簡易溫度測試儀的設計與實現(xiàn)

李良

【摘 要】溫度傳感器的應用范圍很廣，它不僅廣泛應用于日常生活中，而且也大量應用于自動化和過程檢測控制系統(tǒng)。在日常生活、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、通信設備維護、和科研工作中很多時候需要對溫度進行測量和控制，數(shù)字式溫度測量儀器是采用數(shù)碼管直接顯示被測溫度值，這種數(shù)字顯示不僅直觀、測量精度高而且便于控制。

【關鍵詞】溫度傳感器AD590 MC14433 CD4511

1 引言

溫度測量方法很多，有水銀溫度計測溫、熱敏電阻測溫、輻射式測溫、鉑電阻測溫以及熱電偶測溫等。隨著測溫精度及溫度范圍的不同，可選用不同的測溫方式，對于精度要求高及溫度范圍寬的測溫，通常選用鉑電阻測溫方式或熱電偶測溫方式，這也是工程上被廣泛應用的測溫及控溫方法。本次設計的溫度測量范圍為0℃到50℃。在此電路里運用了溫度傳感器、運算放大器、A/D轉換器和數(shù)碼顯示器等部件。在進行溫度測量時把溫度信號通過傳感器轉換成電信號，該電信號經(jīng)過適當處理后經(jīng)過模數(shù)轉換器把模擬量轉換成數(shù)字量，再用數(shù)碼顯示管顯示被測溫度值。

1.1 總體設計

數(shù)字式測溫電路應具有下列基本功能：

①把溫度量轉換為成比例的模擬電信號（電壓）。

②把模擬電信號變換成數(shù)字電信號。

③最后通過數(shù)字電路直接顯示溫度值。

根據(jù)上述功能數(shù)字式測溫電路主要包括：溫度檢測、數(shù)模轉換和計數(shù)、譯碼、顯示三大部分。

1.2 設計方案

①溫度采集及放大：這部分電路關鍵是確定溫度傳感器，常用的傳感器有熱電偶、鉑電阻、半導體熱敏電阻等。今年來集成溫度傳感器已被廣泛采用。它的主要優(yōu)點是測溫精度高、線形優(yōu)良、使用方便適于遠距離傳送，不足之處是它的適用溫度范圍不是很寬。

②模擬數(shù)字轉換器：本設計選擇集成A/D轉換器實現(xiàn)模數(shù)轉換，該方法的優(yōu)點是電路簡單、成本較低、特別是抗干擾能力強。它尤其適于在轉換速度不高又需要遠距離信號傳輸?shù)膱龊稀?/p>

③計數(shù)、譯碼和顯示電路：數(shù)字部分完成計數(shù)和譯碼電路功能，

2 設計原理

采用的熱敏電阻器AD590作為熱敏電阻，故通過與固定電阻器串聯(lián)或并聯(lián)再改變電阻值來調(diào)整電路的輸出電壓，并且通過在電路中增加簡單的運算放大器穩(wěn)定輸出電壓，從輸出電壓直接讀出溫度數(shù)值，如0V對應0.00℃，0.10V對應10.0℃，0.50V對應50.0℃。

模數(shù)轉換部分用A/D轉換器MC14433實現(xiàn)。MC14433是一種集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路的芯片。MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計等各類數(shù)字化儀表及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉換接口。MC14433組成的數(shù)字電壓表是雙積分類型的數(shù)字電壓表，被測電壓Vin與參考電壓Vref之間有著嚴格的比例關系，如下：輸出讀數(shù)=（Vin/Vref）×1999。

根據(jù)這個關系，Vref應設定為2000mV，使被測定電壓和標準成對應關系。本設計就是根據(jù)這個關系，把被測的溫度經(jīng)過傳感器和放大器送給MC14433進行轉換，最后用數(shù)字顯示讀數(shù)。利用Vin與Vref的比例關系來設計電路，可以大大簡化放大器的設計和調(diào)試工作。譯碼顯示電路此部分主要有譯碼驅動器CD4511、74LS04、三個LED數(shù)碼顯示管組成。

