体温计的设计与制作

2021年3月2日发(作者：乳腺癌治愈率)
武汉理工大学《电子技术基础》课程设计说明书

目录


1.
绪论

............................. ......................................... 1
1.1
课题的目的及意义

...................... ............................... 1
1.2
课题的发展趋势

....................... ................................ 1
2.
方案的论证及选择

............................. ............................ 1
2.1
温度采集器件的选择

..................... .............................. 1
2.1.1
方案一用二极管

..................... ............................ 1
2.1.2
方案二用传感器

..................... ............................ 2
2.2
信号转换模块的选择

..................... .............................. 2
2.2.1
方案一用可编程器件
A/D
做转换器

................................. 2
2.2.2
方案二采用
ICL7107
做转换器

..................................... 2
2.3
显示模块的选择

....................... ................................ 3
2.3.1
方案一采用液晶显示

............................................. 3
2.3.2
方案二采用
LED
数码管进行显示

................................... 3
2.4
方案的总体设计

....................... ................................ 3
2.4.1AD590
传感器

.................... ................................ 4
2.4.2
信号的放大部分

..................... ............................ 5
2.4.3
模数转换器
ICL7107
的使用

....................................... 6
3
电路的设计及工作原理

..................... ................................. 9
3.1
温度传感及运算放大部分

.............................................. 10
3.2
模数转换及数码显示

.................. ................................ 10
3.3
电路相关元件及参数的设定

............................................ 12
4
电路仿真调试及组装

.................... ................................... 12
4.1
电路的仿真

......................... ................................. 13
4.2
电路的组装

......................... ................................. 15
5
总结与体会

........................... .................................... 15
6
参考文献

............................ ..................................... 16
附：元件清单

............................... ................................ 17

0
武汉理工大学《电子技术基础》课程设计说明书

1.
绪论



随着人们生活水平的不断提高，自动化控制越来越重要，模电与数电的应用也 越来
越广泛。数字体温计的设计与制作就是是运用电子技术的基础知识，先通过传感器采集温
度 信号转化为电信号，再把信号加以处理，运用
A-D
转化为数字信号通过显示器显示，从
而直观的看到。

1.1
课题的目的及意义


在工作电源
Vcc
为
+5V
的条件下，采用
AD590
温 度传感器测量温度，可用集成运放完
成信号放大，再通过
A-D
转换器形成数字信号， 用共阳或共阴七段
LED
数码管实现数显，
完成对体温计的设计与制作。
< br>数字温度计与传统温度计相比，具有结构简单、可靠性高、成本低、测量范围广、体
积小、功耗低 、显示直观等特点。另外我们知道体温的准确测量十分重要，因此我们要非
常重视。

1.2
课题的发展趋势

在所学的电子技术基础知识的基础上，
我们只能运用 传感器，
集成运放，
模数转换器，
数显的方向实现体温计的制作。从现实来讲应用不大 ，我想比较实用的还是应当从单片机
方面考虑。但是我们现阶段应学会一种思路，把知识应用到实际，在 不断学习过程中，其
发展也应不断改进。

2.
方案的论证及选择

2.1
温度采集器件的选择

温度传感器是通过物体随温度变化而改变 某种特性来间接测量的。不少材料、元件的
特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当 多。温度传感器随温度而引
起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特 性及热噪声
等等。

2.1.1
方案一用二极管

由于本设 计是测温电路，可以利用二极管或三级管间的
PN
结的结电压随温度变化的
特，例如硅 管的
PN
结的结电压在温度每升高
1
℃时，下降
-2mV
， 利用这种特性，一般可以
直接采用二极管或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN
结温度传
感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为
0.2< br>—
2
秒，灵敏度高。测温
范围为
-50
—
+150< br>℃。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。


1
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2.1.2
方案二用传感器


体温测量我们可以想到传感器 之类，能将感测到的温度信号转化为电信号，然后通过
对电信号进行处理，再通过
AD
转换器形成数字信号，由共阳或共阴七段
LED
数码管实现
数显，从而实现温测。在这 里我选用的是
AD590
传感器，
AD590
是测量热力学温度、摄氏
温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控
制场合。由于
AD590
精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷
端补偿 。

考虑本课设的要求，我觉得应选方案二中的
ad590
。

2.2
信号转换模块的选择

数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数 字信号，而实际中遇到的大都是连续
变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号的模拟量后，需经模< br>/
数转换变成数字信号
才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为把模拟电量转换 成数字量输出的接口电
路
-A/D
转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁，是 电子技术发展的关键所在。

2.2.1
方案一用可编程器件
A/D
做转换器

如果利用
ADC0801
进行一次
A/D
转换，其工作过程为：先由外电路给片选端输 入一个
低电平，选中此芯片使之进入工作状态，此时输出为高电平，表示转换没有完成，芯片输
出为高阻态。和为高电平时芯片不工作。当外电路给端输入一个低电平时启动芯片，正式
开始
A /D
转换。转换完成后，输出为低电平，允许外电路取走数据，此时外电路使和为高
电平，A/D
转换停止。外电路取数据后，使为低电平，表示数据已取走。若要再进行一次
A/D
转换，则重复上述控制转换过程
。

