电子温度计的设计与制作

1、摘 要 数字温度计是一种利用数字显示温度的装置，与传统的水银温度计相比， 它具有测温准确，显示直观等优点，因而得到了广泛的应用。 本文介绍了一种采用 ICL7107 三位半 A/D 转换器和集成温度传感器 AD590 的数字温度计的设计与制作，并对其方案选择,设计思路，以及功能和 工作原理进行了详细的分析和论述。经过实践验收测试，该温度计具有电路简 单、读数方便、测温准确、精度高、测量范围广、低能耗等优点，设计方案正 确可行，各项指标稳定可靠。 关键词：关键词：数字温度计；AD590；ICL7107 Abstract Digital thermometer is a device with d

2、igital display of temperature, compared with the conventional mercury thermometer, it has a temperature measurement accuracy, visual display, etc., which have been widely used. This paper presents a three and a half using ICL7107 A/D converter, and integrated temperature sensor AD590 digital thermom

3、eter design and production, and the program selection, design ideas, and the functions and working principle of a detailed analysis and discussion. After practice, acceptance testing, the thermometer has a simple circuit, easy reading, accurate temperature measurement, high precision, wide measureme

4、nt range, low power, etc., design is correct and feasible, stable and reliable indicators. Keywords：Digital thermometer; AD590; ICL7107 目 录 摘 要.I Abstract.II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 课题的目的和意义.1 1.3 课题的技术要求.2 第 2 章 系统设计与方案论证.3 2.1 系统主体设计方案.3 2.2 系统硬件电路的设计方案.4 本章小结.4 第 3 章 系统单元电路的设计.6 3.1 显示电路的设计.6 3

5、.1.1 数码管显示原理.6 3.1.2 三位半数显表工作原理.6 3.2 A/D 转换电路的设计.7 3.2.1 ICL7107 的特点与引脚功能.7 3.2.2 ICL7107 的工作原理.9 3.3 测温电路的设计.10 3.3.1 温标的基本概念.10 3.3.2 温度传感器的比较与选择.10 3.3.3 确定选择方案.11 3.3.4 AD590 工作原理.11 3.4 积分电路的设计.13 3.5 零点校准电路的设计.14 3.6 沸点校准电路的设计.15 3.7 时钟振荡电路的设计.16 3.8 负 5V 供电电路的设计.17 本章小结.18 第 4 章 整机电路的工作原理.19

6、 4.1 整机电路图.19 4.2 整机电路工作原理.20 本章小结.20 第 5 章 系统的安装与调试.21 5.1 电路的安装.21 5.1.1 元件的检测.21 5.1.2 整机的布线原则.21 5.1.3 元件的组装.21 5.2 电路的调试.21 本章小结.22 结 论.23 致 谢.24 参考文献.25 附录 1 译文.26 附录 2 英文参考资料.30 附录 3 硬件实物图.35 附录 4 元件清单.36 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，

7、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

8、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

9、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

10、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，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

11、 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。

12、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合模数转换器转换 的电信号，再经过模

13、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

14、图 2-1 所示。 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 测 温 电 路 放 大 电 路 模数 转换 电路 驱 动 电 路 显 示 电 路 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

15、 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 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。 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，条理清晰，给后 符号位

16、显示十位显示个位显示小数位显示 三位半 A/D 转换器 ICL7107 时钟振荡 电路 负 5V 供电电路 沸点校 准电路 零点校 准电路 测温 电路 积分 电路 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

17、 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

18、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 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

19、 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-

20、1 为利用四个数码管组成的三位半数显表电路图。 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp R5 300 R1 300 R2 300 R3 300 R4 300 9 10 9 10 9 10 9 10 VCCVCCVCC

21、VCC 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 V 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，

22、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 V 能检查，ICL7107 引脚图如图 3-2 所示。 V+ 1 Du 2 Cu 3 Bu 4 Au 5 Fu 6 Gu 7 Eu 8 Dt 9 Ct 10 Bt 11 At 12 Ft 13 Et 14 Dh 15 Bh 16 Fh 17 Eh 18 ABK 19 RM 20 GND 21 Gh 22 Ah 23 Ch 2

23、4 Gt 25 V- 26 INT 27 BUF 28 AZ 29 IN- 30 IN+ 31 COM 32 Cref- 33 Cref+ 34 Vref- 35 Vref+ 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39 OSC1 40 ICL7107 图 3-2 ICL7107 引脚图 和分别接电源的正极和负极；、分别为 V V u A u G t A t G h A h G 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

