电子技术课程设计选题研究

电子类专业常开设课程设计，目的是进一步巩固电路相关理论知识，增强专业实践技能，提高解决实际问题能力和团队协作意识．然而，突出专业特色的综合性和设计性实践题目的选择却面临困难[1]．为适应应用型人才培养目标，课程设计的训练内容既要尽量涵盖电子技术的关键知识点，以实现对学生的综合技能培养；又要具有一定的应用价值，以提高学生对实践环节的兴趣．若设计题目较容易，则无法达到训练的预期目标；若太复杂，则会因为短期内无法完成，而挫败学生学习的积极性．针对以上问题，结合多年的教学实践，提出将“基于ICL7107模块的温度检测系统设计”作为综合课程设计题目．该设计具有较高的应用价值，并且涉及到温度传感器的选择，以及A/D转换模块、显示模块、放大电路、电压比较电路以及报警电路等内容，能够全面训练和考核学生的电路相关知识和技能，尤其适合应用型人才培养的需要．

1系统组成

为实现温度检测和报警功能，系统应该由温度传感器、A/D转换与显示模块、放大电路、电压比较电路以及报警电路等部分组成，系统框图见图1．其中，温度传感器将环境温度转换为电压信号，A/D转换与显示电路将该信号转换为数字信息，并经过数码管完成数值显示，其它电路用于实现当温度超过设定值时的报警功能．

2温度检测系统设计

该设计的主要目的是基于ICL7107和相关模块实现室内温度的检测和报警功能，因此，设计中需要考虑各芯片的选型和电路设计方法．由于ICL7107模块的测量范围在-199.9~+199.9mV或-1.999~+1.999V[2]，因此，需要选择一款输出为模拟信号的温度传感器，并对其进行必要的信号转换．由于需要增加温度上限报警功能，因此，需要考虑对信号进行适当的放大、电压比较以及报警驱动等处理．按照设计要求系统最终选择的模块主要包括：ICL7107、LM35、OP07、LM339、蜂鸣器等，其中各模块的选型和电路设计如下：

2.1温度传感器

AD590和LM35是工程上常用的两款集成温度传感器，均具有将温度信号转换为某一模拟信号量的特征[3]．其中，AD590模块的输出电流值与开氏温标呈线性关系[4]，见式（1）．在温度检测中，需要设计电流转电压电路、电压跟随以及减法电路等，从而将输出的电流信号转换为电压信号，然而这会增加后续电路的复杂度和成本．

2.2A/D转换与显示

ICL7107是一种高性能、低功耗、低成本的三位半A/D转换芯片[6]．该芯片内部集成了A/D转换、时钟、参考电压、七段译码显示驱动等功能，只要外部连接少量无源元件就能够实现一款高性能的仪表面板的设计．该模块的典型应用电路见图2．在图2中，待测信号通过ICL7107芯片的30和31脚差分接入，然后经过内部的自动校零、信号正向积分和反向积分等处理，最后将得到的数字信号经2~25脚外接的4片共阳极数码管完成显示．由于本设计只要求显示温度信息，因此只外接3片数码管．为叙述方便，图中已接入了LM35模块和负电压发生电路．此外，通过调节参考电压（35和36脚之间）refU的数值，该模块可以实现不同的量程．当1VrefU=时，满量程为1.999V；当100mVrefU=时，其满量程为199.9mV．模拟公共端（32脚）能够提供比正电源低约2.8V的电压，当与反向信号输入端（30脚）相连时，可抑制输入信号引入的共模干扰．在电路设计中，该引脚常有三种连接情况．第一种，与32脚相连，此时ICL7107会自动关闭32脚的恒压作用，从而实现信号的差分输入方式，以消除电路中的共模电压．此连接方式尤其适合于检测与外电路处于不同的供电系统下的信号输入．需要注意，此种连接方式在Proteus仿真中将无法通过编译，然而实际电路却能正常工作．第二种，与35脚相连，配合提供电压参考，以消除来自于参考源的共模电压．第三种，当待检测信号与系统处于相同的供电系统下时，该脚可以悬空．此时，在Proteus仿真电路中，该引脚将始终保持在2V恒压状态，而在实际电路中则该引脚则保持在2.45V恒压状态．38和40脚之间应连接100pF电容．通过对学生作品的调试发现，在设计中经常发生接错元件的情况．如果此处电容值选错，则会出现数码管的示数不随30和31脚的输入电压信号变化的现象．35和36脚之间的电压差应保持在100mVrefU=或1VrefU=状态下，从而可以实现ref±2U的显示范围．由于LM35模块的温度检测范围为-55℃~+150℃，因此，取1VrefU=即可满足室内温度检测的需要．27~29脚外接阻容元件构成系统的积分电路．当选择满量程为2V时，与28脚相连的电阻推荐为470kΩ；而当选择满量程为200mV时，则推荐为47kΩ．27和29脚推荐采用聚丙烯电容，以减少漏电流，然而设计中也可采用瓷片电容．该芯片需要工作在±5V下，其中26脚接-5V，1脚接+5V．若26脚接地，则会出现黑屏现象．当然，若在某种场合下，系统只能提供单电源供电，则也可以利用该芯片提供的时钟信号（38脚）配合反相器、整流二极管以及电容构造负电源，具体电路见图2．

