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1、-19-第1章 绪论1.1 课题背景温度计是人类社会生产和生活中必不可少的一种测量装置，在农业、工业和各种高新技术领域的开发和研究中，温度也是一个非常关键的测量参数。因此，它的发展与各行业的发展紧密相关。目前，随着电子信息技术的发展，传感技术的广泛应用，温度计已向自动化、数字化方向发展，代表了温度计量发展的最前沿。随着科学技术的不断发展，人们发明了各式各样的，各种用途的温度计，根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计等。近年来，随着人们生活水平的不断提高，数字化的不断发展，数字温度计的出现对人们
2、的生产生活产生了巨大影响。在国外，温度计的发展始于1593年，由意大利科学家伽利略(15641642)发明了第一支温度计，后来又相继出现华氏温度计、列式温度计、摄氏温度计，均用水银和酒精等作为测温物质。现在英、美国家多用华氏温度计，德国多用列氏温度计，而在世界科技界和工农业生产中，我国和法国等大多数国家多采用摄氏温度计，随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也在不断地改进和提高，测温范围变得越来越广，精度越来越高。现代化的温度检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展水平又为温度检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度
3、计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等。温度传感器应用非常广泛，而温度计中传感器是它的重要组成部分，传感器的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。本文研究的数字温度计，它是通过一定的电路和温度传感器进行测控，将温度用数字准确的显示出来，具有数据显示直观，测量精度高，测温范围广等优点。1.2 课题的目的和意义随着科学技术日益迅速的发展，数字监控系统已经深入到生活的各个方面。数字温度表具有技术效果好，经济效益高，技术先进，造价较低，可靠性高，维修方便等许多优点。数字温度表摆脱传统水银温度计在使用时的弊端,以其准确
4、快捷的测量功能和清晰易懂的数字化显示方便人们日常生活使用。温度是我们日常生活中实时接触到的物理量，但是它是看不到的，仅凭感觉只能估测到大概的温度值。传统的水银温度计虽然能指示温度，但是精度低，反应速度慢，误差大，显示不够直观。数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少。当前，主要温度仪表，如热电偶、热电阻及辐射温度计等在技术上已经成熟，但是它们只能在传统的场合应用，尚不能满足简单、快速、准确测温的要求，尤其是高科技领域。因此，各国专家都在有针对性地竞相开发各种新型温度传感器及特殊与实用测温技术，如采用光纤、激光及遥感或存储等技术的新型温度计已经实用化。由于许多质量高、价格低
5、，使用简单的传感器和数字化测量仪表一起使用，以及微型计算机、微处理器和各种大规模集成电路的迅速普及，使今天的数字测量仪表远优于传统的测量仪表。数字化测量是一种发展十分迅速的综合性应用技术。利用数字化测量仪表的计量技术、测量系统，不但能可靠地获得大量准确的信息，而且能极其迅速地对信号进行有效的处理，还可以实现自动化测量功能。因此作为自动化、智能化测量系统的基础和核心的数字化仪器仪表，在我国现代化建设中将发挥越来越重要的作用。本文介绍了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
6、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。1.3 课题的技术要求（1）利用温度传感器制作三位半数显温度表。（2）温度的测量范围：-30+100(243K373K)。（3）测量精度要求1。（4）利用电池供电。第2章 系统设计与方案论证2.1系统主体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
7、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，如数码管或者LCD等显示出来，这样就完成了数字温度计的基本测温功能。本设计方案的核心是A/D转换器ICL7107，它包括了线性放大器、模拟开关、时钟振荡器、七段译码、显示驱动器等部件。并且它是三位半双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，最大显示值为1999，最小分辨率为100V。能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，无需另行设计放大电路、模数转换电路、驱动电路等，使硬件电路的构成大大简化，减少了各级之间的干扰。系统主体设计原理图如图2-1所示
8、。显示电路驱动电路模数转换电路放大电路测温电路图2-1 系统主体设计原理图下面详细地介绍了各部分的组成及设计原理。测温电路主要是由温度传感器和与传感器有关的电阻等组成，将温度的变化转换成电流或电压的变化，输出给下一级放大电路；放大电路主要由集成运放及其外接电容、电阻等组成，用以放大由测温电路产生的微弱电信号，使之满足模数转换电路工作需要的电压或电流；模数转换电路由A/D转换器构成，将放大电路输出的模拟电信号转换成能够使驱动电路工作的数字信号；驱动电路由译码器及其外围电路组成，用来驱动数码管或LCD液晶屏等显示器；显示电路由七段数码管或LCD液晶屏构成，用来显示当前所测环境的摄氏温度值。2.2
9、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、负5V供电电路模块等十一部分组成。系统硬件电路方框图如图2-2所示。十位显示个位显示符号位显示小数位显示 三位半A/D转换器ICL7107沸点校准电路测温电路时钟振荡电路零点校准电路积分电路负5V供电电路图2-2 系统硬件电路方框图本章小结 本章介绍了数字温度计的整体设计思路，并通过方案比较确定了最终的设计方案，由于引入了模块化的设计思想，使各单元结构明确，条理
10、清晰，给后续的安装和调试工作带来了极大的方便。通过大量文献和资料的查阅，本章介绍的数字温度计中的温度传感器需要查传感器应用方面的知识，相关的热偶传感器和PN结传感器等，通过了解这些传感器可以深入了解温度传感器工作原理，在数字温度计中的作用。接下来查阅的资料是关于数字电路这一块,需要查阅的资料是数字电路中A/D转换的原理,可以查阅的书籍有模拟电路、数字电路和实验方面的书籍。绘制电路图过程中，查阅关于CAD的书籍等。 第3章 系统单元电路的设计3.1 显示电路的设计3.1.1 数码管显示原理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