24、 脚；为时钟振荡器的引 1 OSC 3 OSC 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） OSC F 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 Vref 为基准电压正负端；与为外接基准电容端；27 脚接积分 Vref Cref CrefINT 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； 和为模拟量输入端，分别接输入信

25、号的正端和负端；AZ 为积分器和比 IN IN 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 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

26、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。译码器为 BCD 七段译码器，将计数器的 BCD 码译成 LED

27、 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 。 图 3-3 ICL7107 工作原理图 图 3-3 ICL7107 工作原理图 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

28、用“温度”来表征，用来衡量物体温度的尺子称为 “温度标尺”，简称“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

29、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-55+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

30、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，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

31、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

32、。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

33、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

34、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 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。 RUn R V2 I2 V1 I1 V3 V4 输 出 I Es 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 BE U 、起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电

35、流和相等；、 1 V 2 V 1 I 2 I 3 V 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 4 V 3 V 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 4 V 3 V 4 V 3BE U 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 4BE U BE U 按式（3-2）计算： 1 I R（KTq） （lnn）R （3- 1 I BE U 2） 式中 K 为波尔兹曼常数，q 为电子电量。对于 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

36、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。 V+ 1 Du 2 Cu 3 Bu 4 Au 5 Fu 6 Gu 7 Eu 8 Dt 9 Ct 10 Bt 11 At 12 Ft 13 Et 14 Dh 15 Bh 16 Fh 17 Eh 18 ABK 19 RM 20 GND 21 Gh 22 Ah 23 Ch 24 Gt 25 V- 26 INT 27 BUF 28 AZ 29 IN- 30 IN+ 31 COM 32 Cr

37、ef- 33 Cref+ 34 Vref- 35 Vref+ 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39 OSC1 40 ICL7107 GND-5V R11 100K R10 2K VCC AD590 一 + C7 0.01 VCC 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，接自动调零电容如果应用在 200mv 满刻度的场合

38、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。 V+ 1 Du 2 Cu 3 Bu 4 Au 5 Fu 6 Gu 7 Eu 8 Dt 9 Ct 10 Bt 11 At 12 Ft 13 Et 14 Dh 15 Bh 16 Fh 17 E

39、h 18 ABK 19 RM 20 GND 21 Gh 22 Ah 23 Ch 24 Gt 25 V- 26 INT 27 BUF 28 AZ 29 IN- 30 IN+ 31 COM 32 Cref- 33 Cref+ 34 Vref- 35 Vref+ 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39 OSC1 40 ICL7107 -5V R12 47K C10.22 C20.47 GND VCC 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

40、阻组成。 温度表在使用前要进行温度校准，校准采用比较法。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。 V+ 1 Du 2 Cu 3 Bu 4 Au 5 Fu 6 Gu 7 Eu 8 Dt 9 Ct 10 Bt 11 At 12 Ft 13 Et 14 Dh 15 Bh 16 Fh 17 Eh 18 ABK 19

41、RM 20 GND 21 Gh 22 Ah 23 Ch 24 Gt 25 V- 26 INT 27 BUF 28 AZ 29 IN- 30 IN+ 31 COM 32 Cref- 33 Cref+ 34 Vref- 35 Vref+ 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39 OSC1 40 ICL7107 R6 12KRP110K R7 10K C3 0.01 VCC GND-5V 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

42、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。 V+ 1 Du 2 Cu 3 Bu 4 Au 5 Fu 6 Gu 7 Eu 8 Dt 9 Ct 10 Bt 11 At 12 Ft 13 Et 14 Dh 15 Bh 16 Fh 17 Eh 18 AB

43、K 19 RM 20 GND 21 Gh 22 Ah 23 Ch 24 Gt 25 V- 26 INT 27 BUF 28 AZ 29 IN- 30 IN+ 31 COM 32 Cref- 33 Cref+ 34 Vref- 35 Vref+ 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39 OSC1 40 ICL7107 R7 10KRP210K R8 10K VCC GND-5V 图 3-8 沸点校准电路图 3.7 时钟振荡电路的设计 时钟振荡电路由 ICL7107 的 38、39 脚外接电阻和电容共同构成 IC 内部振 荡器的 RC 电路。该电路的时钟频率为 48KHz，测量速率为

