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重要数字温度计设计和报告
铂电阻数显温度计研制
摘要：
温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器,它具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点。
关键词：
传感器数字控制温度计MC14433A/D
引言
随着人们生活水平的不断提高,数字化无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围较广，测温准确，其输出温度采用数字显示等特点，该设计采用Motorola公司的MC14433作为A/D转换核心，测温传感器使用铂电阻，一个译码器就能驱动4只共阴极LED数码管，实现温度显示,就能准确达到要求。
一、设计题目
⏹铂电阻数显温度计研制
二、功能分析、设计
铂电阻数显温度计顾名思义就是靠铂电阻来采集温度并实现数字显示的一种温度计，其利用金属铂的电阻随温度单值变化的规律来测量温度。
此中关键在与采集的信号如何实现数字化显示，所以实现了数字化显示也就达到了本次设计的目的，铂电阻采集的仅仅是一个模拟量，所以就需要进行模数转换。
转换后的已经是数字量，此时便可送入数字显示器，显示现在我们最常用的就是LED和LCD显示。
最终要结果就是，铂电阻测到得温度要数字化显示出来，铂电阻变化所需的温度可以通过实验室中试验箱的白炽灯来改变，同时试验箱上还有一支温度计来比照所测的温度是否精确。
Pt100温度传感器的主要技术参数理论上测量范围为：
-200℃～+850℃。
三、电路方案设计论证
由于研制项目中铂电阻这个关键字的限制，使得在测温方面没有什么更多的选择，所以方案主要围绕处理及显示展开。
下面是具体的方案：
方案一
利用铂热电阻的感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，选用AT89C51型单片机作为主控制器件进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，通过4位共阳极LED数码管并口传送数据，实现温度显示。
此外在外加的报警电路方面控制也比较方便。
图1方案一设计框图
方案二
利用铂电阻探测温度，进行A/D转换,采用Motorola公司生产的A/D转换器MC14433为核心，其集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，装换后的信号直接采用译码器送给LED显示，省去中间的很多麻烦，可直接得到结果。
同样采用并行输出，而4只共阴极LED由反相驱动器驱动。
图2方案二设计框图
温度是过程检测与控制中的重要参量,对温度测量和控制的技术也是比较成熟的了，以上两个方案都是在现实生活中应用比较广泛的，可行性是毋庸置疑的了。
但比较起来各有长短，前者在控制方面比较优势，硬件实现方面较方案二要简单一些，程序的编写也不复杂。
后者属于直接型的，从探测到转换再到译码显示都做到了最简洁，如果从经济方面来看也属实惠型了，但是在实现功能方面是完全可以的，所以我选择的是第二方案，简洁、实惠、能完全实现功能是考虑的主要方面。
四、具体电路设计
1、总体设计框图
铂电阻数显温度计的总体设计框图如图3所示，分别由MC14433进行A/D转换，温度传感器用铂电阻，4511进行译码，用4位LED数码管实现温度显示。
图3、总体设计框图
2、温度传感器
如图所示的电路中，电阻R1-R3二极管,三极管，铂电阻构成温度传感器电路。
其中，铂电阻作为测温探头，R1-R3、VD3、V1构成恒流源电路，给测温探头提供恒定的正向电流。
常用的铂电阻有两种，一种是是PT100型，一种是PT1000，PT100表示在0℃时电阻位100欧，PT100的灵敏度可表示为
欧姆/℃
Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：
测量范围：
-200℃～+850℃；
允许偏差值△℃：
A级±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）；
最小置入深度：
热电阻的最小置入深度≥200mm；
允通电流≤5mA。
另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
铂热电阻的线性较好，在0~100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。
3、A/D转换电路
测量探头把待测温度转换为相应的电压后，因为要实现温度的数字显示，就必须有模数转换。
在本电路中，是以Motorola公司生产的A/D转换器MC14433为核心。
MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
精度：
读数的±0.05%±1字
⏹模拟电压输入量程：
1.999V和199.9mV两档
⏹转换速率：
2-25次/s
⏹输入阻抗：
大于1000MΩ
⏹电源电压：
±4.8V—±8V
⏹功耗：
8mW（±5V电源电压时，典型值）
采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。
MC14433的引脚说明：
[1]. Pin1（VAG）—模拟地，为高科技阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。
[2]. Pin2（VR）—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。
MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。
此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲（VR），就能够复为至转换周期的起始点。
[3]. Pin3（Vx）—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：
因此，满量程的Vx=VR。
当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV—2.000V之间选取。
[4]. Pin4-Pin6（R1/C1，C1）—外接积分元件端。
次三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470kΩ，而满量程为200mV时，R1取27kΩ。
[5]. Pin7、Pin8（C01、C02）—外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容
[6]. Pin9（DU）—更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。
如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。
否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。
这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。
[7]. Pin10、Pin11（CLK1、CLK0）—时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300kΩ即可。
若需要较高的时钟频率稳定度，则需采用外接石英晶体或LC电路，参考附图。
[8]. Pin12（VEE—负电源端。
VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。
[8]. Pin13（Vss）—数字电路的负电源引脚。
Vss工作电压范围为VDD-5V≥Vss≥VEE。
除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。
