简易数字温度计设计

简易数字温度计的设计第I页课程设计任务书2015—2016学年第二学期专业：学号姓名：课程设计名称：电子技术课程设计设计题目：简易数字温度计的设计完成期限：自2016年6月13日至2016年6月26日共2周一、设计依据本课题要求利用电子技术相关知识设计出一个能够实现±0.1℃精度的数字温度计。电路由温度采集电路、数字频率计电路和LED显示电路构成。通过本课题练习，学生的综合知识应用能力、设计能力将有较大提高，对今后从事电子产品的研制、生产、经营维修等打下基础。二、主要内容及要求主要内容：1、给出详细的总体设计方案；2、完成各部分具体功能电路设计，主要包括基于热敏电阻的温度信号采集电路、555振荡电路、频率计电路、LED显示电路设计；3、给出正确的电路图，仿真、调试验证各部分设计的正确性；4、整理设计成果，完成课程设计说明书的撰写。要求所设计数字温度计的输出温度的范围-20～+45℃、误差范围±0.1℃，具体温度显示采用数码管实现。三、途径和方法利用模拟电子技术和数字电子技术的相关知识设计一个数控温度计，可以先查阅相关资料（网上查找或参考相关书籍手册），明确课题的方向和目的，然后学习完成课题所需的理论知识，了解温度信号采集电路、555振荡电路、频率计电路、LED显示电路设计的工作原理；在理解的基础上确定设计电路方案，完成电路设计，画出原理图及PCB印制版图，通过仿真分析验证设计的正确性，最后提交课程设计说明书一份。四、时间安排简易数字温度计的设计第II页课题讲解：2小时阅读资料：10小时撰写设计说明书：12小时修订设计说明书：6小时五、主要参考资料[1]孙丽霞.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,2006:174-196.[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社,2007:40-92.[3]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程-基本技能训练与单元电路设计[M].北京:电子工业出版社,2007:24-57.[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社,2005.1:43-66.[5]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社,2002.12:37-228.[6]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京:电子工业出版,2000:80-130.[7]萧宝瑾.protel99SE操作指导与电路设计实例（第一版）[M].太原：太原理工大学，2004：198-230.[8]张义申，陆坤.电子设计技术[M].西安:电子科技大学出版,1996:48-62.指导教师（签字）：教研室主任（签字）：批准日期：年月日简易数字温度计的设计第III页简易数字温度计的设计摘要温度在现实生活中起着相当重要的作用，在电子科技越来越发达的当今时代，工业生产中对温度的测量又有了更精确的要求。在本次简易数字温度计的课程设计中，将采用基于热敏电阻的温度信号采集，用NE555多谐振荡电路将温度转化成频率输入频率计中，用CD40110驱动数码管直接实现数字信号的显示，实现数字温度的设计。省去了另加编码器和译码器的设计，所以线路更加简单，直观。为了实现课程要求，温度范围要控制在-20℃~+45℃，温度误差要控制在+0.1℃；因此，电路的设计合理度就尤为重要，这次设计中电路的设计模块有四个核心电路构成。四个核心电路为：温度转换为频率电路、频率显示电路、555振荡电路、译码显示电路。关键词：热敏电阻，NE555多谐振荡器，CD40110,频率计，译码显示简易数字温度计的设计第II页目录1绪论.............................................................11.1课题描述......................................................11.2基本工作原理及总体框图.......................................12硬件芯片及元器件说明..............................................22.1555芯片......................................................22.1.1555的工作原理...........................................22.1.2555的各个引脚功能.......................................22.1.3555的功能介绍...........................................32.2CD4017芯片..................................................32.3CD40110芯片.................................................42.4元器件介绍...................................................53电路硬件模块设计..................................................53.1温度转换成频率电路设计........................................53.1.1NE555工作原理介绍......................................53.1.2NE555引脚及符号说明....................................73.2频率显示电路设计..............................................73.2.1放大整形电路设计........................................73.2.2555振荡电路.............................................83.2.3译码显示电路............................................84仿真调试..........................................................94.1温度转变为频率电路测试.......................................94.2放大整形电路的测试..........................................104.3振荡电路测试................................................11简易数字温度计的设计第III页5总体电路.........................................................12总结............................................................13致谢............................................................14参考文献...........................................................15简易数字温度计的设计第1页1绪论1.1课题描述本课题的目的为设计一个简易数字温度计，本课题要求设计出一个能够实现±0.1℃精度的数字温度计，并要求输出温度范围为-20～+45℃。利用相关的电子技术知识实现本次课程设计的整个过程，包括查阅资料，参考书籍文献；首先形成对本次课题的设计思路，包括需要选用的电路和元器件，所选用的电路要严格按照课程设计任务书的要求；下一步要对各个电路模块进行原理图设计以及电路仿真，此过程中会用到Protel制图软件和Multisim仿真软件来实现部分结果。1.2基本工作原理及总体框图本次设计采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。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。总体框图如图1所示。图1整体工作框图简易数字温度计的设计第2页2硬件芯片及元器件说明2.1555芯片2.1.1555的工作原理它有五个部分组成：电阻分压器：由三个5KΩ的电阻串联构成，为电压比较器C1和C2提供基准电压；电压比较器：由C1和C2组成，提供的基准电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc.TH为C1的反相输入端，也称为555的高触发端，TR非为C1的反相输入端，也为555的低触发端；基本RS触发器：具有置零，置一，保持和无效四个工作状态，正常工作时，电压比较器C1和C2的输出端分别为RS触发器的置零和置一输入端。放电管VT：总是与输出端u0的状态相反，当Q=u0=1时，放电管截至；当Q=u0=0时，放电管导通，电容开始放电；缓冲器：主要是提供电路的带负载能力。555定时器的原理图如图2所示。图2555定时器原理图2.1.2555的各个引脚功能1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围3~18V。简易数字温度计的设计第3页一般用5V。3脚：输出端Vo，2脚：低触发6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR和TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平，5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。2.1.3555的功能介绍不难看出555的输入和输出具有反相特性，并且输出端Q与放电管D有着相反的状态；规律为输入端都高：u0=0，VT导通；都低：u0=1，VT截至；中间状态：u0保持，VT保持。555的真值表如表1所示。表1555的真值表2.2CD4017芯片CD40175位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR为高电平时，计数器清零。Johnson计数器，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。CD4017的引脚图如图3所示。图3CD4017的引脚图简易数字温度计的设计第4页2.3CD40110芯片CD40110能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动小型七段LED数码管，其逻辑功能见表1，其引脚排列如图1（a）所示。R（5脚）为清零端，R＝1时，计数器异步清零。CP为时钟端，CPu（9脚）为加法计数时钟，CPD（7脚）为减法计数时钟。Qco（10脚）加计数进位输出，QBO（11脚）减计数借位输出。TB（4脚）为触发器使能端，TE＝0时，计数器工作，TE＝1时，计数器处于禁止状态，即不计数。LE（6脚）为锁存控制端，LE＝1，显示数据保持不变，但它的内部计数器仍正常工作。a，b，c，d，e，f，g（1，15，14，13，12，3，2脚）为信号输出端，与七段显示器连接，CD40110的引脚图如图4所示。CD40110的功能表如表2所示。图4CD40110