2.3报警电路设计

为实现温度上限报警功能，需要对温度传感器的输出信号进行放大，电压比较以及设计蜂鸣器驱动电路等处理．其中，信号放大电路可以由集成运算放大器构成，如UA741，LM324，OP07等模块[7-10]．经过多个方案对比，最终该系统采用了集成运算放大器OP07，实现了同相比例放大器的设计，从而实现对LM35的输出信号进行10倍放大的功能．OP07具有输入偏置电流低（为±2nA）和开环增益高（300V/mV）的特点，尤其适合用于微弱信号放大处理．系统采用了基于LM393的电压比较电路，对放大后的信号进行比较，调节2脚的电位可设置温度的上限值．设计中，由于LM393采用集电极开路的输出方式，因此，需要连接上拉电阻．经电压比较后的信号再经8050三极管驱动蜂鸣器发声，具体电路见图3，图中D1用作续流，防止蜂鸣器启停产生的反向电流击穿三极管．

3系统调试

电路焊接完毕后，需要进行必要的调试，相关步骤如下：（1）确定1脚电压为+5V，21脚为0V，26脚为-3.2V~-4.2V之间；（2）通过连接在36脚的电位器，调节refU为1V；（3）手捏LM35进行手动加温，检测LM35的输出端电压是否有变化，以确定LM35工作正常；（4）按下连接在37脚的按键，观察数码管是否显示888，以确认数码管连接正常；（5）短接30和31脚，观察数码管是否显示000；（6）检测LM35的输出电压，若与显示数值存在误差，则可通过微调36脚电压解决；（7）调节LM393芯片的2脚电压，根据需要设置温度报警的上限数值．手捏LM35进行手动加温，验证报警电路是否工作正常．若预实现低温界限报警，则只需要将2和3脚位置对换即可；（8）若设计中误将共阴极数码管连接到了ICL7107，则会导致系统黑屏，并且会造成ICL7107的永久性损坏．

4结论

本文以LM35温度传感器为检测模块，以高性能的A/D转换模块ICL7107为模拟前端，实现了温度检测系统的设计．文中详细描述了温度检测系统的基本组成和硬件选型，同时也针对学生设计中常遇到的问题进行了深入的讨论和总结．实践证明，该设计具有较高的应用价值，能够激发学生学习的兴趣；通过信号采集、放大、比较和报警电路的设计和调试，能有效地促进学生对电路知识的理解和掌握，具有非常重要的实践意义，尤其适合于电子类专业学生的课程设计．

作者：王春武 程礼邦 刘春龙 王立忠 单位：吉林师范大学信息技术学院 中航工业吉林航空维修有限责任公司