1、电子信息工程设计温度检测显示系统设计毕 业 设 计 设计题目 温度监测显示系统设计 系 部 信息工程系 专 业 电子信息工程 班 级 电子0601 学 号 063001020001 姓 名 宋 天 诗 指导老师 王珊珊 温度检测显示系统一、设计要求1.以传感器，单片机，数码管等元器件，设计一个温度检测系统，并通过显示器件，显示出温度数据。2.熟练应用protel99，运用protel99设计温度检测显示系统。3.理解温度检测系统的原理。2、总体概要设计 本系统是以温度传感器、数码管和单片机为核心元器件建立起来的温度检测显示系统。通过对单片机和传感器的研究，通过A/D转换器的应用，使本系统实现了
2、温度信号到模拟信号再到数字信号的转换。设计中还使用了译码器74LS47、数码管、稳压管等元器件。图1 系统总体框图 本设计主要包含温度检测和显示电路两个部分。 1.温度检测部分 主要由温度传感器、运算放大器和A/D转换器三部分组成。 温度传感器LM134产生的输入信号由运算放大器ICL7650后，A/D转换器MC14433将运算放大器输出的模拟信号转换成数字信号输入80C51单片机，由于MC14433 的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0Q3和 DS1DS4 都不是总线式的。因此，MCS-51 单片机只能通过并行I/O 接口或扩展I/O 接口与其相连。温度信号检测通道的总增益是由温度
3、传感器、运放和A/D转换器三个环节的增益做决定。在本设计中，前两个环节的增益是固定的，只用电位器作为整个输入通道的增益环节。这样有利于整个设计的调试。 2.显示电路 本设计采用动态扫描输入法，由单片机8051输出数码管段选信号，经译码器驱动器芯片74LS47驱动后数码管发光显示。 三、各单元模块设计与分析1温度传感器 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 LM134是一种新型的硅集成温度传感器,它不同于一般诸如热敏电阻、温
4、差电偶以及半导体PN结等传统的温度传感器。它是根据下述原理设计而成的,即工作在不同电流密度下的两只相同晶体管,其基、射结的结电压之差V_(be)与绝对温度T严格成正比。因而该器件的突出优点是在整个工作温区范围内(-55+125)输出电流几乎与被测温度成线性关系,这样,就可省去非线性校正网络,使用简便。此外,它还具有下列特点:(1)起始电压低(低于1.5V),而器件耐压较高,因而电源电压适用范围宽(在340V之间)。(2)灵敏度高(1A/K),输出信号幅度大。一般情况下,不必加中间放大就可直接驱动检测系统,例如双积分型A/D转换器5G14433或ICL7106等。从而消除了中间环节所引入的误差,
5、提高测温精度。(3)输出阻抗高,一般大于10M。所以它相当于一个受温度控制的恒流源,有较强的抗干扰能力,特别适用于长距离测温和控温场合。由于它的恒流特性,能消除电源电压波动和交流纹波对器件工乍的影响,从而降低了对电源精度的要求。其输入电流由下式计算： 式中，为流进LM134脚的电流值；T为热力学温度；为传感器外接电阻值。图2 温度检测部分温度信号的增益即-T曲线的斜率取决于/的比值。增益可在上进行也可在上进行。用以起点补偿电压的调整，其输出电压等于起点温度的信号电压。补偿电压要求很稳，否则会增大显示误差，故采用有温度补偿的稳压管2DW233供电。2.运算放大器ICL7650 图3 ICL765
6、0 运算放大器采用载波稳零运算放大器ICL7650。ICL7650又称调制式放大器，其输入失调电压为1uV,温漂为0.01uV/C，开环增益不小于120dB，共模抑制比不小于120dB。ICL7650所需外接元件少，使用方便。 ICL7650对输入信号电压和作差动放大。本设计中，为补偿电压，为传感器的温度信号电压。 为了抑制共模信号，使/=/,此时运放的输出电压=这时运放输出电压与共模信号无关，只与补偿电压和温度信号电压之差成正比。 为了使后面的A/D转换器得到合适的输入模拟电压，本设计选取,，故运算放大器ICL7650的差模增益=。3.A/D转换器MC14433 图4 MC14433 (1)
7、 本系统选用了双积分A/D 转换器MC14433，它精度高，分辨率达1/1999。MC14433 A/D 转换器由于双积分方法二次积分时间比较长，所以A/D 转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期信号变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。 (2)MC14433A/D转换器件简介 MC14433 是三位半双积分型的A/D 转换器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约110 次/秒。在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。 MC14433采用扫描的方法，输出从0000-1999共2000个数码。若系统工作范围为0C- +100C，则A/D转换速率约
8、为0.05C/bit。(3)引脚（图4）功能说明:图4 MC14433引脚图各引脚的功能如下：电源及共地端VDD： 主工作电源+5V。VEE: 模拟部分的负电源端，接-5V。VAG： 模拟地端。VSS： 数字地端。VR： 基准电压。外界电阻及电容端RI： 积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470；VX=200Mv时，R1=27K。 C1： 积分电容输入端。C1 一般为0.1F。C01、C02： 外界补偿电容端，电容取值约0.1F。R1/C1： R1 与C1的公共端。CLKI、CLKO ： 外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取470 K左右。转换启动/结束信号端EOC：转换结束信号输出端，正
9、脉冲有效。DU： 启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。位选通控制线DS4-DS1： 选择个、十、百、千位，正脉冲有效。DS1 对应千位，DS4 对应个位。每个选通脉冲宽度为18 个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。BCD码输出线Q0-Q3： BCD 码输出线。其中Q0 为最低位，Q3 为最高位。当DS2、DS3 和DS4 选通期间，输出三位完整的BCD 码数，但在DS1 选通期间，输出端Q0-Q3 除了表示个位的0 或1 外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程。下图为DS1选通时Q3Q0表示的结果 表1 如果输入模拟信号电压的极性是单方
