一種基于Proteus的數(shù)字溫度計(jì)

冷俊男 陳毅豪

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

1 設(shè)計(jì)方案

溫度是非電量模擬信號(hào)，數(shù)字顯示溫度就必須將這一非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量(電壓或電流)，然后將模擬電信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)譯碼顯示器顯示溫度值。本設(shè)計(jì)擬實(shí)現(xiàn)-30℃～100℃的常用溫度顯示范圍內(nèi)顯示溫度，將該數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)電路分為了3個(gè)子電路：溫度采集電路、精密放大電路、A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示電路，方案流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字溫度計(jì)方案流程圖

2 工作過程

由圖1可得知本溫度計(jì)的大致工作過程：

在溫度采集電路中，LM35溫度傳感器共有3個(gè)引腳，除了VCC與GND以外，還有一個(gè)輸出電壓引腳，接7107芯片的模擬信號(hào)輸入端。LM35有單電源模式與正負(fù)雙電源模式，為了接線方便，本設(shè)計(jì)采用單電源供電，工作電壓較寬，可在4～20V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作，非常省電。電路中采用5V電源，已足以完成溫度采集。溫度采集電路的Proteus設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 溫度采集電路圖

由于LM35的輸出電壓變化的是比較微弱的信號(hào)，7107比較器的工模抑制能力很強(qiáng)，需要對(duì)得到的電壓變化信號(hào)進(jìn)行放大。精密放大功能是TC7107中自帶的比較器實(shí)現(xiàn)的，雖然INA儀表放大器(精密低噪聲信號(hào)采集儀表放大器)、UA741放大器(高增益放大器)也是常用的放大器，但以上兩者都在AD轉(zhuǎn)換器以外單獨(dú)接了至少一個(gè)運(yùn)算放大器，會(huì)使得外部電路復(fù)雜，給電路分析帶來(lái)不便，并且在批量生產(chǎn)時(shí)明顯提高成本。

TC7107是高性能、低功耗的三位半AD轉(zhuǎn)換器，同時(shí)包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)，集AD轉(zhuǎn)換功能、譯碼功能于一體，由此TC7107可直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED數(shù)碼管。省去了譯碼器接線，使得電路更為簡(jiǎn)化。總的來(lái)說，TC7107與外圍電路共同完成了AD轉(zhuǎn)換電路、譯碼電路與驅(qū)動(dòng)電路3種功能電路。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示電路框圖

A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示電路工作流程則如圖2所示。由上述分析，可以畫出基于Proteus的數(shù)字溫度計(jì)的電路圖如圖3所示(以50℃仿真結(jié)果為例)。

圖4 50°下的仿真結(jié)果展示

3 目前存在的問題

(1)如果不改動(dòng)電源支路滑動(dòng)變阻器阻值，誤差會(huì)逐漸積累，假設(shè)其阻值仍是保證5℃精確讀數(shù)的阻值不變，則100℃時(shí)數(shù)字溫度計(jì)示數(shù)如圖4所示。

圖5 100℃下的仿真結(jié)果展示

可以看出誤差有1.1℃之多，究其原因：本設(shè)計(jì)需要保證滿量程讀數(shù)，由7107芯片的特性可知：參考電壓需要嚴(yán)格保證為滿量程電壓(2V)的一半，即為1V，因此需要不斷調(diào)整電源支路的滑動(dòng)變阻器總的阻值，保證輸入?yún)⒖茧妷号c1V相差無(wú)幾，才可以保證精準(zhǔn)讀數(shù)，不會(huì)因?yàn)樵O(shè)定溫度的改變而影響溫度計(jì)的精確性。

(2)當(dāng)電壓為負(fù)時(shí)，誤差極大，示數(shù)幾乎為實(shí)際溫度的1/10，若不采取任何措施，-30℃時(shí)的溫度計(jì)示數(shù)如圖5所示。

圖6 -30℃下的仿真結(jié)果展示

查閱相關(guān)資料之后可以了解到：由于LM35溫度傳感器的特性，當(dāng)輸出電壓為負(fù)時(shí)，電壓壓差會(huì)變得極小，在LM35輸出端加一個(gè)下拉電阻以及負(fù)電源增大壓差即可。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用LM35溫度傳感器，7107A/D轉(zhuǎn)換芯片，八段共陽(yáng)數(shù)碼管，完成了數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)的搭建，并對(duì)數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，焊接硬件電路并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的溫度計(jì)系統(tǒng)(電路)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。首次的設(shè)計(jì)存在有不足，在溫度較高(接近100℃)的時(shí)候，誤差較大(接近1℃)，且當(dāng)顯示度數(shù)為負(fù)的時(shí)候，讀數(shù)不夠準(zhǔn)確。在深究其原理之后，采取了相應(yīng)措施，保證了讀數(shù)的準(zhǔn)確性。