电子信息工程设计温度检测显示系统设计.docx
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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,Q0~Q3和DS1~DS4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3~40V之间)。
(2)灵敏度高(1μA/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,提高测温精度。
(3)输出阻抗高,一般大于10MΩ。
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3ICL7650
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4MC14433
(1)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。
MC14433A/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1—10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
0°C--+100°C,则A/D转换速率约为0.05°C/bit。
(3)引脚(图4)功能说明:
图4MC14433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=470Ω;VX=200Mv时,R1=27KΩ。
C1:
积分电容输入端。
C1一般为0.1μF。
C01、C02:
外界补偿电容端,电容取值约0.1μF。
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470KΩ左右。
转换启动/结束信号端
EOC:
转换结束信号输出端,正脉冲有效。
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Q3~Q0表示的结果
表1
如果输入模拟信号电压的极性是单方向的,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8~12bit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:
2.5V+/-25mV
输入电压范围:
4.5Vto40V
输出电流:
10MA
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加一个0.1uf~1uf的电容就可以了。
Vout一般用作8~12bit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。
UI=+4.5V~+15V,UO=2.500V(典型值),αT可达10×10-6/℃。
为了配8P插座,还专门设置了5个空脚。
其输出电压UO=Ug0(R3+R4)/R4=1.205×2.08=+2.5V。
MC1403的输入-输出特性
输入电压UI/V
10
9
8
7
6
5
4.5
输出电压UO/V
2.5028
2.5028
2.5028图5MC1403
2.5028
2.5028
2.5028
2.5027
当UI从10V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(P0~P3)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:
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,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680C51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(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LSTTL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,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,Q0~Q3HEDS1~DS4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0~15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),当DCBA≠0000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,故在使用必须加
入330Ω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5~10mA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2v)。
图9
四、总电路图
五、元器件清单
单片机80511片
传感器LM1341片
运算放大器ICL76501片
A/D转换器MC14331片
MC14031片
74LS471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clearanceconstraint改大些。
在BrowsePCB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->AlignComponents->MoveToGrid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
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- 关 键 词:
- 电子信息工程 设计 温度 检测 显示 系统