简易数字温度计的设计

赣南师院 物理与电子信息学院 数字电路课程设计报告书

姓名： 班级：

时间： 2011

年 6 月10 日

数字温度计的设计

一、 总体方案的选择

1.

拟定系统方案框图

（1） 方案一：

本方案采用AD590单片集成两段式敢问电流源温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时, 还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。系统方框图如下：

图1.1 系统方案框图

（2） 方案二：

使用数字传感器采集温度信号，然后将被测温度变化的电压或电流采集过来放大适当的倍数，进行A/D转换后，将转换后的数字进行编码，然后再经过译码器通过七段数字显示器将被测温度显示出来。

图1.2系统方案框图

（3） 方案三：

使用温度频率转变电路，根据温度与频率的线性关系先将温度转变为

频率，将转换的频率输入频率计中，频率计电路中通过放大整形电路、主门电路、计数器、锁存器、七段译码输出，在七段显示器中将频率显示出来，显示的频率即为对应的温度值。

温度转为频率路

图1.3系统方案框图

2. 方案的分析和比较

方案一中的模数转换器ICL7107集A/D转换和译码器于一体，可以直接驱动数码管，不仅省去了译码器的接线，使电路精简了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要很少的外部元件就可以精确测量0到200mv电压，AD590可以将温度线性转换成电压输出。而方案二经过A/D转换后，需要先经过编码器再经过译码器才能将数字显示出来。方案三只经过温度频率转换就可把温度用相应的频率显示出来，成本较低，可操作性较强。

比较上述三个方案，方案三明显优越于前两个方案，它用热敏电阻采集温度信号，用NE555将温度转化为频率输入频率计中，用CD40110驱动数码管直接实现数字信号的显示，实现数字温度计的设计；省去了另加编码器和译码器的设计，所以线路更简单、直观； 即采用方案三。

二、 单元电路的设计

通过热敏电阻对温度进行采集，通过温度与频率近乎线性关系，以此来确定输出频率与其对应的温度，不同的温度对应不同的频率值，故我们可以通过频率值的改变来判断温度值，再由数码管表示出来。

2.1温度转变为频率电路

在由NE555组成的多谐振荡器中，电容C的充电时间T1和放电时间

T2各为

T1=(R1R2)Cln

VCCVT

VVT

0VTCC

RCln

2 T2R1Cln1

0VT

=R1R2Cln2

故电路的振荡周期为

TT1T2R22R1Cln2 振荡频率为

f

1T

1

(R22R1)Cln2

通过改变R和C的参数可以改变振荡频率。温度的改变可以改变热敏电阻R2的阻值，而R2的改变又可直接导致振荡频率f的变化，即可通过频率的变化来反映温度的变动。

在室温下（设室温为30度）可测得负温度系数的热敏电阻的阻值为10K，取电容C为1uF,则由以上公式得2R1

1fCln2

R2，得R119.2，则取R1为20K。

温度转换为频率如下图所示：

5_VIRTer

图1.4 温度转换为频率

2.2频率显示电路

数字式频率计由放大整形电路、振荡电路、控制电路、和由主门电路、计数器电路、所存器电路、译码显示组成的译码显示电路。 1.放大整形电路的设计

此电路由三极管和几个74LS00与非门组成，其作用是为了把被测信号放大,然后整形为与其同频率的方波。电路如图2所示。

图2 放大整形电路

2震荡电路

此电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成。电路如图3所示。由于低电平T1= R1 Cln2高电平T2=（R1+R2）Cln2，高电平T2=（R1+R2）Cln2可以通过改变R1与R2来改变T1，T2的值，为了使电路发出一个合适的震荡信号，可以令C=100uf， R1=1KΩ，R2可以用一个5.1 KΩ的电阻和一个10K的可变电阻来代替。电路如下所示：

D1

图3 震荡电路

3译码显示电路

译码显示电路由计数器电路、锁存器电路、译码显示组成。

计数器电路由一片CD4017芯片组成，计数器工作时每个高电平维持一个时钟周期，每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲来计数。

锁存器电路由CD40110组成，40110 为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。作用是将计数器在结束时所得的数和温度转换成的频率信号合成的结果进行锁存，使显示器上能稳定显示此时计数器的值。

译码显示电路通过CD40110和七段数码管来显示。如下图所示：

图4 译码显示电路

2.2总体电路

总电路图如下所示：

图5 总原理图

三、元器件清单

四、仿真测试

软硬件结合测试步骤和结：按所设计电路，在Multisim中分模块进行仿真测试。 1.温度转变为频率电路测试

在常温下，热敏电阻所感受的温度转变为频率，用频率计测出此时的频率即为该温度值。测试电路如下所示：

图六：温度转变为频率电路测试

在频率计中观察到频率计显示的频率为28.746HZ，即此时的温度值约为28.746度。该温度值在所估计的误差范围内。

2.放大整形电路的测试

把被测信号放大然后整形为与其同频率的方波。电路输入正弦波频率为10HZ，振幅为1V,仿真结果如图7所示

图6 放大整形电路测试电路

图7 放大整形电路测试波形

3.震荡电路测试

震荡电路输出周期为1.279秒，高电平脉冲为0.68毫秒的方波.