本文所述的電子溫度檢測顯示器采用常用元件，具有電路簡單、成本低廉、精確度較高、測量范圍適當?shù)葍?yōu)點，而且溫度值通過數(shù)碼管直接顯示，非常直觀。

該電子溫度檢測顯示器的性能指標如下：

（1）測溫范圍：0℃～50℃（實際可測量并顯示的范圍更大）；

（2）測量誤差：≤±1℃。

3 制作器件介紹

3.1 溫度傳感器

AD590是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較強的抗干擾能力，適用于計算機遠距離溫度測量和控制.遠距離信號傳遞時，可采用一般的雙絞線來完成。其電阻比較大，因此不需要精密電源對其供電，長導線上壓降一般不影響測量精度。不需要溫度補償和專門的線性電路。由于以上獨特優(yōu)點，AD590在溫度測控領域中得到廣泛的應用。AD590是利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器，它會將溫度轉換為電流。該器件具有線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無需補償、熱容量小、抗干擾能力強、可遠距離測溫且使用方便等優(yōu)點。可廣泛應用于各種冰箱、空調(diào)器、冰庫、工業(yè)儀器配套和各種溫度的測量和控制等領域。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化，通過對 電流的測量可得到所需要的溫度值。AD590的主特性參數(shù)規(guī)格如下：

溫度每增加1℃，它會增加1μА 輸出電流；

工作電壓：4～30V；

工作溫度：-55～+150℃；

保存溫度：-65～+175℃；

靈敏度：1μA/K。

3.2 A/D轉換器

MC14433 是單片3（1/2）位A/D轉換器，其中集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要特性如下：精度：讀數(shù)的±0.05%±1字；轉換速率： A/D轉換速率：4～10次/秒輸入阻抗：大于1000MΩ；模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔；電源電壓：±4.8V—±8V，通常采用VDD=+5V，VEE=-5V；功耗：8mW（±5V電源電壓時，典型值）。

輸出形式：輸出四位BCD碼，可實現(xiàn)LED的動態(tài)掃描。有三位半十進制計數(shù)器——用來計數(shù)0～1999，并有過量程標志輸出。MC14433采用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼分別在Q0—Q3輪流輸出，同時在DS1—DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現(xiàn)LED的動態(tài)顯示。MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計等各類數(shù)字化儀

表及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉換接口。

3.3 譯碼驅動器

CD4511？是鎖存/7段譯碼/驅動器 ，應用特點：具有燈測試，消隱和鎖存控制功能。能提供較大的電流，可直接驅動LED顯示器。多用于驅動共陰極LED數(shù)碼管顯示（有時也用做 3-8線譯碼，類似74LS138 ）。

由于A/D轉換器MC14433的輸出為BCD碼，所以選用CD4511四線-七段鎖存譯碼器/驅動器作為譯碼驅動芯片。CD4511式BCD-7段鎖存譯碼驅動器是在同一單片結構上由CMOS邏輯器件和NPN雙極型晶體管構成。這些器件的組合，是由于CD4511具有底靜態(tài)耗散和高抗干擾及電源電流高達25mA的性能。由此可直接驅動小尺寸LED及其他器件。它有LT、BI、LE三個輸入斷分別檢測顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲或選通-BCD碼等功能。當使用外部多路轉換電路時，可多路轉換和顯示幾種不同的信號。

其主要特性如下：輸入電壓范圍：3V～15V；輸入電壓極限值：-0.5V～18V；

輸入電流：±10mA；工作溫度范圍：-55℃～185℃；輸出高電平電壓：4.0V；輸出低電平電壓：0.05V。

3.4 反相器

CD4511芯片只能驅動共陰極數(shù)碼管，而CD4511輸出的為高電平選通信號，所以需要在CD4511與顯示電路之間加反相環(huán)節(jié)，該反相功能采用74LS04來實現(xiàn)。74LS04是采用雙極型工藝制造的集成六反相器。

4 設計實現(xiàn)