10、向的，则应使MC14433工作在负极性输入下，以增大积分电压的变化频率，提高比较器的分辨率和精度。为此，本设计的运放ICL7650输出的模拟信号电压，在正常情况下始终是负极性的。在模拟信号为某一定值时，调节可改变下降沿的斜率，从而改变MC14433输出的数字量，所以是A/D转换器的增益调节。4.MC1403 MC1403是低压基准芯片。一般用作812bit的A/D基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。 输出电压: 2.5 V /- 25 mV 输入电压范围: 4.5 V to 40 V 输出电流: 10 MA因为输出是固定的，所以电路很简单。就是Vin接电源输入，GND接底，Vout加一
11、个0.1uf1uf的电容就可以了。 Vout一般用作812bit的D/A芯片的基准电压。MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，型号为5G1403和CH1403。UI4.5V15V，UO2.500V（典型值），T可达10106/。为了配8P插座，还专门设置了5个空脚。其输出电压UOUg0(R3R4)/R41.2052.082.5V。MC1403的输入-输出特性输入电压UIV 10 9 8 7 6 5 4.5输出电压UOV 2.5028 2.5028 2.5028 图5 MC1403 2.5028 2.5028 2.5028 2.5027当UI从10V
12、降至4.5V时，UO只变化0.0001V，变化率仅为0.0018。5.单片机8051 为了设计此系统，我们采用了80C51 单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口。(1)80C51的单片机结构80C51 是有8 个部件组成，即CPU，时钟电路，数据存储器，并行口（P0P3）串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，80C51就是MCS-51系列单片机中的一种。CPU中央处理器：
13、中央处理器是80C51 的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU 或CPU数据写入存储器或送到输出端口。还可以对数据进行逻辑和算术的运算。时钟电路：80C51内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列，需要外接石英晶体做振荡器和微调电容。内存：内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在80C51中无片内程序存储器。定时/计数器：80C51 有两个16 位的定时/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。并行I/O口：MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2
14、，P3，以实现数据的并行输出。串行口：它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以做为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。中断控制系统：80C51 有五个中断源，既外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。(2)80C51的引脚图 图7图6 80C51引脚图80C51的制作工艺为HMOS，采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：VCC（40引脚）正常运行时提供电源。VSS（20引脚）接地。XTAL1（19 引脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单
15、片机的时钟信号，该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于80C51而言此引脚应该接地。XTAL2（18 引脚）在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时，对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号直接接到内部时钟的输入端。 RST/VPD（9引脚） 在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位，复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V的低电平以保证80C51正常工作。在掉电时，此引脚接备用电源VDD，以保持RAM 数据不丢失，当BVCC 低于规定的值时，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部数据存储器提供备用电源。 ALE/PROG
16、（30引脚） 当80C51访问外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9 地址锁存允许0 输入的脉冲的下沿用于锁存16 位地址的低8 位，在不访问外部存储器的时候，ALE 仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在访问外存储器的是候，在两个周期中，ALE只出现一次，ALE 断可驱动8个LS TTL负载，对于有片内EPROM的而言，在EPROM编程期间，此脚用于输入编程脉冲PROG。PSEN非（29引脚） 此脚输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号，在读取外部指令期间， PSEN 非有两次在每个周期有效，在此期间，每当访问外部存储器时，两个有效的PSEN非将不再出现
17、，同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。EN非/VPP（31引脚） 当EN非保持高电平时，单片机访问内部存储器，当PC值超过0FFFH时，将自动转向片外存储器。当EN非保持低电平时，则只访问外部程序存储器，对80C51而言，此脚必须接地。 P0，P1，P2，P3：80C51 有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数据，又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8 位数据输出锁存器和一个8 位数据输入缓冲器，各成为SFR 中的一个，因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大，P0和P2口内部均有个受