.图8震荡电路测试电路

五、实验结果及误差分析

将该电路的硬件进行测试得，在数码管中显示的数值为30，即测得的温度值为30度。

此实验的相对误差为：t

3028.746

30

100%4.18%

误差分析：此实验出先的误差主要的因为：

（1）热敏电阻对温度的灵敏度不是理想的，不能精确的反映温度的大小；

（2）计算出的参数有一定的误差；

（3）元器件的数值与理想值存在着一定的偏差；

（4） 受到外界因素的影响，引起温度值的变化。

六、设计收获和体会：

此次设计我们得到的最终结论如下：数字温度计的设计可以通过把温度转换成频率，频率信号通过放大整形后，可以测出其频率，数码管显示其频率。

本实验还有着其不足之处：只能粗劣的测出温度值，不能精确的测出温度，温度有一定的限度。通过此次设计，我们进一步加深了对数字电路知识的认识与理解，掌握了数字率计的设计、组装与调试方法。更加熟练的运用仿真软件，并学习了运用软件测试、调试、改进电路。培养了独立思考、分析、解决问题的能

力，并培养了我们的动手能力。

从实验审题、原理的认识、器件参数的计算、误差的分析、电路的焊接等一系列的工作都是建立在独立查询资料的基础之上的。让我从从中学到了很多，不仅是对该电路的认识，更是培养了自己独立思考问题解决问题的能力，加深了对数电、模电知识的理解，巩固了学到的知识，有助于自己今后的学习。

总之，在这次的课程设计过程中，我收获了很多，即为我的以后学习设计有很大的帮助，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。

最后，我要感谢杨老师的指导，在杨老师的指导和改正下,让我及时发现了我所设计的不足之处,完善了我的电路设计.衷心的谢谢杨老师．

七、参考文献

１.谢自美. 电子线路设计·实验·测试. [M]武汉：华中理工大学出版社，2000年

２.阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

３.王港元.电工电子实践指导.[M]江西:江西科学技术出版社,2009年． ４.付家才. 电子实验与实践. [M]北京：高等教育出版社，2004年

５ 梅慧楠, 朱中华, 程时杰. 基于park变换的UPQC检测方法研究

[J]. 电力科学与工程, 2005, (01): 17-21.

附： A4纸

赣南师范学院2010--2011学年第二学期数字电路课程设计

行政班级 电子信息工程09级 学号090802059 姓名 卢韦华

选课班级 电子信息工程09级 任课教师 杨汉祥 成绩 _________

赣南师院 物理与电子信息学院 数字电路课程设计报告书

姓名： 班级：

时间： 2011

年 6 月10 日

数字温度计的设计

一、 总体方案的选择

1.

拟定系统方案框图

（1） 方案一：

本方案采用AD590单片集成两段式敢问电流源温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时, 还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。系统方框图如下：

图1.1 系统方案框图

（2） 方案二：

使用数字传感器采集温度信号，然后将被测温度变化的电压或电流采集过来放大适当的倍数，进行A/D转换后，将转换后的数字进行编码，然后再经过译码器通过七段数字显示器将被测温度显示出来。

图1.2系统方案框图

（3） 方案三：

使用温度频率转变电路，根据温度与频率的线性关系先将温度转变为

频率，将转换的频率输入频率计中，频率计电路中通过放大整形电路、主门电路、计数器、锁存器、七段译码输出，在七段显示器中将频率显示出来，显示的频率即为对应的温度值。

温度转为频率路

图1.3系统方案框图

2. 方案的分析和比较

方案一中的模数转换器ICL7107集A/D转换和译码器于一体，可以直接驱动数码管，不仅省去了译码器的接线，使电路精简了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要很少的外部元件就可以精确测量0到200mv电压，AD590可以将温度线性转换成电压输出。而方案二经过A/D转换后，需要先经过编码器再经过译码器才能将数字显示出来。方案三只经过温度频率转换就可把温度用相应的频率显示出来，成本较低，可操作性较强。

比较上述三个方案，方案三明显优越于前两个方案，它用热敏电阻采集温度信号，用NE555将温度转化为频率输入频率计中，用CD40110驱动数码管直接实现数字信号的显示，实现数字温度计的设计；省去了另加编码器和译码器的设计，所以线路更简单、直观； 即采用方案三。

二、 单元电路的设计

通过热敏电阻对温度进行采集，通过温度与频率近乎线性关系，以此来确定输出频率与其对应的温度，不同的温度对应不同的频率值，故我们可以通过频率值的改变来判断温度值，再由数码管表示出来。

