數(shù)字溫度計(jì)最終版

1、數(shù)字式溫度表摘要本次實(shí)驗(yàn)就是利用集成溫度傳感器AD590設(shè)計(jì)并制作的一款基于4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計(jì)能有效克服傳統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足，與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，輸出溫度采用數(shù)碼管顯示，具有讀數(shù)方便、測(cè)溫穩(wěn)定準(zhǔn)確、精度高、測(cè)量范圍廣、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，很適合日常溫度的測(cè)量。關(guān)鍵詞數(shù)字測(cè)溫溫度傳感器 數(shù)字控制 溫度計(jì)一、實(shí)習(xí)目的1.了解大規(guī)模專用集成電路的組成；2.了解半導(dǎo)體溫度傳感器的工作原理；3.掌握利用大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字式溫度表電路和調(diào)試的方法。二 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案多數(shù)的數(shù)字溫度計(jì)采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將隨溫度變化而變化的物理參數(shù)，如膨脹、電阻、電容、

2、熱電動(dòng)勢(shì)、磁性、頻率、光學(xué)特性等通過溫度傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號(hào)的變化有一定的關(guān)系，如線性關(guān)系，曲線關(guān)系等，將電信號(hào)經(jīng)過放大電路放大后使之產(chǎn)生適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路即用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)電路輸出，然后通過顯示單元，如數(shù)碼管或LCD等顯示出來，這樣就完成了數(shù)字溫度計(jì)的基本測(cè)溫功能。系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)原理圖如圖2-1所示。圖2-12.1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)硬件電路由符號(hào)顯示模塊、十位顯示模塊、個(gè)位顯示模塊、小數(shù)位顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、測(cè)溫電路模塊、積分電

3、路模塊、零點(diǎn)校準(zhǔn)電路模塊、沸點(diǎn)校準(zhǔn)電路模塊、時(shí)鐘振蕩電路模塊、正負(fù)-5V供電電路等部分組成系統(tǒng)硬件電路方框圖如圖2-2所示。圖2-2三 單元電路設(shè)計(jì)3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 3.1.1 ICL7107 的特點(diǎn)與引腳功能 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)采用ICL7107，它是三位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMOS大規(guī)模集成電路，它的最大顯示值為士1999，最小分辨率為100V。能直接驅(qū)動(dòng)共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動(dòng)器件，使整機(jī)線路簡(jiǎn)化，采用士5V兩組電源供電，在芯片內(nèi)部從與COM之間有一個(gè)穩(wěn)定性很高的2.8V基準(zhǔn)電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準(zhǔn)電壓。能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)極

4、性顯示功能。輸入阻抗高，對(duì)輸入信號(hào)無衰減作用。整機(jī)組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管，就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭。噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長(zhǎng)。芯片本身功耗小于15mw(不包括LED)，設(shè)有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。使用時(shí)可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共陽極接，可以方便的進(jìn)行功能檢查，ICL7107引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 ICL7107引腳圖和分別接電源的正極和負(fù)極；、分別為個(gè)位、十位、百位筆畫的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次接LED數(shù)碼管的相應(yīng)筆畫電極；ABK為千位筆畫驅(qū)動(dòng)信號(hào),接千位LED數(shù)碼管；RM為L(zhǎng)ED數(shù)碼管公共電極的驅(qū)動(dòng)端,接LED數(shù)碼管的5腳和10腳；為

5、時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器；第38腳至第40腳電容量的選擇按式（3-1）計(jì)算： =0.45/RC （3-1）COM為模擬信號(hào)公共端，簡(jiǎn)稱“模擬地”，使用時(shí)一般與輸入信號(hào)的負(fù)端和基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連；TEST為測(cè)試端，該端一般不用，使用時(shí)需經(jīng)過500 電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”；與為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端；與為外接基準(zhǔn)電容端；27腳接積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件；和為模擬量輸入端，分別接輸入信號(hào)的正端和負(fù)端；AZ為積分器和比較器的反向輸入端，接自動(dòng)調(diào)零電容，如果應(yīng)用在200mv滿刻度的場(chǎng)合是使用0.47F，而2V

6、滿刻度是0.047F；BUF為緩沖放大器輸出端，接積分電阻，其輸出級(jí)的無功電流是100A，而緩沖器與積分器能夠供給20A的驅(qū)動(dòng)電流，從該腳接一個(gè)積分電阻至積分電容器，其值在滿刻度200mv時(shí)選用47K，而2V滿刻度則使用470K。3.2 顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，這兩種都是我們最常用的，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，除此之外，其它方面基本相同。所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個(gè)小LED發(fā)光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示出不同的字型。數(shù)碼管按發(fā)光二極管單元連接方式又分為共陰極和共陽極兩種類型，共陰極就是將八個(gè)LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個(gè)L

