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数字温度计设计报告

课程名称：

电子课程设计

院别：

武警工程学院

专业:

指挥自动化

班级：

二队一区队

姓名：

王凯（03）田腾浩（23）

指导教师：

邹涛

时间:

2010 年 1 月 12 日

主要内容：

设计一个数字温度计，测量范围：

0～100 OC。

温度的实时 LED 数字显示。

测量温度信号为模拟量。

基本要求：

1.画出数字温度计的结构框图。

2.画出系统原理电路图。

3.用 MULTISIM 进行仿真实验。

4.按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。

主要参考资料：

[1] 阎石.数字电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2001.

[2] 彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：

高等教育出版社，1997.

[3] 孙梅生.电子技术基础课程设计[M].北京：

高等教育出版社，1998.

[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计[M].北京：

电子工业出版社，2002.

完成期限　

一、任务技术指标

主要内容：

设计一个数字温度计，测量范围：

0～100 OC。

温度的实时 LED 数字显示。

测量温度信号为模拟量。

基本要求：

1.画出数字温度计的结构框图。

2.画出系统原理电路图。

3.用 MULTISIM 进行仿真实验。

4.按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档

二、总体设计思想

1.基本原理

由于温度计的应用很广，所以温度计的设计也不完全一样。

以前一般采用热电偶、玻璃液体温度计、

双金属温度计、压力式温度计、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。

其中热电偶的温度测量范围较

宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、

数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将

小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读数。

在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时

间监测，且要求能够快速准确地读数。

此时，上述各类温度计则难以胜任。

而如果将热电偶产生的热电动

势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应迅速，测量精

度高，功耗小，显示直观。

因此，由热电偶、A/D 转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精

度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。

但在本

设计中，数字温度计应用的对象是一般家庭里，主要包括以下几部分：

（1）.取样电路

温度传感器就是能将温度信号反映到电信号上去，这个我们可以用热敏电阻及一些热传感器来实现，

由于热敏电阻的阻值与温度不成线性关系，所以这里主要是用温度传感器将温度信号线性地反映到电压上

来实现温度取样，测量温度信号为模拟量。

（2）.放大电路

放大电路可以有三极管放大或是用集成运算放大器放大，由于在这里放大器的功能是为了调节传感器

与 A/D 转换器的关系，故可以用集成运算放大器通过负反馈组成任意比例电路，根据芯片的参数需要而选

择适当的放大倍数。

（3）.驱动电路

驱动电路是为了让显示器将 A/D 所转换的数据无误地表现出来。

这里主要是驱动 LED 显示及保护 LED

的电路，要想让 LED 正常工作，必需提供适当的电压，保证电流不能超过 LED 的最大电流，以免烧坏 LED

管。

在这里主要包括一些三极管及电阻，配合驱动电路来制 LED 控显示。

（4）.A/D 转换及分析

A/D 转换主要的任务是对模拟电信号进行分析，将其信号转换成数码显示出来，可能的话还可以对信

号进行分析预处理。

这里也主要是采用 MC14433 芯片，采用这个芯片可以大大减少 A/D 转换及译码电路，

因为它本身输出就是 BCD 码，而且是按十进制位串行输出的，同时它还包含了时序电路即用来串行输出用

扫描显示用的电路及超过适用范围时发出提示信号，极大简化了电路，从而提高了电路的稳定性及减少功

耗。

（5）.显示电路

显示电路可以用各种类型的七段 LED 显示，出于对器件考虑，在这里仅用最常见的 7 段码显示即可。

2.系统框图

模拟

采样

转化

电信

号

信

号

放

大

A/D

转

换

编

码

译

码

电

路

显示系

统

超过

温度

提示

图 1数字温度计设计框图

三、具体设计

本设计主要构成部分应该是由模拟传感器、线性放大电路、A/D 转换分析、驱动电路及显示五部分组

成。

下面从五部分分别进行比较设计,然后总体连接.

1. 传感电路

（1）传感器元件介绍:

温度传感器：

按照温度传感器输出信号的模式，可大致划分为三大类：

数字式温度传

感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。

一、模拟温度传感器

传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和 RTDS 对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，

