数字温度仪 - 副本 (2)

1、大连民族学院电子目录1.作品简介22. 方案设计22.1 方案论证22.1.1 温度检测单元22.1.2 温度差检测单元32.1.3 A/D转换和数字显示单元的设计32.2 理论分析和计算32.2.1 温度传感器AD59032.2.2 A/D转换器MC14433工作原理72.2.3 CD4511工作原理92.2.4 CD4511工作原理103. 系统实现113.1 系统框图113.2 电路设计113.2.1 温度测量单元113.2.2 温度差检测单元123.2.3 A/D转换及显示单元134. 作品性能调试与测试分析144.1 作品调试方法144.2 作品测试性能数据144.3 测量数据分析1

2、55. 总结体会与展望15参考文献15附录15附录1元器件清单15附录2作品实物照片161. 作品简介该数字温度仪主要采用模拟电子电路实现。系统中采用线性度较好的温度传感器AD590进行温度检测，能将所测的环境温度进行定时巡回数字显示。本巡检仪可应用于需要对温度实时监控的环境，如广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。具有实际的应用价值。2. 方案设计2.1方案论证2.1.1温度检测单元方案一：采用热敏电阻或者热电偶作为温度检测元件。热敏电阻精度较高，但需要标准的电阻匹配才能使用。热电偶价格便宜，但精度低，需热端补偿，两者应用时的外围电路复杂，调试麻烦

3、。方案二：使用一线式温度传感器，但是该传感器的使用是与单片机紧密联合一起的，对于纯模拟电子电路，不适合使用。方案三：采用AD590作为温度传感器，它作为电流型集成温度传感器，在一定的温度范围内，它相当于一个恒流源，不易受到接触、引线电阻、噪声的干扰，能实现较远的距离的传输，并且它的线性特性十分优秀，因此采用方案三进行电路设计。2.1.2温度差检测单元用运放OPA2340构成减法电路RRVI1 VOVI2 R R OPA2340 R2.1.3 A/D转换和数字显示单元的设计方案一:使用集成数字表头。数字表ICL7107是广泛使用的集成电路芯片，它包括3位半数字A/D转换芯片，可直接驱动数码管。具

4、有自动调零、量程设置等功能。方案二:用A/D转换器MC14433实现。首先将AD590的输出电流转换成电压，然后通过A/D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号，进行译码和LED显示数值。能满足系统显示要求。本设计采用方案二。部件构成：1.三位半A/D转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。2.基准电压（MC1403）：提供精密电压，供A/D转换器做参考电压。3.译码器（MC4511）：将二十进制（BCD）码转换成七段信号。4.驱动器（MC1413）：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。5.显示器：将译码输出的七段信号进行

5、数字显示，读出A/D转换结果。2.2理论分析和计算2.2.1温度传感器AD590(1)AD590功能及特性AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I,J,K,L,M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图（1）所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V+；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图（2）所示。图(1)AD590的外形电路 图(2) 集成温度传感器电路符号AD590的主特性参数如下：工作电压：430V；工作温度：-55+150；保存温度：-65+175；

6、正向电压：+44V；反向电压：-20V；焊接温度（10秒）：300；灵敏度：1uA/K。(2)AD590工作原理在被测温度一定时，AD590 相当于一个恒流源，把它和530V直流电源相连，并在输出端串接一个1K的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。其基本电路如图(3)所示。图(3)感温部分的核心电路图(3)是利用Ube特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T

7、4的n倍。T3和T4的发射结电压Ube3和Ube4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为Ube。因此，电流I1为：I1=Ube/R=(KT/q)(Inn)/R。对于AD590，n=8，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)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1uA/K的I值。图(4) AD590的内部电路图（4）所示是AD590的内部电路，图中的T1T4相当于图（3）中的T1、T2，而T9、T11相当于图（3

8、）中的T3、T4。R5、R6 是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8、T10 为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12 和T10 为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1、R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9、T10、T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1/3。T9和T11 的发射结面积比为8：1，T10 和T11 的发射结面积相等。T9和T11 的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5