2.2.2
方案二采用
ICL7107
做转换器

ICL7 107
是高性能，低功耗的三维半
A/D
转换电路。它包含有段译码器，显示驱动器，
参考源和时钟系统。可直接驱动发光二极管（
LED
）
。
ICL71 07
将高精度、通用性很好的结
合在一起，有低于
10
μ
V
的自动效零功能，零漂小于
1
μ
V/
°
C
。

主要特点：

(1)
保证零电平输入时，各两量程的读值均为零

(2)
很低的噪声

(3)
差动输入和差动参考源，直接
LED
显示驱动

(4)
不需外接有源电路


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(5)
低功耗

通过比较可知选用方案二比较好。

2.3
显示模块的选择

2.3.1
方案一采用液晶显示

液晶显示器是现在非常普遍的显示 器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于
携带等优点。它是基于液晶电光效应的显示器件。包括 段显示方式的字符段显示器件；矩
阵显示方式的字符、
图形、
图像显示器件；
矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。
液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时 导通，使液晶排列变得有秩序，
使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。

虽然显示方便，但是显示亮度不够，比较模糊，而且需要软件对其进行驱动，与本次
课设的用以 相违背。

2.3.2
方案二采用
LED
数码管进行显示

LED
数码管根据
LED
的接法不同分为共阴和共阳两类，

以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，

LED
的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将

和
段接上正电
源，其它端接地或悬空，那么

和

段发光，此时，数码 管显示将显示数字“
1
”
。而将

、

、
、

和

段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“
2< br>”
。


数码管不仅价格便宜而且容易驱动，亮度好且比较稳定。

因此选用方案二的数码显示。

2.4
方案的总体设计


通过温度传感器
AD590
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< br>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，
ICL7107只需要很少的外部元件就可以精确测量
0
到
200mv
电压，
A D590
本身就可以将温度线性转换成电压输出。由此可知用
ICL7107
驱动数码 管实现信号
的显示。





数字温度计电路原理系统方框图，如图


3
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温度采集

电压放大

AD
转换

温度显示

数码管驱动











图
2.4
总体框架





数字温度计通过
AD590
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，因此我们可以通 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。


2.4.1AD590
传感器


在此我们 选用的是
AD590
传感器，我们知道
AD590
是可以工作在
+5 V
电压条件下的它
的使用规格是温度每增加
1
℃
,
它会增加
1
μ
A
输出电流，可量测范围
-55
℃至
150< br>℃，供应
电压范围
+4V
至
30V
。

其使用时应注意测量：

1.
θ
JA
测量元件装在自由空气环境下

2.
不包括自热效应。

3.
最大偏差
25
℃温度
55
℃和
150
℃之间循环。

4.
条件
+5
伏，常数
125
℃

。

5.
泄漏电流每
10
℃

。

6.
机械应变对封装可能扰乱校准设备。

7.
但不能保证测试。

8.-55
℃保证测试在
25
℃和
150
℃

AD 590
的输出电流值说明：
其输出电流是以绝对温度零度
(-273
℃
)
为基准
,
每增加
1
℃
,
它会增加
1< br>μ
A
输出电流
,
因此在室温
25
℃时
,其输出电流
Io=(273+25)=298
μ
A
。

其底视图如下





4
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图
2.4.1AD590
的底视图


2.4.2
信号的放大部分

Vo
的值为
Io
乘上
10K,
以室温
25
℃而言
,
输出值为
2.98V(10K
×
298
μ
A)
。

量测
Vo
时
,
不可分出任何电流
,
否则量测值会不准。



图
2.4.2.1AD590
电流输出

AD590
的输出电流
I=(273+T)
μ
A(T为摄氏温度
),
因此量测的电压
V
为
(273+T)
μ
A
×
10K= (2.73+T/100)V
。为了将电压量测出来又需使 输出电流
I
不分流出来
,
我们使用电压
追随器其输出电压
V 2
等于输入电压
V
。

由于一般电源供应较多零件之后
,
电源是带噪声的
,
因此我们使用齐纳二极管作为稳
压零件
,
再利用可变电阻分压
,
其输出电压
V1
需调整至
2.73V
。

我们知道在后面是用的运算放大器应工作在线性工作状态，才能满足运放的输入信号
与输出信号保持一定的线性函数关系应引入负反馈。另外我们选用的是差动输入方式，如
下所示。

5
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图
2.4.2.2
信号的放大电路

上图为
ad590
的应用，我们可以根据不同的要求改变以上参数。

2.4.3
模数转换器
ICL7107
的使用


本次设计计采用三位半
LED
显示
A/D
转换器
ICL71 07
，
此集成芯片内部包含有数码管
的驱动电路。
ICL7107
是 高性能、低功耗的三位半
AD
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。
ICL 7107
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。


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2.4.3.1ICL7107
转换器原理图


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所示


图
2.4.3.2
双积分型
A/D
转换器的电压波形图
< br>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。
IC L7107
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。


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ICL7107
的应用设计如下


图
2.4.3.3
，
7107
的应用设计

2.4.4
显示部分

ICL7107
中已包含数码管驱动电路，所以数码管 只需与
ICL7107
的输出端对应连接即
可，设计图如图所示：


图
2.4.4
数码显示


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