4.1 測溫電路的設計

在設計測溫電路時，首先應將溫度顯示變換成電壓的形式。由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1℃，電流就增加1μA。當AD590的電流通過一個10kΩ的電阻時，這個電阻上的壓降為10mV，AD590輸出電流是以絕對溫度（-273℃）為基準，因此在室溫25℃時，其輸出電流Iout=（273+25）=298μА。

該部分電路功能上主要將溫度傳感器轉換的電信號進行處理，即放大微弱電壓電流或電荷信號、提高輸入阻抗、隔離等。放大電路的結構形式是由傳感器的類型來決定的。在設計測溫電路時，首先應將溫度的顯示變換成電壓形式。由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1℃，電流就增加1μA。

4.2 A/D轉換和顯示電路的設計用A/D轉換器MC14433實現(xiàn)

A/D轉換：由傳感器輸出的信號為模擬信號，要想顯示出來就必須將模擬信號轉化為數(shù)字信號。模擬信號數(shù)字化包括采樣、編碼、量化三個階段。在電路中用A/D轉換器來實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉換。A/D轉換器分為直接型和間接型，直接型又稱比較型，它將模擬輸入電壓與基準電壓比較后直接得到輸出，此類A/D轉換器主要有逐次逼近式和并行式A/D轉換器。間接型又稱積分型，它先將模擬電壓轉換成時間間隔或頻率信號，然后再把時間或頻率信號轉換為數(shù)字量輸出，此類A/D轉換器主要有雙積分式。本次設計采用的A/D轉換器為MC14433。MC14433采用雙積分原理實現(xiàn)A/D轉換，是CMOS大規(guī)模集成電路，它具有功耗低、精度高、使用簡便等優(yōu)點，它的輸出形式為BCD碼，可以實現(xiàn)LED的動態(tài)掃描顯示。

首先將AD590的輸出溫度顯示變換成電壓形式輸出，由于此信號為模擬信號，因此，要進行數(shù)碼顯示，還需將此信號轉換成數(shù)字信號。采用MC14433的轉換電路參考整體電路圖9所示。此電路的作用是通過A/D轉換器MC14433將模擬信號轉換成數(shù)字信號，以控制顯示電路。其中CD4511為譯碼/鎖存/驅動電路，它的輸入為BCD碼，輸出為七段譯碼。LED數(shù)碼顯示由CD4511的位選信號DS1～DS4通過反向器與非門74LS04來驅動。

4.3 譯碼顯示電路

CD4511芯片只能驅動共陰極數(shù)碼管，而CD4511輸出的為高電平選通信號，所以需要在CD4511與顯示電路之間加反相環(huán)節(jié)，需要連接反相器74LS04。

溫度測量部分總體電路如圖1，通過實驗箱提供準確的2V的參考電壓，芯片MC14433的脈沖由外接的阻容元件由R1、C1及失調(diào)補償電容C2來提供，MC14433的-5V電壓也由實驗箱連接。為顯示十位的小數(shù)點，將數(shù)碼管的DP引腳串聯(lián)一限流電阻后與+5V電源相連，這樣就可以保證當MC14433發(fā)出選通信號，選通數(shù)碼管（十位）顯示時小數(shù)點也同時亮起。

5 結語

溫度傳感器的應用范圍很廣，它不僅廣泛應用于日常生活中，而且也大量應用于自動化和過程檢測控制系統(tǒng)。在通信、工業(yè)生產(chǎn)、氣象、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度進行測量及控制。目前，溫度測量領域的新技術不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品也層出不窮。主要表現(xiàn)在以下兩方面：（1）溫度傳感器正從分立元件向集成化、智能化、系統(tǒng)化的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件；（2）在溫度測量系統(tǒng)中普遍采用線性化處理、自動溫度補償和自動校準濕度等項新技術。

溫度傳感器的種類很多，根據(jù)現(xiàn)場使用條件，本設計選擇恰當?shù)膫鞲衅黝愋捅ＷC了測量的準確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。

參考文獻：

[1]鄭家龍，王小海，章安元.集成電子技術基礎教程.高等教育出版社.

[2]梁宗善主編.新型集成電路的應用—電子技術基礎課程設計.華中理工大學出版社.

[3]沈肆昌主編.數(shù)字設計引論.高等教育出版社.