44、3 次/s。 1 OSC 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 3 OSC 第 40 脚电容量的选择是根据公式(3-1)来计算，一般 C4 取 100pF，由于双积分 型 A/D 转换器第一次积分阶段的时间为电网工频周期 20ms(50Hz)的整数倍时 具有无穷大的抑制串模干扰的能力。因此，输入脉冲的频率根据公式(3-3)计算： (1000Tosc)4=(20ms) N (3-3) 取 N=4，可求得 Tosc=0.02ms，故 fosc=48kHz，则采样速率根据公式(3-4)计算： SR=48kHz/(40004)=3 次/s (3-4) 根据公式(3-1)

45、可求出 R=93.75k，故 R9 电阻取近似值 100k。其电路如图 3- 9 所示。 V+ 1 Du 2 Cu 3 Bu 4 Au 5 Fu 6 Gu 7 Eu 8 Dt 9 Ct 10 Bt 11 At 12 Ft 13 Et 14 Dh 15 Bh 16 Fh 17 Eh 18 ABK 19 RM 20 GND 21 Gh 22 Ah 23 Ch 24 Gt 25 V- 26 INT 27 BUF 28 AZ 29 IN- 30 IN+ 31 COM 32 Cref- 33 Cref+ 34 Vref- 35 Vref+ 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39 OSC1

46、40 ICL7107 R9 100K C4 100P V CC 图 3-9 时钟振荡电路图 3.8 负 5V 供电电路的设计 负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供，但是这需要外 接电源，且本电路中采用四节干电池供电，电压过低难以实现。通常采用简单 方法，利用一个反向器就可以解决问题，这样电路简单，成本低。 本文介绍的方法是用 74L04 六反相器外接 4.7F 电容和 IN4148 二极管组 成，74LS04 六反相器 1 脚利用 A/D 转换器 ICL7107 的 38 脚时钟信号， 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

47、后利用二极管的单向导电特性与电容的充放电原理，产生负 5V 电压供给 ICL7107 的负电源输入端，使之能够正常工作，其电路如图 3-10 所示。 图 3-10 负 5V 供电电路原理图 本章小结 本章对各单元电路的原理和功能进行了详细的分析和论述,针对硬件设计 中出现的问题提出了解决的办法,并为后续整机电路的设计提供了理论依据， 实验证明本设计中各单元电路设计方案正确可行,各项指标稳定可靠。 A1 1 Y1 2 A2 3 Y2 4 A3 5 Y3 6 GND 7 Y4 8 A4 9 Y5 10 A5 11 Y6 12 A6 13 VCC 14 74LS04 VCC C5 4.7D1 IN4

48、148 D2 IN4148C6 4.7 -5V 第 4 章 整机电路的工作原理 4.1 整机电路图 V+ 1 Du 2 Cu 3 Bu 4 Au 5 Fu 6 Gu 7 Eu 8 Dt 9 Ct 10 Bt 11 At 12 Ft 13 Et 14 Dh 15 Bh 16 Fh 17 Eh 18 ABK 19 RM 20 GND 21 Gh 22 Ah 23 Ch 24 Gt 25 V- 26 INT 27 BUF 28 AZ 29 IN- 30 IN+ 31 COM 32 Cref- 33 Cref+ 34 Vref- 35 Vref+ 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39

49、OSC1 40 ICL7107 A1 1 Y1 2 A2 3 Y2 4 A3 5 Y3 6 GND 7 Y4 8 A4 9 Y5 10 A5 11 Y6 12 A6 13 VCC 14 7404 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 10 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 10 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 10 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6

50、 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 10 +| AD590 R5 300 GND VCC VCC -5V C10.22u C20.47u R1247K R6 12K R7 10k R8 10K R11 100K R10 2K C3 0.47u C4 100P R9 100K VCC C5 4.7u D1 IN4148 D2 IN4148 C6 4.7u -5V VCC R1 300 R2 300 R3 300 R4 300 VCCVCCVCCVCC Du Cu Bu Au Fu Gu Eu Dt Ct Bt At Ft Et Dh Bh Fh Eh ABK RM Gh Ah

51、Ch Gt ABK ABK RM Ah Bh Ch Dh Eh Fh Gh At Bt Ct Dt Et Ft Gt Au Bu Cu Du Eu Fu Gu RP1 10K RP210K C7 0.01u 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

52、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，该电阻就会将电流的变化转 换成电压的变化。此时，ICL7107

53、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。 本章小结 本章在结合各单元电路功能的基础上设计出了整机电路,并对整机电路的组 成和工作原理进行了详细的分析和论述。实验证明整机电路的设计方案正确可 行,各项指标稳

