数字温度计的设计

1.1设计任务 1.1设计任务
(1)基本测温范围0~100℃； (2)精度误差小于1℃； (2)LED 数码直读显示温度大小
1.2总体方案 1.2总体方案 1.2.1拟定系统方案框图 1.2.1拟定系统方案框图 方案一
本方案采用AD590单片集成两段式敢问电流源温度传感器对温度进 行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位 A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时, 还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。系统方框如图1.1所 LED , 1.1 示：
温度t对应输出电流Io 为： B Io(t)=273µA + t×1µA/℃ （公式 1） 式中: 273µA为摄氏零度时输出的电流值； t为测得的摄氏温度。 在室温25℃ 时,输出电流： Io(25)=(273+25)=298 µA
AD590构成的电压输出电路如图2.2所示： AD590构成的电压输出电路如图2.2所示：
ICL7 107 的工 作原 理
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接 A/D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。838电子 它的原理性框图如图2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 信一号。时钟信号源的标准周期Tc 作为 测量时间间隔的标准时间。它是由内部 的两个反向器以及外部的RC组成的。其 振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC 。
ICL7107的A/D转换及数字显示图的部分电 的 转换及数字显示图的部分电 路原理如图
ICL7107的特点： （1）保持零电平输入时，各 量程的读值均为零； （2）1pA典型输入电流； （3）很低的噪声（小于 15Vp-p）； （4）片上自带时钟； （5）低功耗； （6）需外接有源电路。 （7）真正的差动输入和差动 参考电源，直接LCD显示驱 动。
数字温度计的设计
院 系 电子工程学院 专业 移 动 通 信 技 术 学 号 0920040226 学生姓名 吴 泰 指导教师 王 芳 莉
选题性质： Baidu Nhomakorabea计□报告□其他
摘要
温度作为一个常用的物理量在我们的气场生活中起着十分重要的作用。随着现代 工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温 度。在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从 事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、 医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对 于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展 本应用系统设计的目的是通过在“数字电路”课堂上学习的知识，以及查阅资料， 培养一种自学的能力。并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活 当中。在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分 析问题的方法解决困难，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充 分发挥教学与实践的结合。 关键字： 关键字：温度计、字电路、模数转换
双积分型A/D转换器的电压波形图
CL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚 转换器的管脚排列及其各管脚 功能
ICL7107引脚功能：
V＋和V-分别为电源的正极和负极（或地） au-gu,aT-gT,aH-gH：分别为个位、十位、百位笔画的驱动 信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。 Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画 电极。 PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。 Oscl-OSc3 ：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下列公 式来决定： Fosl = 0.45/RC COM ：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 ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共 地，故也称“逻辑地”或“数字地”。
绪 论
设计一个温度数字温度计基本测温范围0~100℃；精度误差小于1℃；LED 数码 直读显示温度大小。设计采用AD590、A/D转换器和数码管；它包括积分器、比 较器、计数器的运用；控制逻辑和时钟信号通过温度传感器AD590采集到温度信 号，经过放大电路送A/D转换器，然后直接驱动数码管显示温度。信号采集电路 和A/D转换电路比较重要，要对电路中各个元件数值进行精确的计算。当前的发 展趋势是不断的采用先进技术，以测量更大范围、更准确、更方便的的温度计不 断更新。 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。 本篇设计正是基于这种要求，而进行简单实用的温度计的设计，关于该系统的具 体分析和设计将在论文中做详细的讨论。
温度采集 （AD590） 电压放大 A/D转换
LD显示器
数码管驱动 （译码器）
方案二：
使用数字传感器采集温度信号，然后将被测温度变化 的电压或电流采集过来放大适当的倍数，进行A/D转 换后，将转换后的数字进行编码，然后再经过译码器 通过七段数字显示器将被测温度显示出来如图1.2所 示。
数字式温 信号处理 A/D转换
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。 钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输 出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动 调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE） 三个阶段。
电路具有偏置和增益调节装置功能，为了改善输出电压的性能, 电路中采用 了电压跟随器。由于AD590输出的是绝对温度而实际显示的是摄氏温度, 设 计差动放大电路(U1,U2为输入),调整电位器使U1=2.73 V,则图2.2输出电压 值Uo与温度传感器测得的摄氏温度呈线性关系, 计算公式为： U0100kΩ/10KΩ（U2-U1）-tv/10 （公式 2） 对于25℃的室温,Uo=2.5V。
七段数字显示
译码器 （74HC
编码器
1.2.2方案的分析和比较
方案一中的模数转换器ICL7107集A/D转换和译码器于一 体，可以直接驱动数码管，不仅省去了译码器的接线，使 电路精简了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要 很少的外部元件就可以精确测量0到200mv电压， AD590可以将温度线性转换成电压输出。而方案二经过 A/D转换后，需要先经过编码器再经过译码器才能将数字 显示出来。 比较上述两个方案，方案一明显优越于方案二，它用 AD590采集温度信号，用ICL7107驱动数码管直接实现 数字信号的显示，实现数字温度计的设计；省去了另加编 码器和译码器的设计，所以线路更简单、直观； 即采用 方案一。
2.2 温度信号处理放大电路
OP－07芯片是一种低噪声，非暂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。OP-07同时具有输入偏置电流（OP07A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更用于高增益的测量设备和放大传感器的 微弱信号。 OP－07具有以下参数： (1)低输入偏置电流： 1.8nA (2)低失调电压漂移： 0.5µV/℃ 引脚图如图2.3所示：
• VREF＋ VREF- ：基准电压正负端。 • CREF：外接基准电容端。 • INT：27是一个积分电容器，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 • IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。 • AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。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：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电 流( idling current )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Rint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。
2.4 数码管显示
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2.9所示。
a b c d e f g SP G
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 接电阻，以免烧坏芯片和数码管
第二章
单元电路的设计
通过AD590对温度进行采集，通过温度与电压近乎 线性关系，以此来确定输出电压和相应的电流，不 同的温度对应不同的电压值，故我们可以通过电压 电流值经过放大进入到A/D转换器和译码器，再由 数码管表示出来。
2.1传感电路 传感电路
AD590是半导体结效应式温度传感器，PN结正向压降的温度系数为2mV/℃ , 利用硅热敏晶体管PN结的温度敏感特性测量温度的变化测 量温度,其测量温度范围为-50～150。AD590输出电流值(µA级)等于 绝对温度(开尔文)的度数。使用时一般需要将电流值转换为电压值, 如 图2.1图中,Ucc为激励电压, 取值为4～40 V;输出电流I0以绝对温度 零度-273℃为基准, 温度每升高1℃ ,电流值增加1µA。 -273 , 1 , 1µA
OP-07芯片引脚功能说明： 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+。 OP-07高精度运算放大器具 有极低的输入失调电压，极 低的失调电压温漂，非常低 的输入噪声电压幅度及长期 稳定等特点。 由AD590和OP-07组成的信 号采集电路如图2.4所示：
由输出短路法及输入求和方式可判断该电路是电压并联负反馈放大电 路。因此可知If=-Vi/Rf，反馈系数F=If/Vo，所以F=-1/R3 A=Vo/Ii，放大倍数AF=A/（1+AF）。
2.3 A/D转换电路 转换电路
ICL7107是一种高性能、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。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 10uV 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。