数字温度计最终版.docx

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数字温度计最终版

数字式温度表

摘要

本次实验就是利用集成温度传感器AD590设计并制作的一款基于4位数码管显示的数字温度计能有效克服传统的缺点和不足，与传统的温度计相比，输出温度采用数码管显示，具有读数方便、测温稳定准确、精度高、测量范围广、低能耗等优点，很适合日常温度的测量。

关键词数字测温温度传感器数字控制温度计

一、实习目的

1.了解大规模专用集成电路的组成；

2.了解半导体温度传感器的工作原理；

3.掌握利用大规模集成电路设计数字式温度表电路和调试的方法。

二系统总设计方案

多数的数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将随温度变化而变化的物理参数，如膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性、频率、光学特性等通过温度传感器转变成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，曲线关系等，将电信号经过放大电路放大后使之产生适合模数转换器转换的电信号，再经过模数转换电路即用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，数字信号送给驱动电路输出，然后通过显示单元，如数码管或LCD等显示出来，这样就完成了数字温度计的基本测温功能。

系统主体设计原理图如图2-1所示。

图2-1

2.1系统硬件电路的设计方案

系统硬件电路的设计采用了模块化的设计方法，系统硬件电路由符号显示模块、十位显示模块、个位显示模块、小数位显示模块、A/D转换器模块、测温电路模块、积分电路模块、零点校准电路模块、沸点校准电路模块、时钟振荡电路模块、正负-5V供电电路等部分组成

系统硬件电路方框图如图2-2所示。

图2-2

三单元电路设计

3.1A/D转换电路的设计

3.1.1ICL7107的特点与引脚功能

A/D转换电路的设计采用ICL7107，它是三位半双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100μV。

能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，在芯片内部从

与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压。

能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。

输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。

噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

芯片本身功耗小于15mw（不包括LED），设有专门的小数点驱动信号。

使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接

，可以方便的进行功能检查，

ICL7107引脚图如图3-1所示。

图3-1ICL7107引脚图

和

分别接电源的正极和负极；

～

、

～

、

～

分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接LED数码管的相应笔画电极；ABK为千位笔画驱动信号,接千位LED数码管；RM为LED数码管公共电极的驱动端,接LED数码管的5脚和10脚；

～

为时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器；

第38脚至第40脚电容量的选择按式（3-1）计算：

=0.45/RC（3-1）

COM为模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端和基准电压的负极相连；TEST为测试端，该端一般不用，使用时需经过500Ω电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”；

与

为基准电压正负端；

与

为外接基准电容端；27脚

接积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件；

和

为模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端；AZ为积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容，如果应用在200mv满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF；BUF为缓冲放大器输出端，接积分电阻，其输出级的无功电流是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从该脚接一个积分电阻至积分电容器，其值在满刻度200mv时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

3.2显示电路设计

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，这两种都是我们最常用的，八段数码管比七段数码管多了一个小数点，除此之外，其它方面基本相同。

所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字型。

数码管按发光二极管单元连接方式又分为共阴极和共阳极两种类型，共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。

而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起，形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳极数数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

这次实验我们所用的就是共阳极接法，如图3-2所示。

图3-2

3.3测温电路的设计

采用集成电路温度传感器AD590，AD590为电流输出型的集成温度传感器，它所流过的电流数值（微安级）等于绝对温度（开尔文）的度数，激励电压可以从+4V～+40V，温度范围-55℃～+150℃，标准输出为1μA/K的线性关系。

因为是电流输出，易于远距离传输，不会因电压降或感应噪声电压影响而产生误差，且AD590是半导体结效应式温度传感器，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，利用晶体管的b-e结压降的不饱和值与热力学温度和通过发射极电流的关系实现对温度的检测，具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，无需外部校准。

图3-3

图3-3是利用Δ

特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中

、

起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流

和

相等；

、

是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但

实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是

的n倍。

和

的发射结电压

和

经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为Δ

。

因此，电流

按式（3-2）计算：

＝Δ

／R＝（KT／q）（lnn）／R（3-2）

式中K为波尔兹曼常数，q为电子电量。

对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。

由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。

图3-4中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／℃的电流输出。

3.4积分电路的设计

ICL7107芯片的27、28、29脚组成积分电路，27脚接积分电容，典型值为0.22μF。

29脚接自动调零电容（此元件宜选用无感式涤纶电容），28脚接积分电阻（积分电容和积分电阻应保证质量）。

29脚为积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容如果应用在200mv满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF，而本硬件电路显示最大值为“-199”约等于200mv满刻度，所以选用0.47μF的电容。

28脚为缓冲放大器输出端，接积分电阻，其输出级的无功电流是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个电阻至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

如图3-4所示为积分电路。

图3-4

3.5零点校准电路的设计

如图3-5所示当温度为0oC时，AD590输出电流为273μA，放大器反向输入电压为2.5V,校零时，要让I=I1=273μA，根据I=U/R可知，RP1、R1的和需要为2.5V/273μA=9.157KΩ，调节RP1可以得到。

每当温度提高1oC时，AD590输出电流提高1μA，ΔI=I2，要得到10mV的变化电压，则可置R2为10KΩ。

由此，每当温度提高1oC，输出电压提高10mV，测温上限为200oC，电压最大值为2V。

图3-5

3.6时钟振荡电路的设计

时钟振荡电路由ICL7107的38、39脚外接电阻和电容共同构成IC内部振荡器的RC电路。

该电路的时钟频率为48KHz，测量速率为3次/s。

～

为时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。

第38脚至第40脚电容量的选择是根据公式（3-1）来计算，一般C4取100pF，由于双积分型A/D转换器第一次积分阶段的时间为电网工频周期20ms（50Hz）的整数倍时具有无穷大的抑制串模干扰的能力。