需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。

集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、

线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片

IC 上，有实际尺寸小、使用方便等优点。

常见的模拟温度传感器有 LM35、LM335、LM45、AD590 电流

输出型。

这里主要介绍该类器件的几个典型。

1、AD590 温度传感器

AD590 是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为 3~30V，输出电流 223μA（-

50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为 1μA/℃。

当在电路中串接采样电阻 R 时，R 两端的电压可作为输出

电压。

AD590 输出电流信号传输距离可达到 1km 以上。

作为一种高阻电流源，最高可达 20MΩ，所以它不

必考虑选择开关或 CMOS 多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。

适用于多点温度测量和远距离温度测

量的控制。

2、 LM135/235/335 温度传感器

LM135/235/335 系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作

特性类似于齐纳稳压管。

该系列器件灵敏度为 10mV/K，具有小于 1Ω 的动态阻抗，工作电流范围从

400μA 到 5mA，精度为 1℃，LM135 的温度范围为-55℃~+150℃，LM235 的温度范围为-40℃~+125℃，

LM335 为-40℃~+100℃。

封装形式有 TO-46、TO-92、SO-8。

该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量

以及温度补偿系统中。

二、逻辑输出型温度传感器

在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出

所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出

式温度传感器。

LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510 是其典型代表。

1、LM56 温度开关

LM56 是 NS 公司生产的高精度低压温度开关，内置 1.25V 参考电压输出端。

最大只能带 50μA 的负载。

电源电压从 2.7~10V，工作电流最大 230μA，内置传感器的灵敏度为 6.2mV/℃，传感器输出电压为

6.2mV/℃×T+395mV。

2、MAX6501/02/03/04 温度监控开关

MAX6501/02/03/04 是具有逻辑输出和 SOT-23 封装的温度监视器件开关，它的设计非常简单,直接将其

接入电路即可使用，无需任何外部元件。

其中 MAX6501/MAX6503 为漏极开路低电平报警输出，

MAX6502/MAX6504 为推/拉式高电平报警输出，MAX6501/MAX6503 提供热温度预置门限（35℃到

+115℃），当温度高于预置门限时报警；MAX6502/MAX6504 提供冷温度预置门限（-45℃到+15℃），当

温度低于预置门限时报警。

对于需要一个简单的温度超限报警而又空间有限的应用如笔记本电脑、蜂窝

移动电话等应用来说是非常理想的，该器件的典型温度误差是±0.5℃，最大±4℃，滞回温度可通过引脚选

择为 2℃或 10℃，以避免温度接近门限值时输出不稳定。

这类器件的工作电压范围为 2.7V 到 5.5V，典型

工作电流 30μA。

三、数字式温度传感器

如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。

同样，当 A/D 和微处理器的 I/O 管脚

短缺时，采用时间或频率输出的温度传感器也能解决上述测量问题。

1、MAX6575/76/77 数字温度传感器

MAX6575/76/77 系列 SOT-23 封装的温度传感器为例，这类器件可通过单线和微处理器进行温度数据

的传送，提供三种灵活的输出方式--频率、周期或定时，并具备±0.8℃的典型精度，一条线最多允许挂接

8 个传感器，150μA 典型电源电流和 2.7V 到 5.5V 的宽电源电压范围及-45℃到+125℃的温度范围。

它输出

的方波信号具有正比于绝对温度的周期，采用 6 脚 SOT-23 封装，仅占很小的板面。

该器件通过一条 I/O

与微处理器相连，利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。

2、可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器 DS1612

DS1612 是美国达拉斯半导体公司生产的 CMOS 数字式温度传感器。

内含两个不挥发性存储器，可以

在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制，由于这些存储器具有不挥发性，因此一

次定入后，即使不用 CPU 也仍然可以独立使用。

温度测量原理和精度：

在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器（OSC1）和一个温度系

数较小的振荡器（OSC2）。

在温度较低时，由于 OSC2 的开门时间较短，因此温度测量计数器计数值

（n）较小；而当温度较高时，由于 OSC2 的开门时间较长，其计数值（m）增大。

如果在上述计数值基础上再加上一个同实际温度相差的校正数据，就可以构成一个高精度的数字温度传感

器。

该公司将这个校正值定入芯片中的不挥发存储器中，这样传感器输出的数字量就可以作为实际测量的

温度数据，而不需要再进行校准。

它可测量的温度范围为-55℃~+125℃，在 0℃~+70℃范围内，测量精度

为±0.5℃，输出的 9 位编码直接与温度相对应。

DS1621 同外部电路的控制信号和数据的通信是通过双向总线来实现的，由 CPU 生成串行时钟脉冲

（SCL），SDA 是双向数据线。

通过地址引脚 A0、A1、A2 将 8 个不同的地址分配给各器件。

通过设定寄

存器来设置工作方式，并对工作状态进行监控。

被测的温度数据被存储在温度传感器寄存器中，高温

（TH）和低温（TL）阈值寄存器存储了恒温器输出（Tout）的阈值。

现在，各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。

比如，MAXIM 公司近期推出的 MAX1619 是一种增

强型精密远端数字温度传感器，能够监测远端 P-N 结和其自身封装的温度。

它具有双报警输出：

ALERT

和 OVERT。

