综合电子设计指导书-电子体温计电路设计V2

综合电子设计指导书

——电子体温计电路设计

电子信息与控制实验教学中心

付晓辉 2014.4

实验一

一、设计目的

1．了解和掌握电子设计的方法和步骤，能够综合所学的理论知识提出设计方案并加以论证，通过对设计方案的分析比较，单元电路的设计、元件选择，掌握系统方案的设计方法。

2．能够根据需要选择参考书，查阅手册、图表和文献资料，通过独立思考、深入钻研有关问题，培养独立分析问题、解决问题的能力。

3．学习使用电子设计、仿真软件进行电路辅助设计，能正确绘制电路图。 4．学习电路的实验调试和测试方法，提高实践能力。 5．学会撰写课程设计总结报告。

二、设计任务要求

2.1 设计任务

1．功能要求

设计温度检测电路，并完成模拟信号调理和温度数字显示； 2．技术指标

① 温度检测范围：0℃~50℃ ② 温度显示分辨率：0.1℃ ③ 温度测试精度：±1%

④ 温度显示方式：3位数码管显示，第1位数码管显示温度十位数值，第2位数码管显示温度的个位数值和小数点，第3位数码管显示温度测量值的小数点后第一位数值。

2.2 设计要求

1．根据设计任务设计几种实现方案，经比较从中优选确定一种实现方案。 2．说明所选电路的组成及工作原理，并绘出原理框图。

3．设计各单元电路，计算元器件参数并选择元器件类别型号。

4．画出实际电路图，并用Protues软件或Multisim软件进行电路仿真。 5．列出元器件清单。

6．组装并调试方案电路，记录调试步骤及结果。

7．对电路功能及技术指标进行测试，记录测试数据。 2.3 限定条件

1．电路电源：模拟电路：＋9V；数字电路：＋5V。

2．电路设计仿真软件：Protues，Multisim或Altium Designer/Protel DXP 3．主要器件：

（1）温度传感器：LM35 （2）运放：LM358

（3）V-F变换电路：LM331

（4）计数显示电路：MC14553、CD4511

4．所有电路在一块万用板上焊接好并调试正常，传感器和集成电路使用插座实现引脚连接。

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三、实验设备与仪器

1．万用板及相关元器件。

2．PC机，信号源，万用表，示波器，稳压电源等。 3．烙铁、导线等。

四、基本知识

4.1 温度测量与温度传感器

温度测量方法可分为接触式和非接触式两类，接触式的测温方法是基于物体的热交换现象。选定某一测温器，与被测物体相接触，进行充分的热交换，待两者温度一致时，测温器输出的大小即反映被测温度的高低。接触式测温的优点是简单、可靠、测量精度高；缺点是测温时有较大的滞后，对运动物体测温较困难，测温器易影响被测对象的温度场分布，测温上限受到测温器件材料性质的限制，故所测温度不能太高。

温度传感器是把温度转换为电量的测温器。常用的温度传感器有：金属热电阻和半导体热敏电阻、热电偶、PN结型传感器和集成温度传感器、石英晶体温度传感器、涡流式温度传感器、电容式温度传感器等。

采用集成温度传感器测量温度，具有省电、体积小、线性好、成本低等优点，而且能满足一般测温工作（－50℃~＋150℃）的需要，因此本设计使用集成温度传感器，型号为LM35（电压输出型）。

4.2 模拟信号调理

1．小信号放大

传感器输出的信号通常都很微弱，需要放大到一定幅度，以便于后续处理。应根据信号类型（直流，交流）、极性（单，双）和相位（同相、反相）选择放大器电路形式。

2．调零与调满度

半导体温度传感器有一个共同的特点，即其输出电压或电流与绝对温度成正比或线性关系。因为常用的温标为摄氏温度，而且为便于测量，希望在0℃（传感器插入冰水中）时，测温电路输出显示为0，在100℃（传感器插入沸水中）时，测温电路输出显示为100。因此，半导体测温电路中需要设计调零电路和调满度（也称调灵敏度）电路。