11、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。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM
12、接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。3.1.2 三位半数显表工作原理三位半的意思是该表有三位可以显示09的数码管，还有一位最高位是只能显示0和1，这个最高位如果是1，后三位是999，那么就是1999，约等于2000。最高位的权重是1000/2000即1/2。三位半数显表是指最大显示数为1999的仪表，“三”是指后面三位能显示完全十进制(09)的数目，“半”是指1999进位后能达到的整数位“2”和首位数“1”即1/2，多用于集成电路ICL7106或7107等专用IC设计。本文介绍的三位半数显表由四个八段数码管组成，用
13、来显示实测温度，从低至高位依次为小数位、个位、十位、符号位。由于ICL7107内部具有译码驱动功能，所以不需另接译码器就能很好的控制LED，以便实时显示温度值。采用LED显示方式，由于其具有亮度高、显示醒目、使用寿命长、方便、价格低廉等优点在工业用仪器仪表中得到广泛应用。图3-1为利用四个数码管组成的三位半数显表电路图。图3-1 三位半数显表电路图3.2 A/D转换电路的设计 3.2.1 ICL7107 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100V。能直接驱动共阳极LED数
14、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)，不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3-2所示。图3-2 ICL7107引脚图和分别接电
15、源的正极和负极；、分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接各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共阳数码管的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以及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500 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，
16、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0.47F，而2V满刻度是0.047F；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100A，而缓冲器与积分器能够供给20A的驱动电流，从此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。3.2.2 ICL7107的工作原理 图3-3 ICL7107工作原理图 图3-3 ICL7107工作原理图双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D
17、转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。它的原理性框图如图3-3所示。它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信号。时钟信号计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号。译码
18、器为BCD七段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。驱动器是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。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使符号位显示“1”，其余码全部熄灭。调锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。3.3 测温电路的设计3.3.1 温标的基本概念物体的受热程度通常用“温度”来表征，用来衡量物体温度的尺子称为“温度标尺”，简
19、称“温标”。它标定了温度的零点和基本测量单位。目前国际上用得较多的温标有热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。热力学温标和国际实用温标的单位是K，摄氏温标的单位是，华氏温标的单位是。本系统作为一般的环境温度测量使用，为更贴近人们日常生活习惯一律采用摄氏温标：作为温度的基本表示单位。3.3.2 温度传感器的比较与选择由于温度传感器的种类较多，同时针对本文设计的数字温度计测量环境的需要，提出了以下四种选择方案：方案一：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-5
20、5+150，标准输出为1A/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。方案二：采用PT100，它是一种使用比较普遍的温度传感器，精度比AD590稍差一些，误差在0.5，用在一般电路上还是足够了。测温范围是-50+150。它的工作原理是：在探头里填充热敏电阻材料，当外界温度发生变化时，它的阻值会随之改变。当温度升高时
21、，它的阻值会变大，后面的控制电路会根据相应输出的阻值不同，而驱动显示相应的温度值，而且它与AD590相比，价格也便宜了许多。但它也有自己的缺点和不足，那就是灵敏度较差。当外界温度变化较大时，热敏电阻的阻值是缓慢变化的，而不能突变。所以到后面的驱动显示需要一段时间，形成了测温上的滞后。但对于那些要求不高的电路来说，这种温度传感器还是被广泛使用的。方案三：采用KTY10，这种温度传感器是目前比较高端的传感器，它的精度非常高，误差仅为0.1，且灵敏度很高，测温范围特别宽，能达-200+500甚至更宽。因为是高端器件，所以一般都用在要求很高的电路和设备上。而且它的价格十分昂贵，国产的就高达一百多元，进
22、口的更是达到二三百元。因此对于普通的小型电路，根本无需这种高端传感器。方案四：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用A/D 转换器，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后通过显示电路，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点。3.3.3 确定选择方案在各种方案中，热电