[9]. Pin14（EOC）—转换周期结束标志位。
每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。
[10]. Pin15（
）—过量程标志位，当|Vx|>VREF时，
输出为低电平。
[11]. Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）—多路选通脉冲输出端。
DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。
当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。
[12]. Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）—BCD码数据输出端。
该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。
同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息，这些信息所代表的意义见下表。
[13]. Pin24（VDD）—正电源电压端。
MC14433输出8421BCD代码，经译码后实际LED动态扫描显示。
MC14433的第2脚为外接基准电压Vref输入端；第3脚为被测电压Vin输入端；第1脚为模拟地，此端为高阻输入端，是被测电压和基准电压的地；第15脚为过量程输出标志端OR，平时OR为高电平，当|Vin|>Vref即超过量程时，OR为低电平。
被测电压Vin与其准电压Vin与基准电压Vref成下列比例关系（当小数点定位于4个LED数码管的十位数时）：
输出读数＝Vin／Vref×199.9
因为MC14433以扫描方式输出数据，所以只需要用一个译码器就能驱动4只共阴极LED数码管。
4、显示电路
显示采用4只共阴极LED数码管，其中千位数的数码管只接“b、c”两段。
4个LED数码管的公共阴级分别由MC1413中的4个达林顿复合晶体管驱动。
MC4511是一个用于驱动共阴极LED
（数码管）显示器的BCD码—七段码译
码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、
七段译码及驱动功能的CMOS电路能提
供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示
器。
MC1413是反相驱动器，他的功能是用各种电路的后级驱动设备，对前级电路的影响很小,mc1413引脚图等相关资料如下
五、总体电路设计及原理
测温显示原理：
温度的采集采用铂电阻温度传感器，因为要实现温度的数字显示，就必须有A/D转换。
在本电路中，是以Motorola公司生产的A/D转换器MC14433为核心。
采集到的信号由A/D转换器（Pin3（Vx）—被测电压的输入端）输入，转换后的BCD码由A/D转换器（Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）—BCD码数据输出端）分别送到译码器的4个输入端,译码器的译码后送入LED数码管的各个字形口。
字位由A/D转换器 Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）—多路选通脉冲输出端送到反相驱动器MC1413，再由MC1413中的4个达林顿复合晶体管驱动。
DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。
当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。
负号由千位数的LED数码管“g段”来显示，显示负号的“g段”由MC14433的Q2控制，当输入负电压时（对应温度为0℃以下），Q2＝“0”，显示负号的“g段”通过R15欧电阻点亮；当输入正电压时（对应温度为0℃以上），Q2＝“1”使MC1413的另一个达林顿复合晶体管把流过R15的电流旁路到地，使显示负号的“g段”熄灭。
铂电阻数字温度计电路图
小数点固定在十位数的LED数码管，通过R16给小数点“dp”提供电流，使小数点“dp”点亮。
电源才用三端稳压IC7809,最后的显示结果将是+-00.0，同时可以通过电位器调试以获得更精确的测量。
表一：
元器件清单
名称
规格
数量
二极管
IN4007
1
三极管
9013
1
电位器
10K
2
电阻
3K
1
电阻
510K
2
电阻
4.7K
1
电阻
1K
9
铂热电阻
PT100
1
电阻
20K
3
电容
0.1u
3
电容
470uf
1
电容
2200uf
1
三端稳压
7809
1
A/D转换器
MC14433B
1
译码器
MC4511
1
驱动
MC1413
1
LED数码管
4
六、电路检测及调试方法
在制作主板前，先制作小模块电路，在单元电路全部实现功能符合要求在合并制作总的电路板，这样在出错的情况下可以分别查验单元电路，减小调试的范围及难度。
调试前先准好0℃冰水各100℃的沸水。
调试方法如下：
1将调沸点的电位器调最上端，使Vref为最高电压，把二极管测温探头置于0℃的冰水中，调节调沸冰点电位器，使四只LED数码管显示的读数为“00.0”
2将二极管测温探头置于100℃的沸水中，调节调点电位器，使得四只LED数码管显示的读数为“100.0”，且MC14433的第15脚的0R为高电平。
七、使用方法简介
铂电阻有很长的导线，可做延伸很长测量，测量时只需将铂电阻置于要测量的位置，即可从LED数码管上读出具体的温度值。
八、心得体会
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过类似的设计但这次设计真的让我学到了很多东西，因为是第一次自己去想去做这么一个东西，跟以前的那些照着电路焊焊电路板大不同了。
老师只给我们一个题目，剩下的要自己去发挥，所以刚开始还是头绪乱的很，最后查了两天的资料才有了些眉目，图书馆的书都被借了差不多了，害我去清华书屋抄小抄，做这样的实训比上课有意思我觉得。
设计中遇到了很多问题，有些知识生疏了，有的根本就没学过，这可惨了最后只有埋着头翻书，这次用的那些芯片就一是一个一个翻书找资料的，做完了来想想还不错，学到了。
而且这也很好的巩固了以前学的知识，刚开始那几天都是背一堆书惨啊，模电，数电，单片机，电子设计方面的指导书什么的。
还有在这么多的书中，资料中找到自己想要的也还是比较重要呢。
虽然学的不是很好，但是我还是努力的坚持去做这些，自己去做感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，电子设计更是如此，只有在经常的实践的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
九、参考文献
1）胡建主编《单片机原理及接口技术》（第一版）机械工业出版社2005年8月第一版
2清华大学电子系也教研组编华成英童诗白主编《模拟电子技术基础》（第四版）高等教育出版社2006年5月第四版
3）王松武等编著《电子创新设计与实践》国防工业出版社2005年1月第一版
4）清华大学电子系也教研组编余孟尝主编《数字电子技术基础》（第三版）高等教育出版社2006年7月第三版
目录
1.设计题目……………………………………………………………………1
2.功能分析设计………………………………………………………………1
3.电路方案设计论证…………………………………………………………2
4.具体电路设计………………………………………………………………4
5.总体电路设计及原理………………………………………………………8
6.电路检测及调试方法………………………………………………………10
7.使用方法简介………………………………………………………………11
8.心得体会……………………………………………………………………11
9.参考文献……………………………………………………………………11
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