3．电平平移

模拟传感器输出的信号通常为非标准双极性或单极性小信号，当进行数据采集时，需适应A/D转换器输入电平要求，因此要对模拟信号进行电平平移。

4.3 Proteus软件

Proteus软件由英国Labcenter Electronics公司于1989年推出，是用于单片机系统设计的虚拟仿真工具，不仅能实现数字电路、模拟电路及数/模混合电路的设计和仿真，而且能为单片机应用系统提供方便的软、硬件设计和系统运行的虚拟仿真，这是Proteus最具特色的功能。

Proteus软件将单片机（或微处理器）仿真与电路仿真相结合，可直接在基于电路原理图的虚拟原型上进行单片机程序的编写与调试，并进行功能验证。在仿真过程中，用户可以用鼠标单击开关、按键、电位器、可调电阻等动态外设模型，使单片机系统根据输入信号做出相应的响应，并将处理结果实时地显示在

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显示器件（如数码管、LED、LCD等）上，并可驱动各种常用电机等虚拟输出外设，实时看到运行后的输入、输出效果。

Proteus软件将单片机的程序嵌入到虚拟硬件中，整个过程与真实的软件、硬件调试过程相似，从而实现了单片机应用系统的软硬件联合仿真。

Proteus软件的使用方法见附件11：《Proteus入门教程》。

五、设计思路参考

5.1 电路框图

根据设计任务要求可确定电路的初步方案，如图5.1所示。

译码驱动 温度检测电路 模拟信号调理 V—F 转换 三位 计数器 三位 数码管 元件

图5.1 电路方案设计

5.2 电路工作原理

（1）温度传感器将环境温度转换为直流电压信号输出，此信号由模拟信号调理电路进行放大。

（2）通过V—F（电压—频率）转换电路将电压信号转换为频率信号，即以信号的频率表示环境温度。 （3）在单位时间内，对输入到计数器的信号脉冲进行计数，计数结果即可代表温度。 5.3 硬件电路分析与设计

硬件各单元电路设计参考附件资料。 5.3.1 温度检测电路

可采用集成温度传感器LM35对温度进行检测，温度检测范围：0～50℃，电路设计参考附件1：《LM35数据手册》典型应用电路。

5.3.2 模拟信号调理电路

由于温度传感器输出的信号电压为正极性直流信号，而且V—F（电压—频率）转换电路要求的输入信号也是正极性直流信号，因此模拟信号调理电路应采用直接耦合的同相比例运算电路，根据输入信号的电压范围和输出信号的电压范围即可确定电路放大倍数。

电路中的运算放大器可使用LM358，设定输出信号电压范围为0～5V。模拟信号调理电路设计可参考附件2：《LM358数据手册》典型应用电路。

时钟（闸门，锁存，复位） 3

5.3.3 V—F（电压—频率）转换电路

V—F（电压—频率）转换电路用于将温度检测电路输出的电压信号转换成频率信号，然后可送到计数器电路进行频率测量。

本电路可采用V—F转换器LM331，设定输出信号频率范围为0～10KHz，电路设计可参考附件3：《LM331数据手册》典型应用电路。

5.3.4 计数显示电路

计数器电路用于检测输入信号的频率，并将其映射为温度数值进行显示。

本电路可采用MC14553B三位BCD计数器，该计数器的特点是只有一组BCD码输出端，但通过分时控制可形成三位十进制数字的扫描显示，一方面可节省译码器，另一方面也大大简化了计数电路的逻辑设计。MC14553B的引脚图如图5.2所示，真值表见表5.1。

表5.1 MC14553B真值表 输 入 输 出 MR Clock Disable LE 0 0 0 0 0 0 0

图5.2 MC14553B引脚图

0 1 ↑ ↓ 0 0 1 ↑ ↓ 0 0 x 0 0 x ↑ 不变 加计数 不变 加计数 不变 不变 锁存 锁存 Q0=Q1=Q2=Q3=0 x 1 1 0 x x x x x x x 1 0

由于三位数字可显示1000个数字，而输入信号的频率范围为0～10KHz，对应显示的温度范围为0～50℃，且分辨率为0.1℃，因此将计数器的计数闸门时间设定为0.05s，这样显示的脉冲个数即为温度数值。