因此，输入脉冲的频率根据公式（3-3）计算：

（1000Tosc）×4=（20ms）×N（3-3）

取N=4，可求得Tosc=0.02ms，故fosc=48kHz，则采样速率根据公式（3-4）计算：

SR=48kHz/（4000×4）=3次/s（3-4）

根据公式（3-1）可求出R=93.75k，故R9电阻取近似值100k。

其电路如图3-6

图3-6

3.7放大电路的设计

放大电路采用器件LM324，其引脚如图3-7所示。

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

在本电路中使用的是输出引脚1，方向输入端2，同相输入端3，引脚4接+5V电源，引脚11接-5V电源。

图3-7

3.8稳压电路的设计

稳压电路要求输出2.5V电压，采用器件TL431。

TL431是一种并联稳压集成电路，因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。

其封装形式与塑封三极管9013等相同，其示意图如图3-8a所示。

本电路中稳压电路如图3-8b所示，TL431的参考极与阴极短接，阳极接地，阴极通过电阻R5与+5V电压相连，通过此稳压电路得到输出电压+2.5V。

图3-8

四总体电路

总体电路工作原理

总体电路由符号显示电路、十位显示电路、个位显示电路、小数位显示电路、A/D转换器电路、测温电路、积分电路、零点校准电路、时钟振荡电路、正负5V等部分组成。

总体电路图如图4-1所示。

利用集成温度传感器AD590内部半导体的结效应，它所流过的电流数值（微安级）等于绝对温度（开尔文）的度数，标准输出为1μA/K的线性关系。

当温度传感器AD590感应外界的温度变化后，流经它的电流就会随之发生相应的变化，而且是呈线性变化的，绝对温度与摄氏温度的转换根据公式（4-1）计算：

T=273.2+t（℃）（4-1）

流过器件的电流i为摄氏温度t的函数，见公式（4-2）。

i（t）=（273.2+t）×1μA/K（4-2）

因此，输出电流为1μA/℃，即温度每变化1℃，输出电流变化1μA。

由于在电路中串上了一个分压电阻，当温度变化时，该电阻就会将电流的变化转换成电压的变化。

此时，ICL7107的输入端将得到随温度变化而变化的电压信号，但该电压信号是模拟信号，由ICL7107内部的模数转换电路把输入的信号变换成数字信号，再经过自身的驱动电路，把测得的量送给外围的数码管进行显示。

总体电路图4-1

五系统的安装与调试

5.1电路的安装

1、元件的检测

首先检查元件的好坏，按各元件的检测方法进行检测，而且要认真核对与原理图是否一致，在检查好后才可上件，防止出现错误焊件后不便改正。

2、布线原则

（1）安装元件应便于看到其极性和标志。

为防止集成电路受损，在插入或拔出时要非常细心。

插入时应使器件的方向一致，缺口朝左，使所有引脚均对准面包板上的小孔，均匀用力按下，拔出时必须用专用拔钳，夹住集成块两头，垂直往上拔起；

（2）根据信号流向的顺序，按电路顺序直线排列，输入与输出线远离，采用边安装边调试的方法。

元器件安装之后，先接电源线和地线，为方便查找，可以在连线时应用不同的颜色加以区分，如正电源可以用红色绝缘皮的导线，地线可以用黑色绝缘皮的导线。

（3）把使用的导线拉直，导线两头各留6mm左右作为插入插孔的长度。

布线时要注意器件周围贴板走线，不允许飞线。

5.2电路的调试

1、由零点校准电路的设计可知，需要调节RP1，使RP1与R1和达到9.157KΩ。

2、由于ICL7107的特性可知，当温度计应用满刻度为2V时，其基准电压需要设置为1V，故而要通过调节RP2使36号引脚的电压为1V。

六收获和体会

这次实习从一开始的迷茫，到查阅资料后的初窥门径，又通过老师的悉心指导和自己的不懈努力，我终于如愿以偿地设计并制作出了一个数字温度计。

我制作的温度计在硬件上采用了集成温度传感器AD590来检测温度，测温准确，精度高。

采用A/D转换器ICL7107进行放大、转换、译码和驱动。

使用四个LED数码管组成四位数显温度表来显示实测温度，系统的运行情况良好。

由于采用±5V双电源供电，使系统的抗干扰性能得到加强。

此外利用稳压器件TL431把+5V的电压转换为+2.5V的稳定输入电压，通过LM324把AD590输出的电流变化转换成电压变化。

本设计电路的结构简单，调试方便，经验收测试，该数字温度计设计方案是正确可行的，各项指标均稳定可靠。

这次实习最大的体会，就是在整个设计过程中一定要从每个细节入手，将已学知识和通过网络或书籍获得的新知识结合应用到的具体实践当中。

这次实习不但增加了我的实际操作能力，而且增强了我的独自思考和自学的水平。

同时我也明白了，想要“稳、准、好”地完成一件事情，必须同时具备细心，冷静，诚恳，好学的品质和坚忍不拔的意志。

参考文献

邓元庆贾鹏数字电路与系统设计（第二版）西安电子科技大学出版社

臧春华蒋璇数字系统设计与PLD应用（第三版）电子工业出版社

高吉祥电子技术与课程设计电子科技出版社