9、和R6上，此时可以写出：Ube=(R6-2R5)I/3。R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2/3。根据上式不难看出，要想改变Ube，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使Ube减小，不过，改变R5对Ube的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250之下使总电流I达到1uA/K。2.2.2 A/D转换器MC14433工作原理MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式AD转换器。和其它典型的双积分A/D转换器

10、类似，MC14433AD转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0)就能执行三位半的AD转换。MC14433内部模拟电路实现了如下功能：（1）提高AD 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00M以上；（2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成VT 转换即电压时间的转换；（3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作内部数字控制电路

11、的一个判别信号；（4）与外接电容器C0构成自动调零电路。除“模拟电路”以外，MC14433 内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数(01999)，并锁存于三位半十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号(DU)作用下，实现AD转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1DS4实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。MC14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考右图的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：(1) 端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VR

12、EF的参考点地。(2) 端：RREF，外接基准电压输入端。(3) 端：UX，是被测电压输入端。(4) 端：RI，外接积分电阻端。(5) 端：RICI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容C0取0.1F。(9) 端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和EOC 短接，则每次转换的结果都将被输出

13、。(10) 端：CPI (CLKI)，时钟信号输入端。(11) 端：CPO (CLKO)，时钟信号输出端。(12) 端：VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。(13) 端：VSS 负电源端(14) 端：EOC，转换周期结束标志输出端，每一AD转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的12。(15) 端：OR ，过量程标志输出端，当|UX|>VREF 时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。(16)(19) 端：对应为DS4DS1，分别是多路调制选通脉冲信

14、号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。Q3 输出的BCD 代码是该对应位上的数据。(20)（23）端：对应为Q0-Q3，分别是AD 转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：VDD，整个电路的正电源端。2.2.3 CD4511工作原理CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。(1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下

15、起锁存数据的作用。当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE 端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端： LT (LAMP TEST)灯测试端。当LT = 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。 BI (BLANKING)消隐端。当BI = 0时，控制译码器为全0

16、输出，发光数码管各段熄灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3) 驱动器：利用内部设置的NPN 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配见右图，真值表参见下图。使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。2.2.4MC1403工作原理MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关该电路的特点是： 温度系数小； 噪

17、声小； 输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从+45V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；输出电压值准确度较高，y。值在2.475V2.525V 以内； 压差小，适用于低压电源； 负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。MC1403用8条引线双列直插标准封装，如右图所示。3. 系统实现3.1系统框图系统框图:减法电路求电压差值，将绝对温度转化为摄氏温度通过CD4511译码/锁存/驱动，数码管显示AD590温度检测通过A/D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号由OPA2340将电流信号转换成电压信号图(5)系统框图系统框图见图(6)。温度检测的电路用电流型的AD590温度传

18、感器，使用TI公司的精密低温漂运算放大器OPA2340将电流信号转换为电压信号。该方案大致分为五个模块，分别为基准电压模块；A/D转换模块；字形译码驱动模块；显示电路模块；字位驱动模块。3.2电路设计3.2.1温度测量单元在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1uA。当AD590的电流通过一个10K的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV/K，为了使此电阻精确（0.1），可用一个9.6K的电阻与一个1K电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10K。图(6)所示是一个电流/ 电压和绝对/ 摄氏温标的转换电路，其中运

19、算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1.235V），然后将此电压放大到2.73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。图（6） 电流/电压及绝对/摄氏温标转换电路将AD590放入0的冰水混合溶液中，A1 同相输入端的电压应为2.73V，同样使A2的输出电压也为2.73V，因此A1与A2 两输出端之间的电压：2.73-2.73=0V即对应于0。3.2.2温度差检测单元如图2.1.2所示3.2.3 A/D转换及显示单元用A/D转换器MC14433实现首先将AD590的输出电流转换成电压，由于此信号为模拟信号，因此，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。采用MC14433的转换电路如图(7)所示。此电路的作用是通过A/D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号，以控制显示电路。其中CD4511为译码/锁存/驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段译码。LED数码显示由MC14433的位选信号DS1DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“+”、“-”温度的显示。当D