由于第二位数码管显示的是温度的个位数值，因此显示第二位数码管时应加入小数点显示数据。 电路设计可参考附件5：《MC14553B数据手册》典型应用电路。

5.3.5 译码驱动电路

译码驱动电路用于将输入的BCD码转换为数码管显示的七段笔画代码，并输出对应显示笔段的驱动信号。

本电路可采用BCD－七段锁存/译码/驱动器CD4511，其特点是：驱动共阴极LED数码管显示器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能，能提供较大的拉电流，可直接驱动LED数码管。引脚图如图5.3所示。

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图5.3 CD4511引脚图

其中ABCD为BCD码输入，A为最低位。LT为灯测试端，接高电平时，数码管正常显示，接低电平时，所有字段都被点亮，数码管显示数码“8”，用于检查数码管是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有字段均消隐，正常显示时，BI端应接高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据超过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是七段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。数码管显示的字段与字形定义如图5.4所示。

图5.4 字段与字形定义

电路设计可参考附件6：《CD4511数据手册》典型应用电路。 5.3.6 LED数码管

常用的小型数码管有共阳极型数码管和共阴极型数码管。这里以共阳极型数码管为例介绍数码管的结构和使用方法。图5.5（a）所示为一位0.5英寸数码管的引脚排列（俯视）及结构示意图，图4.2（b）所示为数码管的电路元件图。无论是LA5011还是别的型号，

LA5011只要是0.5英寸数码管，引脚排列都是一样的，由图可见，数码管的第3脚和第8脚为COM端，接VCC，其余引脚的作用为： LA50117脚——接低电平时a字段发光； aafb6脚——接低电平时b字段发光； gfbgec4脚——接低电平时c字段发光； ddpecddp2脚——接低电平时d字段发光；

1脚——接低电平时e字段发光； 9脚——接低电平时f字段发光； 10脚——接低电平时g字段发光；

(a)(b)5脚——接低电平时dp小数点发光。

图5.5 数码管引脚结构示意图和电路标识图

10gcomfab9876ecdomdcp1234576421910 2

5abcdefgdpcomcom38

共阴极型数码管与共阳极型数码管的区别仅在于接入电路时的极性不同。共阴极型数码管的COM端应该接地，而各个字段控制端接高电平时才能发光。

如果不准备让某个字段发光时，只要将该笔段的控制端悬空或接到无效电平即可。 0.5英寸数码管每个字段的最大驱动电流不得超过20mA（≥2mA时即可看见辉光），通常工作电流为10mA，每个字段上的电压降为1.6~2.8V，所以当电源电压为5V时，在字段控制端与驱动电路输出端之间应该串接一只200Ω~470Ω的限流电阻，否则既有可能烧毁数码管，也有可能烧毁驱动电路。

电路应用中有时还会使用多位组合的数码管，其电路标识及引脚图如图5.6所示。

图5.6 多位数码管电路标识及引脚图

其中，DPY4_7SEG为四联共阳LED数码管，LG5631AH为三联共阴LED数码管。 5.3.7 时钟电路

时序逻辑电路正常工作必须有一个稳定而准确的时钟源，用于在需要的时刻启动电路的状态变化。 对于本电路来说，需要存在一个闸门信号，控制计数器对输入的信号脉冲进行计数，以检测代表温度数据的频率数值；并在闸门信号结束后产生锁存信号使锁存器锁存计数数据，在锁存计数数据后产生清零脉冲使计数器清零，以便下一次重新开始计数。电路中各信号的时序关系如图5.7所示。

图5.7 时钟电路信号时序关系

被测频率信号在闸门开启的时间内进入BCD码计数器进行计数，当闸门信号的后沿到来时计数器停止计数，同时在锁存信号的控制下将计数结果锁存在锁存器中，被锁存的数据经译码驱动电路译码后驱动数码显示电路。

完成上述功能的时钟电路由时钟振荡器、8分频器和锁存清零控制器组成，电路框图如图5.8所示。

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时钟振荡器 80Hz 8分频器 闸门信号 时钟信号 锁存清零控制器 锁存脉冲 清零脉冲

图5.8 时钟电路框图

其中，时钟振荡器可采用NE555芯片设计，8分频器可采用74HC161二进制计数器设计，锁存清零控制器可采用CD4017设计，电路设计可分别参考附件4：《NE555数据手册》，附件7：《74HC161数据手册》，附件8：《CD4017数据手册》。