2.1温度转变为频率电路

在由NE555组成的多谐振荡器中，电容C的充电时间T1和放电时间

T2各为

T1=(R1R2)Cln

VCCVT

VVT

0VTCC

RCln

2 T2R1Cln1

0VT

=R1R2Cln2

故电路的振荡周期为

TT1T2R22R1Cln2 振荡频率为

f

1T

1

(R22R1)Cln2

通过改变R和C的参数可以改变振荡频率。温度的改变可以改变热敏电阻R2的阻值，而R2的改变又可直接导致振荡频率f的变化，即可通过频率的变化来反映温度的变动。

在室温下（设室温为30度）可测得负温度系数的热敏电阻的阻值为10K，取电容C为1uF,则由以上公式得2R1

1fCln2

R2，得R119.2，则取R1为20K。

温度转换为频率如下图所示：

5_VIRTer

图1.4 温度转换为频率

2.2频率显示电路

数字式频率计由放大整形电路、振荡电路、控制电路、和由主门电路、计数器电路、所存器电路、译码显示组成的译码显示电路。 1.放大整形电路的设计

此电路由三极管和几个74LS00与非门组成，其作用是为了把被测信号放大,然后整形为与其同频率的方波。电路如图2所示。

图2 放大整形电路

2震荡电路

此电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成。电路如图3所示。由于低电平T1= R1 Cln2高电平T2=（R1+R2）Cln2，高电平T2=（R1+R2）Cln2可以通过改变R1与R2来改变T1，T2的值，为了使电路发出一个合适的震荡信号，可以令C=100uf， R1=1KΩ，R2可以用一个5.1 KΩ的电阻和一个10K的可变电阻来代替。电路如下所示：

D1

图3 震荡电路

3译码显示电路

译码显示电路由计数器电路、锁存器电路、译码显示组成。

计数器电路由一片CD4017芯片组成，计数器工作时每个高电平维持一个时钟周期，每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲来计数。

锁存器电路由CD40110组成，40110 为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。作用是将计数器在结束时所得的数和温度转换成的频率信号合成的结果进行锁存，使显示器上能稳定显示此时计数器的值。

译码显示电路通过CD40110和七段数码管来显示。如下图所示：

图4 译码显示电路

2.2总体电路

总电路图如下所示：

图5 总原理图

三、元器件清单

四、仿真测试

软硬件结合测试步骤和结：按所设计电路，在Multisim中分模块进行仿真测试。 1.温度转变为频率电路测试

在常温下，热敏电阻所感受的温度转变为频率，用频率计测出此时的频率即为该温度值。测试电路如下所示：

图六：温度转变为频率电路测试

在频率计中观察到频率计显示的频率为28.746HZ，即此时的温度值约为28.746度。该温度值在所估计的误差范围内。

2.放大整形电路的测试

把被测信号放大然后整形为与其同频率的方波。电路输入正弦波频率为10HZ，振幅为1V,仿真结果如图7所示

图6 放大整形电路测试电路

图7 放大整形电路测试波形

3.震荡电路测试

震荡电路输出周期为1.279秒，高电平脉冲为0.68毫秒的方波.

.图8震荡电路测试电路

五、实验结果及误差分析

将该电路的硬件进行测试得，在数码管中显示的数值为30，即测得的温度值为30度。

此实验的相对误差为：t

3028.746

30

100%4.18%

误差分析：此实验出先的误差主要的因为：

（1）热敏电阻对温度的灵敏度不是理想的，不能精确的反映温度的大小；

（2）计算出的参数有一定的误差；

（3）元器件的数值与理想值存在着一定的偏差；

（4） 受到外界因素的影响，引起温度值的变化。

六、设计收获和体会：

此次设计我们得到的最终结论如下：数字温度计的设计可以通过把温度转换成频率，频率信号通过放大整形后，可以测出其频率，数码管显示其频率。

本实验还有着其不足之处：只能粗劣的测出温度值，不能精确的测出温度，温度有一定的限度。通过此次设计，我们进一步加深了对数字电路知识的认识与理解，掌握了数字率计的设计、组装与调试方法。更加熟练的运用仿真软件，并学习了运用软件测试、调试、改进电路。培养了独立思考、分析、解决问题的能

力，并培养了我们的动手能力。

从实验审题、原理的认识、器件参数的计算、误差的分析、电路的焊接等一系列的工作都是建立在独立查询资料的基础之上的。让我从从中学到了很多，不仅是对该电路的认识，更是培养了自己独立思考问题解决问题的能力，加深了对数电、模电知识的理解，巩固了学到的知识，有助于自己今后的学习。

总之，在这次的课程设计过程中，我收获了很多，即为我的以后学习设计有很大的帮助，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。

最后，我要感谢杨老师的指导，在杨老师的指导和改正下,让我及时发现了我所设计的不足之处,完善了我的电路设计.衷心的谢谢杨老师．

七、参考文献

１.谢自美. 电子线路设计·实验·测试. [M]武汉：华中理工大学出版社，2000年

２.阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

３.王港元.电工电子实践指导.[M]江西:江西科学技术出版社,2009年． ４.付家才. 电子实验与实践. [M]北京：高等教育出版社，2004年

５ 梅慧楠, 朱中华, 程时杰. 基于park变换的UPQC检测方法研究

[J]. 电力科学与工程, 2005, (01): 17-21.

附： A4纸

赣南师范学院2010--2011学年第二学期数字电路课程设计

行政班级 电子信息工程09级 学号090802059 姓名 卢韦华

选课班级 电子信息工程09级 任课教师 杨汉祥 成绩 _________