23、偶由于热电势小，灵敏度低，热电阻的非线性影响其精度，KTY10温度传感器的成本高，且易受氧化影响。而AD590是单片集成温度传感器，测温范围为-55+150，利用半导体三极管的基极与发射极之间的电压大约具有-2.2mv/的温度系数实现温度检测，且AD590是电流型集成温度传感器的代表产品，除具有一般集成温度传感器的共同特点：灵敏度高、准确度高、体积小、电路接口方便、价格低廉、使用简单等优点外，还具有自身所特有的一些性能特点，主要表现在：测温不需要参考点；工作电压在430V时都能获得稳定的输出信号，其线性电流输出为1A/K；以热力学温标零点作为零输出点，在25时的输出电流为298.2A；因为对芯
24、片进行了激光校正，其具有良好的互换性，且校准准确度可达0.5；使用时接口简单；输出阻抗高达10M以上，适用于远距离温度测量和计算机远距离控制。经过方案比较，综合各种方案的优缺点，最终确定选择第一种方案。与后几种方案相比，第一种方案中AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温度传感器，利用半导体的结效应，它所流过的电流数值(微安级)等于绝对温度(开尔文)的度数，激励电压可以从+4V到+30V范围变化，测温范围-55+150完全能满足技术要求。因为是电流输出，易于远距离传输，且不会因电压降或感应噪声电压影响产生误差。3.3.4 AD590工作原理在被测温度一定时，AD590
25、相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个电阻。那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比。其基本电路如图3-4所示。RUnRV2I2V1I1V3V4输出IEs图3-4 AD590内部基本电路图图3-4是利用特性的集成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。因此，电流按式（3-2）计算： R（KTq）（lnn）R （3-2）式中K为波尔兹曼常数，q为电子电量。对
26、于AD590，n8，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1A的电流输出。温度检测电路如图3-5所示。图3-5 温度检测电路图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0.22F 。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
27、动调零电容如果应用在200mv满刻度的场合是使用0.47F，而2V满刻度是0.047F，而本硬件电路显示最大值为“-199”约等于200mv满刻度，所以选用0.47F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100A，而缓冲器与积分器能够供给20A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。其积分电路如图3-6所示。图3-6 积分电路原理图3.5 零点校准电路的设计零点校准电路由A/D转换器ICL7107的30和31引脚外接0.01F电容、10K电位器、12K、10K电阻组成。温度表在使用前要进行温度校准，校
28、准采用比较法。校准的过程是这样的：电路连接好后，将温度传感器和标准温度计放入冰水混合物中。等待一段时间，当数码管显示值稳定后微调电位器RP1，使温控表读数为“00.0”。然后将温度传感器移出，等待一段时间，重新插入冰水混合物中，这样反复进行几次，校准就完成了。经过校准后，温度测量更加准确，系统性能稳定。其电路如图3-7所示。图3-7 零点校准电路图3.6 沸点校准电路的设计沸点校准电路由A/D转换器ICL7107的32、35和36脚外接10K电位器、10K电阻组成。沸点校准电路的设计同零点校准电路类似，在使用前同样要进行沸点温度校准，校准同样采用比较法。校准的过程如下：电路连接好后，将温度传感
29、器和标准温度计放入100沸水中。等待一段时间，当数码管显示值稳定后微调电位器RP2，使温控表读数为“100.0”。然后将温度传感器移出，等待一段时间，重新插入100沸水中，这样反复进行几次，校准就完成了。经过校准后，温度测量更加准确，系统性能稳定。其电路如图3-8所示。图3-8 沸点校准电路图第4章 整机电路的工作原理4.1 整机电路图图4-1 整机电路原理图4.2 整机电路工作原理整机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、沸点校准电路、时钟振荡电路、负5V供电电路等十一部分组成。利用集成温度传感器AD590内部半导
30、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，激励电压在+4V+30V之间，所以整机电路的电源采用四节干电池供电，电压为6V，测温范围为-55+150，标准输出为1A/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) 1A/K （4-2）因此，输出电流为1A/，即温度每变化1，输出电流变化1A。由于在电路中串上了一个分压电阻，当温度变化时，
31、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。与此同时，ICL7107的阻容振荡电路产生的振荡信号送给74LS04进行两个非门的整形，然后利用二极管的单向导电性与电容的充放电原理，产生-5V电压供给ICL7107的负电源输入端，使之能够正常工作，而正电压则由电池供给。经过以上调试，若电路不能正常工作，则进行以下调试：将37脚的TEST端与l脚短接，表头应显示-1888，这时可检查显示是否缺笔画。如
32、有，大多是引脚、连线虚焊；将与短接，表头应显示为“0000”，若不为零，则应检查自动校零电容C2和参考电容C3是否漏电；将3l脚与36脚短接，表头读数应为1000，若有偏差，调电位器RP，若仍然不行，则多半是RP、积分电容损坏；将32脚与26脚短接，表头的最高位应显示“-l”，其它位均不亮，否则，应检查电源或换芯片；将芯片ICL7107正确的插入插槽，用温度计测出此时的室温，给电路板接通+5V电源，然后调节滑动变阻器使数码管显示到当前温度。 附录2元件清单序 号元件名称规格（型号）代 号数 量1A/D转换器ICL7107ICL710712反相器74LS0474LS0413电阻300R1R454电阻2KR1015电阻10KR7、R826电阻12KR617电阻47KR1218电阻100KR1129电位器10KRP1、RP2210瓷片电容100pFC4111独石电容0.22FC1112独石电容0.47FC2213瓷片电容0.01FC7114电解电容4.7FC5、C6215温度传感器AD590AD590116八段数码管共阳DYP1DYP4417二极管IN4148D1、D2218电池盒1195#电池华太VCC4