54、定可靠。 第 5 章 系统的安装与调试 5.1 电路的安装 5.1.1 元件的检测 按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法进行 检测，而且要认真核对与原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止 出现错误焊件后不便改正。 5.1.2 整机的布线原则 （1）安装分立元件应便于看到其极性和标志。为防止集成电路受损，在插 入或拔出时要非常细心。插入时应使器件的方向一致，缺口朝左，使所有引脚 均对准插座板上的小孔，均匀用力按下，拔出时必须用专用拔钳，夹住集成块 两头，垂直往上拔起。 （2）根据信号流向的顺序，按电路顺序直线排列，输入与输出线远离，采 用边安装边调试的方法。元器件

55、安装之后，先安电源线和地线，为方便查找， 连线应用不同的颜色加以区分，正电源应用红色绝缘皮的导线，地线用黑色。 （3）把使用的导线拉直，导线两头各留 6mm 左右作为插入插孔的长度。 布线时要注意器件周围走线，不允许导线在集成块上方跨过，导线不能交叉。 5.1.3 元件的组装 按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件， 后焊较高和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时 连续焊接时间不要超过 10s，或先焊接芯片座，焊好后将芯片插在芯片座上， 注意芯片的安装方向。 5.2 电路的调试 本机制作容易，因 ICL7107 为 CMOS 电路，宜使用 IC 插

56、座，当各元件焊 接完毕后再插入 ICL7107。焊接好后，准备好 0的冰水混合物和 100的沸 水。将一支测温范围在 0100的水银温度计与测温探头一起插入冰水混合物 中，待水银柱稳定后微调电位器 RP1，使数码管显示“00.0” ，再把水银温度计 与测温探头一起插入沸水中，待水银柱停止上升后（一般为 100） ，微调电位 器 RP2，使数码管显示“100.0” 。重复调整多次即可（但应注意从沸水中或冰 水混合物中取出再插入时，要等一些时间，以免损坏传感器） ，调节完成后应 保持电位器的阻值不变。 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

57、头应显示-1888，这时可检查显示是否缺笔画。如有，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 IN IN 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。 本章小结 本章对硬件电路的安装与调试进行了

58、详细的分析和论述，经过调试后系统 工作更加稳定，各项指标准确无误，稳定可靠。 结 论 本文介绍的数字温度计电路在硬件上采用集成温度传感器 AD590 来检测 温度，测温准确，精度高。使用 A/D 转换器 ICL7107 进行放大、转换、译码 和驱动。利用四个 LED 数码管构成三位半数显温度表来显示实测温度，系统 运行情况良好。由于采用5V 双电源供电，使系统的抗干扰性能得到加强。 利用 A/D 转换器的时钟信号，由 74LS04 六反向器外接二极管、电容等构成- 5V 供电电路，充分利用了 ICL7107 的外部引脚资源，解决了用 W7805 稳压器 时电路不共地的问题，使电路结构更加简化、

59、完美。 本设计电路结构简单，调试方便。经验收测试，该数字温度计设计方案正 确可行，各项指标稳定可靠。 虽然本文介绍的数字温度计有许多优点，但在设计当中也存在一些不足， 如温度传感器测温时有一定的时间延迟，系统反应缓慢。另外，与单片机控制 的智能温度计相比，该数字温度计系统功能单一。由于采用专用集成芯片控制， 可扩展空间有限，没有添加超温报警，日期显示等附加功能。 本次设计在前期原理分析与硬件电路调试过程中也遇到了很多问题，走了 许多弯路，但在不断地摸索过程中寻找到了答案。例如，将数码管引脚采用总 线连接，与驱动芯片各引脚连成一点，本以为芯片会自动分辨出驱动引脚位置， 可结果却不然。在焊接过程中

60、，器件选择时由于色环电阻颜色标示不太清楚， 开始焊接前也未用万用表重新量过，误把 4.7K 当作 47K 电阻来用，导致电路 工作不稳定，随后其余的均通过万用表测量进行选择，后续焊接过程较快。之 后的整机调试过程中，基准电压和零点调整较快，在调温度测量选择时，0 调节好后，数码管显示正常，但是在沸点 100的时候误差值较大，开始时以 为分压电阻选错，进行了调节并更换了电阻和电位器，还是不成功。之后确定 送显示部分有问题存在，电路中粗测了各选择电容和电阻器件，也都没有错误， 最后发现电路中的一个关键部分，也是最容易被忽略的地方电源存在问题。本 电路电源部分采用干电池供电，由于电池放置时间过久，导