锁存清零控制器

锁存信号用于锁存闸门时间内的计数结果，所以应用闸门脉冲的下降沿产生锁存信号。清零信号用于对计数器清零，必须在锁存信号之后到来。本电路可用十进制循环计数器CD4017进行设计。

CD4017是16脚双列直插式CMOS集成电路，有两个控制端，即复位端RST（15脚）和使能端ENA（13脚）；还有一个时钟输入端CLK（14脚），一个进位输出端CO（12脚）和十个循环输出端Q0~Q9。当RST为高时，除Q0外所有输出端均为“0”，当RST和NEA均为低电平时，CD4017在CLK端输入的时钟脉冲上升沿进行循环计数，Q0~Q9依次循环输出高电平。根据芯片的特点可以设计锁存清零控制器电路，如图5.9所示。

图5.9 锁存清零控制器电路

闸门信号是正逻辑信号，闸门开启期间为高电平，此时锁存清零控制器CD4017处于复位状态，Q0端为“1”、Q1~Q9端均为“0”，计数器可以正常计数。闸门信号结束（变低）后计数器停止计数，锁存清零控制器CD4017开始工作，时钟信号频率比闸门信号高8倍，第一个脉冲上升沿使CD4017的Q0变低，Q1变高，产生锁存脉冲，将计数器中的计数数据锁存到锁存器。第二个脉冲上升沿使CD4017的Q1变回低电平，Q2变成高电平，产生清零脉冲，锁存器中的数据不变，但计数器被清零。第三个脉冲上升沿使Q0、Q1和Q2均为低，锁存器中的数据仍然不变，计数器保持“0”状态，但由于此时的闸门信号仍然是低电平，所以计数器并不计数。

到第八个脉冲结束时，CD4017循环到Q7为高电平，其余输出端口均为低电平，此时第二个闸门脉冲开始有效，锁存清零控制器CD4017又进入复位状态，计数器重新开始计数。

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在计数器计数期间，由于锁存信号始终为低电平，锁存器中的数据仍然是前一次锁存的结果，一直保持到计数结束，锁存脉冲到来，锁存器中的数据才被更新。

5.3.8 电源电路

电源电路用于为体温计电路供电，其中模拟电路部分电源电压为+9V，数字电路部分电源电压为+5V，电压变换采用LD1117-V50集成稳压电路，并设置电源指示灯。+9V电源由实验台稳压电源提供，电源电路输入端要求加入防反接二极管。电路设计可参考附件10：《LD1117数据手册》典型应用电路。

5.4 设计资料 见附件。 5.5 参考资料

1．《模拟电子技术基础》童诗白，华成英主编，高等教育出版社，2006年5月第4版。

2．《全国大学生电子设计竞赛训练教程》黄智伟主编，电子工业出版社，2005年1月。 3．《全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选》全国大学生电子设计竞赛组委会编，北京理工大学出版社，2003年3月。

4．《综合电子设计与实践》王振红，张常年编著，清华大学出版社，2008年9月第2版。 5．《电子线路综合设计》谢自美主编，华中科技大学出版社，2006年第1版。 6.《综合电子设计指导书》北京信息科技大学自编讲义。

六、验收与设计报告

1．电路设计（40分）。

·电路图：Proteus或Altium Designer/Protel DXP绘制，A4图纸。 ·硬件电路及调试测试数据。 ·电路功能演示。

2．计算机辅助设计（20分）。 ·仿真电路及数据、波形。 3．设计答辩（20分）。 4．课程设计报告（20分）。须包含以下内容： ·封面

·摘要及关键词 ·目录 ·设计要求 ·系统方案设计

·硬件设计（包括各模块或单元电路的设计、工作原理阐述、参数计算等内容） ·软件设计（包括软件组成框图、各软件模块功能说明及流程图等）

·系统调试与实验测试（包括电路调试的方法、测试的参数和波形、测量误差分析等）

·结束语（包括课题的核心内容和实用价值、项目设计的特点和方案的优缺点、改进方向和意见） ·参考文献

·附件：完整的电路图、元器件清单、软件模块清单 报告样式可参考附件12：《课程设计报告格式》。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uph8.html