电压之和。
所以R2可作调零功能之用，使温敏三极管在0°C时的U0为零，使显示器的读数也为零。
2.放大电路三运放构成的精密放大电路电路图如图所示：图3 三运放构成的精密放大电路根据运算电路的基本分析方法)(221434O O O U U R R R U -+=-即 ))(21(4321O O O U R R U U -+=- 所以输出电压：))(21()(4321O f O O f U R R RR U U RR U -+-=--= 则： )21(21R R R R U U A f O d +==当R R f =时， 4321R R A d +=其中4R 为可变电阻，可调整放大器放大倍数，以便调整200℃的满度数。
3.A/D 转换器本设计选用213为积分式A/D 转换器MC14433。
MC14433是美国Motorola 公司推出的单片213位A/D 转换器，它将模拟部分和数字部分的电路集成在同一芯片内，结果以BCD 码形式输出。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。
使用时仅需外接两只电阻和两只电容，即可构成一个完整的A/D 转换器。
MC14433最主要的用途是作为数字电压表、数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统中的A.D 转换借口。
其主要功能特性如下：① 精度：读数的±0.05%±1字。
② 模拟电压输入量程：1.999V 和199.9mV 两档。
③ 转换速率：2~25次/s 。
④ 输入阻抗：大于1000 M Ω。
⑤ 电源电压：±4.8~±8V 。
⑥ 功耗：8mW （±5V 电源电压时，典型值）。
MC14433的引脚图如图4所示。
图4 MC14433的引脚图MC14433的引脚使用说明如下。
1脚（V AG ）：模拟地，为输入模拟电压和基准电压的公共地端。
2脚（V REF ）：基准电压，此引脚为外界基准电压的输入端。
MC14433只要一个正基准电压即可测量正负极性的电压。
3脚（V X ）：被测量的输入端，MC14433属于双积分型A/D 转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：1999V V REFX⨯=输出读数 因此，满量程时V X = V REF 。
当满量程选为1.999V ，V REF 可取2.000V ，而当满量程为199.9mV 时，V REF 取200.0mV 。
在实际的应用电路中，根据需要，V REF 值可在200mV ~2.000V 之间选取。
4~6脚（R 1，R 1/C 1，C 1）：外接积分元件端。
此三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1μF聚酯薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66 kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470kΩ，而满量程为200mV时，R1取27kΩ。
7、8脚（C01、C02）:外接失调补偿电容端，电容一般选0.1μF 聚酯薄膜电容即可。
9脚（DU）：更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。
如果在积分器反向计分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。
否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。
这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU 端与EOC引脚直接短接即可。
10、11脚（CLK1、CLK0）：时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率。
12脚（V EE）：负电源端。
V EE是整个电路的电压最低点，一般V EE=-5V。
13脚（V SS）：接地端，正负电源公共端。
14脚（EOC）：转换周期结束标志位。
每个转换周期结束时，EOC 将输出一个正脉冲信号。
15脚（OR ）：过量程标志位。
当REF X V V 时，OR 输出为低电平。
16、17、18、19脚（DS 4、DS 3、DS 2、DS 1）：多路选通脉冲输出端。
DS 4、DS 3、DS 2、DS 1分别对应于个位、十位、百位、千位选通信号。
当某一位DS 信号有效（高电平）时，所对应的数据Q 0、Q 1、Q 2和Q 3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。
20、21、22、23脚（Q 0、Q 1、Q 2、Q 3）：BCD 码输出端。
该A/D 转换器以BDC 码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BDC 数据。
采用字位动态扫描扫描BCD 码输出方式，即千、百、十、个位BCD 码分时在Q 0~Q 3轮流输出，同时在DS 1~DS 4端输出同步字位选通脉冲，可以很方便实现LED 的动态显示。
24脚（V DD ）：正电源电压端。
5.显示电路。
为了节省资源，使用LED 的动态显示方式。
即将MC14433芯片设为选通工作方式，轮流依次点亮四个LED 数码管，各个LED 共用显示译码电路CC4511和并连在一起的总线（数码管a ~g ，dp 脚）。
各个LED 依次由MC1413驱动，分时点亮相关的LED 。
MC1413是显示驱动专用电路，在步进电机驱动、发光LED显示等场合使用广泛，可以替代多组分离的三极管，线路简单，可靠性好。
其内部有7个反相驱动单元，每个单元采用了达林顿管解构的驱动电路，起输出端均为集电极开路结构，每路输出可提供100mA 的驱动电流。
因为MC14133输出的位选通信号为高电平有效，经MC1413反相后，正好与4只共阴极的发光二极管显示器的千位、百位、十位及个位的接地端相连。
MC14433A/D转换器的转换结果以BCD码的形式从Q0、Q1、Q2和Q3输出，分别与CC4511的数据输入端A~D相连，CC4511的输出端接7个几百欧的限流电阻。
当DS=1时，对应的显示位便显示出0~9的十进制数字。
当输入电压过载时，OR=0，控制CC4511的灭灯端BI，使显示灯熄灭。
将个位数码管的小数点点亮，使其与实际测量温度量程一致。
A/D转换电路和显示电路连接图如图5所示。
其中V X端信号来自放大器电路的输出端信号。
MC1403为输出可调的稳压源集成电路，调节输出电位器R P可以改变MC14433的基准电压V REF。
当基准电压为2V时，满量程为1.999V。
图5 A/D转换电路和显示电路连接图6.稳压电路该稳压电路可产生+5V电压。
图6 直流稳压电源四、总电路图图7 总电路图五、PCB图图8 印制电路板图六、元器件清单列表七、调试操作(1)单元电路调试单元电路调试就是进行分部分调试，分部分调试之前应先将各个子部分之间的信号连线断开。
