LM35与ICL7107数字温度计设计.doc

1电路的设计
数字温度计电路原理系统方框图，如图1.1.
温度采集
电压放大
AD转换
数码管驱动
温度显示

图2.1 电路原理方框图
通过温度传感器LM35采集到温度信号，经过整形电路送到A/D转换器，然后通过译码器驱动数码管显示温度。ICL7107集A/D转换和译码器于一体，可以直接驱动数码管，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，LM35本身就可以将温度线性转换成电压输出。综上所述，采用LM35采集信号，用ICL7107驱动数码管实现信号的显示。

2电路原理及其电路组成
数字温度计的设计原理图见附录1。它通过LM35对温度进行采集，通过温度与电压近乎线性关系，以此来确定输出电压和相应的电流，不同的温度对应不同的电压值，故我们可以通过电压电流值经过放大进入到A/D转换器和译码器，再由数码管表示出来。
2.1传感电路
LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。因而，从使用角度来说，LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度。
LM35具有以下特点：
（1）工作电压：直流4～30V；
（2）工作电流：小于133μA
（3）输出电压：+6V～-1.0V
（4）输出阻抗：1mA 负载时0.1Ω；
（5）精度：0.5℃精度（在+25℃时）；
（6）漏泄电流：小于60μA；
（7）比例因数：线性+10.0mV/℃；
（8）非线性值：±1/4℃；
（9）校准方式：直接用摄氏温度校准；
（10）封装：密封TO-46 晶体管封装或塑料TO-92 晶体管封装；
（11）使用温度范围：-55～+150℃额定范围
传感器电路采用核心部件是 LM35AH，供电电压为直流15V 时，工作电流为120mA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。电压输出采用差动信号方式，由2、3 引脚直接输出，电阻R 为18K 普通电阻，D1、D2 为1N4148。传感器电路原理如图2.1.
采样值的准确量化是温控电路正常工作的关键，这里采用以下换算办法来进行量化。
设经过信号调理后的电压为Ui，则
已知－10V 对应的温度为－55℃，10V 对应的温度为125℃，易求得比例因数
Kt＝0.111V/℃。
温度为0℃时，ΔT＝55℃（即相对于－55℃的变化量）。

图2.1传感器电路原理图

Ui 转换为数字量后，每个数字量对应电压值为4.883mV，（由12 位AD，满量程20V 可得），用Ks 表示。可求得数字量变化与温度变化的对应关系：
＝（0.111V/℃）/（4.883mV/数字量）＝22.73 数字量/℃
当ｔ＝0℃时，AD 输出的数字量D0 = 0+55℃×22.73 数字量/℃＝1250＝04E2H。
温控电路由传感器电路、信号调理电路、A/D 采样电路、单片机系统、输出
控制电路、加温电路构成。电路基本工作原理：传感器电路将感受到的温度信号
以电压形式输出到信号调理电路，信号经过调理后输入到A/D 采样电路，由A/D
转换器将数字量值送给单片机系统，单片机系统根据设计的温度要求判断是否需
要接通加温电路。
2.2 温度信号采集电路
Op－07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP-07A最大为25μV），所以OP-07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP-07A为±2nA）和开环增益高（对于OP-07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP-07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
OP－07具有以下特点：
 　 超低偏移： 150μV最大 。
 　 (1)低输入偏置电流： 1.8nA 。
 　 (2)低失调电压漂移： 0.5μV/℃ 。
 　 (3)超稳定，时间： 2μV/month最大
 　 (4)高电源电压范围： ±3V至±22V
它的引脚图如图2.2所示。
1 8
2 7
3 6
4 5

图2.2　OP-07引脚图
OP-07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+。
OP-07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。
由LM35和OP-07组成的信号采集电路如图2.3所示：

图2.3　信号采集电路
由输出短路法及输入求和方式可判断该电路是电压并流负反馈放大电路。因此可知If=-Vi/Rf，反馈系数F=If/Vo，所以F=-1/R3
A=Vo/Ii，放大倍数AF=A/（1+AF）
2.3 A/D转换电路
ICL7107是高性能、低功耗的三位半A\D转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。
ICL7107转化器原理图如图2.4所示。其中计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。

