数字温度计的设计

1、 数字温度计的设计 一、温标的概念一、温标的概念 温度的数值表示是通过建立温度标尺，即温标来实现。目前常用温度的数值表示是通过建立温度标尺，即温标来实现。目前常用的是摄氏温标和国际温标。的是摄氏温标和国际温标。 1、摄氏温标：、摄氏温标：以水银热胀冷缩特性为基础，水的冰点定为以水银热胀冷缩特性为基础，水的冰点定为0，沸，沸水定为水定为100，两点之间的温度均匀分为，两点之间的温度均匀分为100分格，每格为分格，每格为1度度（ 1 ）。）。 2、国际温标：、国际温标：建立在热力学理论基础上的，并规定以气体温度计为建立在热力学理论基础上的，并规定以气体温度计为基准仪器，水的三相点基准仪器，水的三相

2、点(固相、液相、气相三相平衡点固相、液相、气相三相平衡点)为为27316度，度，以绝对零度以绝对零度(理想气体的压力为零时所对应的温度理想气体的压力为零时所对应的温度)到水的三相点之间到水的三相点之间的温度均匀分为的温度均匀分为273.15格，每格称为格，每格称为1开尔文开尔文(Kalvm)。它们的单位分别为开尔文它们的单位分别为开尔文(K)和摄氏度和摄氏度()，其相互关系为：，其相互关系为： t()=T(K)-273.15或或T(K)=t()+273.15（估算的时候取（估算的时候取273）二、测温方法与测温仪器的分类二、测温方法与测温仪器的分类 按照所用方法的不同，温度测量分为接触式和非接

3、触式两大类。 1. 接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。 优点：直观可靠。 缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。 2、非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。3 3、测温仪器、测温仪器 对应于两种测温方法，测温

4、仪器亦分为接触式和非接触对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。式两大类。 接触式仪器接触式仪器又可分为又可分为: 膨胀式温度计膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)、 电阻式温度计电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)、 热电式温度计热电式温度计(包括热电偶和包括热电偶和P-N结温度计结温度计)以及其它原理的温度计。以及其它原理的温度计。 非接触式温度计非接触式温度计又可分为：又可分为： 辐射温度计、亮度温度计和比色温度计辐射温度计、亮度温度计和比色温度计

5、，由于它们都是以光辐射，由于它们都是以光辐射为基础，故也按统称为为基础，故也按统称为辐射温度计辐射温度计。三、数字温度计的设计三、数字温度计的设计1、数字温度计组成 数字温度计组成框图如图 1 所示, 它由温度传感器、 A /D转换器和数码显示器等组成。温度传感敏感环境温度, 并将温度信号转换为电压信号或电流信号, A /D转换器将温度传感器输出的模拟信号转换成数字信号, 此数字信号连接数码管, 以数字方式实时显示温度。 图1 数字温度计组成框 日常生活中, 温度的测量范围为 - 30 55, 精度控制为 0.5, 因此本项目采用AD590单片集成两端式感温电流源温度传感器、3.5 位 A /

6、D 转 换 器ICL7107及4个八段数码管设计数字温度计。 ICL7107在进行模拟 / 数字信号转换的同时, 还可直接驱动 LED 显示器, 其内部集成有双积分模数转换器、BCD七段译码器、显示驱动器、 时钟和参考源, 并具有自动调零和自动转换极性的性能。数码管显示器显示格式为: XXX.X , 代表 1 位符号位、 2 位整数温度值和1位小数温度值。2 数字温度计电路设计3.1 AD590及其构成电压输出电路3.1.1 AD590 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

7、- 50 150。AD590 输出电流值 ( uA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 所示。图中,UCC 为激励电压, 取值为 4 40 V; 输出电流 Io以绝对温度零度 - 273为基准, 温度每升高 1, 电流值增加1uA 。 温度 t对应输出电流 Io为:Io( t ) = 273uA + t uA / ( 1 )式中: 273uA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 ) = 298uA 图 2 AD590 基本原理图 3.1.2 AD590 构成的

8、电压输出电路 AD590 构成的电压输出电路如图 3 所示，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(25时时电位器调到约30k) ,则图 3 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: Uo =100k / 10k(U2 - U1) =t / 10V ( 2 ) （根据理想运放的“虚短”、“虚断”计算） 对于 25的室温, Uo =2.5V。 图 3 AD590 构成的电压输出电路图 U

9、1=2.73V U2=10KIo U2=2.73+0.01t Uo =t / 10V 3.2 ICL7107及其外围电路设计 3.2.1 ICL7107 3.5 位双积分 A / D转换器ICL7107为CMOS自动稳零二重积分型集成器件, 此器件与很多教科书中介绍的双积分型A/D转换器原理相似。此器件还具有以下点: 内含时钟振荡器, 差动输入, 高共模抑制比, 并具有LED显示驱动功能, 其管脚图脚功能说明分别如图 4 和表 1 所示。 图 4 ICL7107 管脚图 ICL7107的A/D转换过程分3个阶段: 自动稳零阶段、信号积分阶段和反积分阶 段。自动稳零阶段(定时积分阶段)时, 在逻

10、辑控制电路的作用下, 模拟公共端信号对调零电容充电, 以补偿缓冲放大器、积分放大器、 比较器的电 压偏移; 信 号积分 阶段时,对输入模拟信号进行积分, 积分器的输出电压 Uo 与计数脉冲成线性 关系; 反积 分阶段 将会使 积分 器和比较器的输出为零, 基准电压对基准电容充电, 此阶段结束后自动回至自动稳零阶段。3 . 2 . 2 ICL7107和数码管构成的数显电路ICL7107 ADC与数码管构成的数显电路如图 5 所示。图中电路中各器件参数选值如表 2 所示。 图 5 ICL7107 与数码管构成的数显电路图 将图 3 所示电路的输出接入图 5 的输入便可完成温度测量和显示, 即 AD590将测得的温度值以电流方式进行