7、ED的另一端高電平，它便能點(diǎn)亮。而共陽極就是將八個(gè)LED的陽極連在一起，形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽極數(shù)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。這次實(shí)驗(yàn)我們所用的就是共陽極接法，如圖3-2所示。圖3-23.3 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)采用集成電路溫度傳感器AD590，AD590為電流輸出型的集成溫度傳感器，它所流過的電流數(shù)值(微安級(jí))等于絕對(duì)溫度(開爾文)的度數(shù)，激勵(lì)電壓可以從+4V+40V，溫度范圍-55+150，標(biāo)準(zhǔn)輸出為1A/K的線性關(guān)系。因?yàn)槭请娏鬏敵觯子谶h(yuǎn)距離傳輸，不會(huì)因電壓降或感應(yīng)噪

8、聲電壓影響而產(chǎn)生誤差，且AD590是半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)式溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值與熱力學(xué)溫度和通過發(fā)射極電流的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)，具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，無需外部校準(zhǔn)。圖3-3圖3-3是利用特性的集成PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中、起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流和相等；、是感溫用的晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但實(shí)質(zhì)上是由n個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是的n倍。和的發(fā)射結(jié)電壓和經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所以R上端電壓為。因此，電流按式（3-2）計(jì)算： R（KTq）（lnn）R

9、 （3-2）式中K為波爾茲曼常數(shù)，q為電子電量。對(duì)于AD590，n8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖3-4中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到1A的電流輸出。3.4 積分電路的設(shè)計(jì)ICL7107芯片的27、28、29腳組成積分電路，27腳接積分電容，典型值為0.22F 。29腳接自動(dòng)調(diào)零電容(此元件宜選用無感式滌綸電容)，28腳接積分電阻(積分電容和積分電阻應(yīng)保證質(zhì)量)。29腳為積分器和比較器的反向輸入端，接自動(dòng)

10、調(diào)零電容如果應(yīng)用在200mv滿刻度的場(chǎng)合是使用0.47F，而2V滿刻度是0.047F，而本硬件電路顯示最大值為“-199”約等于200mv滿刻度，所以選用0.47F的電容。28腳為緩沖放大器輸出端，接積分電阻，其輸出級(jí)的無功電流是100A，而緩沖器與積分器能夠供給20A的驅(qū)動(dòng)電流，從此腳接一個(gè)電阻至積分電容器，其值在滿刻度200mV時(shí)選用47K，而2V滿刻度則使用470K。如圖3-4所示為積分電路。圖3-43.5 零點(diǎn)校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)如圖3-5所示當(dāng)溫度為0oC時(shí)，AD590輸出電流為273A，放大器反向輸入電壓為2.5V,校零時(shí)，要讓I=I1=273A，根據(jù)I=U/R可知，RP1、R1的和需要

11、為2.5V/273A=9.157K，調(diào)節(jié)RP1可以得到。每當(dāng)溫度提高1oC時(shí)，AD590輸出電流提高1A，I=I2，要得到10mV的變化電壓，則可置R2為10K。由此，每當(dāng)溫度提高1oC，輸出電壓提高10mV，測(cè)溫上限為200 oC，電壓最大值為2V。圖3-53.6 時(shí)鐘振蕩電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘振蕩電路由ICL7107的38、39腳外接電阻和電容共同構(gòu)成IC內(nèi)部振蕩器的RC電路。該電路的時(shí)鐘頻率為48KHz，測(cè)量速率為3次/s。為時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據(jù)公式(3-1)來計(jì)算，一般C4取100pF，由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器第一次積分階段的

12、時(shí)間為電網(wǎng)工頻周期20ms(50Hz)的整數(shù)倍時(shí)具有無窮大的抑制串模干擾的能力。因此，輸入脈沖的頻率根據(jù)公式(3-3)計(jì)算： (1000Tosc)×4=(20ms) ×N (3-3)取N=4，可求得Tosc=0.02ms，故fosc=48kHz，則采樣速率根據(jù)公式(3-4)計(jì)算： SR=48kHz/(4000×4)=3次/s (3-4)根據(jù)公式(3-1)可求出R=93.75k，故R9電阻取近似值100k。其電路如圖3-6圖3-63.7 放大電路的設(shè)計(jì) 放大電路采用器件LM324，其引腳如圖3-7所示。LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單

13、電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。在本電路中使用的是輸出引腳1，方向輸入端2，同相輸入端3，引腳4