ALERT 用于指示各传感器的高/低温状态，OVERT 信号等价于一个自动调温器，在远端温

度传感器超上限时触发，MAX1619 与 MAX1617A 完全软件兼容，非常适合于系统关断或风扇控制，甚至

在系统“死锁”后仍能正常工作。

美国达拉斯半导体公司的 DS1615 是有记录功能的温度传感器。

器件中包

含实时时钟、数字式温度传感器、非易失性存储器、控制逻辑电路以及串行接口电路。

数字温度传感器的

测量范围为-40℃~+85℃，精度为±2℃，读取 9 位时的分辨率是 0.03125℃。

时钟提供的时间从秒至年月，

并对到 2100 年以前的闰年作了修正。

电源电压为 2.2V~5.5V，8 脚 SOIC 封装。

DS17775 是数字式温度计

及恒温控制器集成电路。

其中包含数字温度传感器、A/D 转换器、数字寄存器、恒温控制比较器以及两线

串行接口电路。

供电电压在 3V 至 5V 时的测量温度精度为±2℃，读取 9 位时的分辨率是 0.5℃，读取 13

位时的分辨率是 0.03125℃。

（2）传感器器件选择:

综上所诉,根据需要和比较我们选择了模拟温度传感器 LM35.

它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。

因而，从使用角

度来说，它与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35 无需外部校准或微调，可以提供

±1/4℃的常用的室温精度。

LM35 具有以下特点：

（1）工作电压：

直流 4～30V；

（2）工作电流：

小于 133μA

（3）输出电压：

+6V～-1.0V;（4）输出阻抗：

1mA 负载时0.1Ω；

（5）精度：

0.5℃精度（在+25℃时）；（6）漏泄电流：

小于60μA；

（7）比例因数：

线性+10.0mV/℃；（8）非线性值：

±1/4℃；

（9）校准方式：

直接用摄氏温度校准；（10）封装：

密封TO-46或塑料TO-92 晶体管封装；

（11）使用温度范围：

-55～+150℃额定范围

传感器电路采用核心部件是 LM35AH，供电电压为直流15V 时，工作电流为120mA，功耗极低，在

全温度范围工作时，电流变化很小。

电压输出采用差动信号方式，由2、3 引脚直接输出，电阻R 为18K

普通电阻，D1、D2 为1N4148。

传感器电路原理如图.

2. 信号放大器电路

（1）放大器期间介绍：

按照集成运算放大器的参数来分，放大器可分为如下几类。

1．通用型运算放大器

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。

这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能

指标能适合于一般性使用。

例 μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324 及以场效应管为输入级的

LF356 都属于此种。

它们是应用最为广泛的集成运算放大器。

2．高阻型运算放大器

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小， IB 为几皮安到几十皮安。

实

现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。

用

FET 作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电

压较大。

常见的集成器件有 LF355、LF347 及更高输入阻抗的 CA3130、CA3140 等。

3．低温漂型运算放大器

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变

化。

低温漂型运算放大器就是为此而设计的。

常用的高精度、低温漂运算放大器有 OP07、OP27、AD508 及

由 MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件 ICL7650 等。

4．高速型运算放大器

在快速 A/D 和 D/A 转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率 SR 一定要高，单位增益带宽

BWG 一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。

高速型运算放大器主要特点是具

有高的转换速率和宽的频率响应。

常见的运放有 LM318、μA715 等，其 SR=50~70V/us，BWG＞20MHz。

5．低功耗型运算放大器

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使

用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。

常用的运算放大器有 TL-022C、TL-060C 等，其工

作电压为±2V~±18V，消耗电流为 50~250μA。

有的产品功耗已达 μW 级，例如 ICL7600 的供电电源为

1.5V，功耗为 10mW，可采用单节电池供电。

6．高压大功率型运算放大器

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，

输出电流仅几十毫安。

若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。

高压大电流

集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。

例如 D41 集成运放的电源电压可达

±150V，μA791 集成运放的输出电流可达 1A。

（2）选择放大器种类

总体分析上诉运放种类，根据我们获得是一弱信号这一现实，我们决定选用低温漂型运算放大器

OP07。

Op－07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。

由于 OP07 具有非常低的输入失

调电压（对于 OP-07A 最大为 25μV），所以 OP-07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07 同时具

有输入偏置电流低（OP-07A 为±2nA）和开环增益高（对于 OP-07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、

高开环增益的特性使得 OP-07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

OP－07 具有以下特点：

（1）超低偏移：

150μV 最大 ;

（2）低输入偏置电流：

1.8nA ;

　（3）低失调电压漂移：

0.5μV/℃;（4）超稳定，时间：

2μV/month 最大;

　（5）高电源电压范围：

±3V 至±22V.