图2.4 ICL7107转化器原理图
控制器的作用有三个：
第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。
第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。
第三，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1" ，其余码全部熄灭。
钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。
双积分型A/D转换器的电压波形图如图2.5所示

图2.5双积分型A/D转换器的电压波形图

ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图2.6所示。

1 V+ OSC1 40
2 D1 OSC2 39
3 C1 OSC3 38
4 B1 TEST 37
5 A1 REF HI 36
6 F1 REF LO 35
7 G1 CREF+ 34
8 E1 CREF 33
9 D2 COMMON 32
10 C2 I CL7107 IN HI 31
11 B2 IN LO 30
12 A2 A-Z 29
13 F2 BUFF 28
14 E2 INT 27
15 D3 V- 26
16 B3 G2 25
17 F3 C3 24
18 E3 A3 23
19 AB4 G3 22
20 POL GND 21

图2.6 ICL7107管脚排列
ICL7107是集A/D转换和译码器为一体的芯片，而且这芯片能够驱动三个数码管工作而不需要更多的译码器，这给我们连接电路或者分析电路提供了一定的方便。ICL7107芯片的管脚比较多，每一个管脚所代表的功能也各不相同，能够组成各种电路，比如说有积分电路。这要求我们在接电路时要小心，不能出现错误。
2.4 数码管显示
数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阴极是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每一LED的阴极分别为a,b,c,d,e,f,g及sp（小数点），它的内部结构图如图2.7所示。
a G
b

c
d

e
f

g
SP

图2.7 共阳极数码管内部结构
在本次设计当中，由于ICL7107的特点，它只能驱动共阳极数码管，故我们要选用共阳极七段数码管。在连接数码管时，我们要注意数码管各个管脚所对应的字母，不能接错或接漏，而且在管脚之前要接上电阻，以免烧坏芯片和数码管。

3 调试与总结
3.1 调试与测量数据
我们要通过调试电路来发现设计电路的相关内容。
（1）按照电路图对相关元件进行连接，其中注意芯片各管脚的作用以及该如何进行接线。
（2）当上步骤完成后，接通电源，观察数码管和二极管是否亮，若不亮时，要对电路电源进行检测，看是否线路接触不良或者电路短路。
（3）（2）完成之后，观察数码管是否显示数值，然后改变LM35的温度值，观察数码管是否随着温度变化而变化。
（4）若数码管数值与温度值相差太大，则要检查信号采集电路中各元件值是否对。
为了验证设计电路的正确性以及它的实验数据，我们对实物进行验证。用带有温度测量的数字万用表和本次设计的电路对相同温度下物体进行相应的测量并绘成表格进行比较。如表3.1。

测
量
工
具
测
量
环
境

数字万用表

数显温度计
室温
21.0℃
21.1℃
冷水袋
15.1℃
15.2℃
温水袋
52.0℃
52.1℃
表3.1 万用表与设计电路数据的比较
由上表的数据可以得出，本系统的误差<1℃,分辨率为0.1℃。
3.2 设计总结
采用LM35、A/D转换器、译码器和数码管。通过温度传感器LM35采集到温度信号，经过整形电路送到A/D转换器，然后通过译码器驱动数码管显示温度。在这次设计当中，初步了解了AD转换器的工作原理以及数码管的连接方法。
在这个设计中，信号采集电路比较重要，要对电路中各个元件数值进行精确的计算，防止电路输出变化太大，对测量不利。

4 心得体会
数电课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次数电课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

设计电路总图

元件清单

元件名称
元件型号及参数
个数

电阻
10K
3
100K
1
24K
1
1M
1
470K
1
1K
1
可调电阻
100K
1
20K
1

电容
0.1 uF
1
0.01 uF
1
0.047 uF
1
0.22 uF
1
100 pF
1

芯片
LM35
1
OP-07
1
ICL7107
1
数码管
共阳极数码管
3

11