14、接+5V電源，引腳11接-5V電源。圖3-73.8 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路要求輸出2.5V電壓，采用器件TL431。TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路，因其性能好、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013等相同，其示意圖如圖3-8a所示。本電路中穩(wěn)壓電路如圖3-8b所示，TL431的參考極與陰極短接，陽極接地，陰極通過電阻R5與+5V電壓相連，通過此穩(wěn)壓電路得到輸出電壓+2.5V。圖3-8四 總體電路總體電路工作原理總體電路由符號(hào)顯示電路、十位顯示電路、個(gè)位顯示電路、小數(shù)位顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路、測(cè)溫電路、積分電路、零點(diǎn)校準(zhǔn)電路、時(shí)鐘振蕩電路、正負(fù)5V等部分組成。

15、總體電路圖如圖4-1所示。利用集成溫度傳感器AD590內(nèi)部半導(dǎo)體的結(jié)效應(yīng)，它所流過的電流數(shù)值（微安級(jí)）等于絕對(duì)溫度（開爾文）的度數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)輸出為1A/K的線性關(guān)系。當(dāng)溫度傳感器AD590感應(yīng)外界的溫度變化后，流經(jīng)它的電流就會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，而且是呈線性變化的，絕對(duì)溫度與攝氏溫度的轉(zhuǎn)換根據(jù)公式（4-1）計(jì)算： T=273.2+t() （4-1）流過器件的電流i為攝氏溫度t的函數(shù)，見公式（4-2）。 i(t)=(273.2+t) ×1A/K （4-2）因此，輸出電流為1A/，即溫度每變化1，輸出電流變化1A。由于在電路中串上了一個(gè)分壓電阻，當(dāng)溫度變化時(shí)，該電阻就會(huì)將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓

16、的變化。此時(shí)，ICL7107的輸入端將得到隨溫度變化而變化的電壓信號(hào)，但該電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，由ICL7107內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把輸入的信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過自身的驅(qū)動(dòng)電路，把測(cè)得的量送給外圍的數(shù)碼管進(jìn)行顯示。總體電路圖4-1五 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試5.1 電路的安裝1、元件的檢測(cè)首先檢查元件的好壞，按各元件的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，而且要認(rèn)真核對(duì)與原理圖是否一致，在檢查好后才可上件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正。2、布線原則(1)安裝元件應(yīng)便于看到其極性和標(biāo)志。為防止集成電路受損，在插入或拔出時(shí)要非常細(xì)心。插入時(shí)應(yīng)使器件的方向一致，缺口朝左，使所有引腳均對(duì)準(zhǔn)面包板上的小孔，均勻用力按下，拔出時(shí)必須用

17、專用拔鉗，夾住集成塊兩頭，垂直往上拔起；(2)根據(jù)信號(hào)流向的順序，按電路順序直線排列，輸入與輸出線遠(yuǎn)離，采用邊安裝邊調(diào)試的方法。元器件安裝之后，先接電源線和地線，為方便查找，可以在連線時(shí)應(yīng)用不同的顏色加以區(qū)分，如正電源可以用紅色絕緣皮的導(dǎo)線，地線可以用黑色絕緣皮的導(dǎo)線。(3)把使用的導(dǎo)線拉直，導(dǎo)線兩頭各留6mm左右作為插入插孔的長(zhǎng)度。布線時(shí)要注意器件周圍貼板走線，不允許飛線。5.2 電路的調(diào)試1、由零點(diǎn)校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)可知，需要調(diào)節(jié)RP1，使RP1與R1和達(dá)到9.157K。2、由于ICL7107的特性可知，當(dāng)溫度計(jì)應(yīng)用滿刻度為2V時(shí)，其基準(zhǔn)電壓需要設(shè)置為1V，故而要通過調(diào)節(jié)RP2使36號(hào)引腳的電壓為1V。六 收獲和體會(huì)這次實(shí)習(xí)從一開始的迷茫，到查閱資料后的初窺門徑，又通過老師的悉心指導(dǎo)和自己的不懈努力，我終于如愿以償?shù)卦O(shè)計(jì)并制作出了一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)。我制作的溫度計(jì)在硬件上采用了集成溫度傳感器AD590來檢測(cè)溫度，測(cè)溫準(zhǔn)確，精度高。采用A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換、譯碼和驅(qū)動(dòng)。使用四個(gè)LED數(shù)碼管組成四位數(shù)顯溫度表來顯示實(shí)測(cè)溫度，系統(tǒng)的運(yùn)行情況良好。由于采用±5V雙電源供電，使系統(tǒng)的抗干擾性能得到加強(qiáng)。此外利用穩(wěn)壓器件TL431把+5V的電壓轉(zhuǎn)換為+2.5V的穩(wěn)定輸入電壓，通過LM324把AD590輸出的電流變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。本設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，經(jīng)