它的引脚如图所示:

引脚功能说明：

1 和 8 为偏置平衡（调零端），2 为反向输入端，3 为正向输入端，4 接地，5

空脚 6 为输出，7 接电源+。

（3） LM35 和 OP-07 组成的信号采集电路

3. 模数转换电路

（1）A/D 转换器件简介

类型简介如下表所示：

型号

位数

转换时间

精度

说明

AD9002AD

125MHz

0.5LSB

并行型，不用 S-H

AN6859

20M

±1LSB

并行型，不用 S-H

AD7824KN

2μs

±1LSB

串/并行型，4 通道

AD578

5μs

0.075%FSR

串/并行型

ADC0809

100μs

±1LSB

逐次比较型，8 通道

AD574A

25μs

±0.0125%FSR

逐次比较型

ICL7115

40μs

±0.1%FSR

逐次比较型

几种集成 ADC 参数

MAX195

9.4μs

±0.003%FSR

逐次比较型，串行输出

ICL7107

3 位半 BCD

333ms

±1 字

双积分，带显示驱动

ICL7135

4 位半 BCD

333ms

±1 字

双积分，分时输出

AK5326-VP

48kHz

±5%FSR

Σ-Δ 型，串行输出，双通道

AD7710

1 kHz

±0.005%FSR

Σ-Δ 型，双通道，带可编程

放大器和滤波器

（2）A/D 转换器件选择

通过上面两个表进行对照，根据情况我们选择了双积分式的 ICL7107。

其优点是高性能、低功耗的三

位半 A\D 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，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。

ICL7107 可直接驱动共阳极 LED 数码管。

ICL7107 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，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：

分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。

驱动器：

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。

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。

ICL7107AD 转换器的管脚排

ICL7107AD 转换器的管脚排列及其各管脚功能如图：

1 V+OSC1 40

2 D1OSC2 39

3 C1OSC3 38

4 B1TEST 37

5 A1REF HI 36

6 F1REF LO 35

7 G1CREF+ 34

8 E1CREF 33

9 D2COMMON 32

10 C2I CL7107IN HI 31

11 B2IN LO 30

12 A2A-Z 29

13 F2BUFF 28

14 E2INT 27

15 D3V- 26

16 B3G2 25

17 F3C3 24

18 E3A3 23

19 AB4G3 22

20 POLGND 21

4．显示电路:

数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阴极是把所有 LED 的阳极连接到共同接点 com，而每一

LED 的阴极分别为 a,b,c,d,e,f,g 及 sp（小数点），它的内部结构图如图所示。

在本次设计当中，由于 ICL7107 的特点，它只能驱动共阳极数码管，故我们要选用共阳极七段数码

管。

在连接数码管时，我们要注意数码管各个管脚所对应的字母，不能接错或接漏，而且在管脚之前要接

上电阻，以免烧坏芯片和数码管。

5．报警电路

（1）报警电路简介

经运用所学电子技术知识及搜集资料，可知双限温度比较器的实现方案有如下三种。

方案一

基于非门的双限温度报警电路

将 74LS04D 拆分得分立元件图，如图 2 所示：

图 2、基于非门的双限温度报警电路分立元件图

1、电路组成

该双限温度报警器电路报警电路组成，如图 1 所示:

温度检测/指示电路包括：

热敏电阻器 RT、电位器 RPl、RP2、电阻器 R1~R4、晶体管 Vl、V2、发光二

极管 VLl、VL2 和非门集成电路 IC（Dl~D2）；

报警电路包括：

IC 内部的 D3~D6、电阻器 R4、R5、电容器 Cl、C2、二极管 VD1、VD2 和蜂鸣器 HA 组

成。

其中 D3、D4 和 R4、Cl 组成 lHz 超低频振荡器，D5、D6 和 R5、C2 组成 lkHz 音频振荡器。

2、工作原理

RP1 用来设定温度的上限值，RP2 用来设定温度的下限值。

在受监控处温度在设定的温度范围内时，

Dl 输出高电平，D2 输出低电平，Vl 和 V2 均截止，VLl 和 VL2 均不发光，VDl 处于导通状态，lH，超低频

振荡器和 lkHz 音频振荡器不振荡，HA 不发声。

当温度超过设定温度的上限值时，RT 的温度减小，RPl 中点电位上升，使 Dl 输出低电平，Vl 导通，

VLl 点亮，指示温度超过上限；同时 VDl 截止，lHz 超低频振荡器和 lkHz 音频振荡器振荡工作，lHz 超低

频信号对 lkHz 音频振荡器进行调制，使 HA 发出断续的报警声。

当温度低于设定温度的下限值时，RT 的阻值增大，使 RP2 的中点电位下降，D2 输出高电平，V2 导通，

VL2 点亮，指示温度低于下限；同时 lHz 超低频振荡器和 lkHz 音频振荡器振荡工作，HA 发出报警声。

方案二：

基于集成电路的双限温度报警电路

1、电路组成

该双限温度报警器电路由温度检测控制电路、温度指示电路和声

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