18、控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用I/O 口以外还具有特殊的功能，P0 口通常用做通用I/O 口为CPU 传送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能，除P0口以外其余三个都是准双向口。80C51有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把CPU 的8位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以把串行数据接受进来变成并行数据给CPU，而且这种串行发送和接收可以单独进行也可以同时进行。 8031的串行发送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行数据接收线，串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器SCON，电源及波特率选择寄存PCON和串行缓冲寄
19、存器SBUF，他们都属于SFR，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SBUF用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。(3) MC14433 与80C51单片机的接口设计由于MC14433 的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0Q3HE DS1DS4 都不是总线式的。因此，MCS-51 单片机只能通过并行I/O 接口或扩展I/O 接口与其相连。下面是MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口，接口电路如下图所示图8 单片机与MC14433接口6.译码器74LS47 中规模集成电路74LS47，是一种常用的七段显示译码器，该电路的输出为低电平有效，即输出为
20、0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。该译码器能够驱动七段显示器显示015共16个数字的字形。输入A3、A2、A1和A0接收4位二进制码，输出Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分别驱动七段显示器的a、b、c、d、e、f和g段。 主要引脚：LT: 灯泡控制输入端。当其输入为0，则7447 处置于灯泡测试状态，使abcdefg 全部输入为0，若七段显示器为良好则应显示8。当LT=1 则7447 才可能正常解码。 RBI: 纹波遮没输入控制。当RBI 输入0，则7447 进入纹波遮没状态，即当DCBA 输入为0000 时，abcdefg=1111111，使七段LED 显示器完全空白(不亮
21、)，当DCBA0000 时，则译码器正常工作。故RBI 为0 遮没此控制端。 BI/RBO:遮没输入/纹波遮没输出，此控制端同时兼具强迫遮没输入与涟波遮没指示输出之功能，当其被当成输入端使用时，只要加入0 之信号，则7447 完全进入遮没状态，不论其它输入之状况为何；当其为1 或空脚则正常工作。再者 若BI/RBO脚不加入任何信号，则其可被用作涟波遮没输出，当RBI=0 且输入 端DCBA=0000 时，即当0 遮没成立时，则BI/RBO 输出0，否则输出为1；此 一输出旨在提供具多位数解码时，能使无效的前导0 被遮没。7447 之输出系为驱动器设计，其逻辑0 之吸入电流高达40mA，故在使用
22、必须加 入330 左右电阻加以限流，以免过大电流流经LED 而烧毁显示器， 7.数码管abcdefg极由相应的BCD七段译码器来驱动。如图。当80C51的串行口未作它用时，使用8031的串行口来外扩显示器。应用80C51的串行口方式1的输出方式，构成显示器接口。 LED数码管每笔工作电流I在510 mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻值可按下式汁算： 其中Uo为加在LED两端电压，U为LED数码管每笔压降(约2 v)。图9四、总电路图 五、元器件清单 单片机8051 1片 传感器LM134 1片运算放大器ICL7650 1片A/D转换器MC1433 1片MC1403 1片
23、74LS47 1片普通电阻 17个滑动变阻器 2个电容 6个晶振 1个数码管 4个反相器 11个6、总结与体会 经过为期两周的课程设计制作，我已经能够熟练的使用protel99，并且成功的运用protel99设计了温度检测显示系统。 在本次设计开始的时候，拿到题目之后并没有立刻开始着手设计，因为平时课内对电路元器件知之甚少，且不了解温度测量显示系统的原理，于是第一步先查资料找芯片，根据实验大体框图选取适合的元器件，并熟悉各个元器件的引脚及工作原理。然后画出大致的草图，再在protel99中制作成型。 在查找资料芯片的过程中，我学到了本设计之外的东西。比如说，在温度传感器的时候，我知道了很多其他
24、的传感器：生物传感器、磁敏传感器和气敏传感器。而且实验前期的知识储备、文献储备、材料准备、方法准备使我避免了试验中的手忙脚乱。 在制作过程中，我还学到了一些使用protel的消防小技巧： 在PCB中布线时先将元件放置在县交叉最少的位置再进行布线。布线时尽量以钝角走线，避免直角和锐角。在最后铺铜时将 rule 中的 clearance constraint 改大些。在 Browse PCB 中选择 Violations 可以对每个冲突进行显示与解释，便于逐一纠错。如遇到 SCH 文件变动时应将原来 PCB 文件的铺铜删除后再进行 update 操作。两侧如都有较大面积的 VCC 或 GND 时可以适当打些过孔进行连接。手工调整最好使用主菜单中 Tools - Align Components - Move To Grid 命令进行一下自动对齐。自动对齐就是将元件的引脚都移动到栅格位置上，它可以使布线更加整齐，并减少导线。这些技巧都帮了我很大的忙。本设计是以单片机为核心开发的温度检测显示系统，性能稳定可靠，可广泛应用。七、参考文献和辅助软件参考文献 数字电子技术（华中科技大学出版社） 模拟电子技术（高等教育出版社） 电路设计与制作Protel99入门与提高（人民邮电出版社） .单片机应用技术选编（北京航空航天大学出版社）辅助软件：protel99
