徐永梅
(淮安市高級職業(yè)技術學校 電子工程系,江蘇 淮安 223005)
測量溫度時常用玻璃管溫度計,玻璃管溫度計通常采用刻度讀數(shù),讀數(shù)不夠直觀,且不能遠傳并易碎。鑒于此種情況,設計一種可直接讀出數(shù)字的溫度表,它可以測量表面溫度,可以實現(xiàn)非接觸式測量,測量的溫度范圍也比較大。
該數(shù)字式溫度表可連續(xù)測量-50~200℃范圍內(nèi)的各種氣體和液體的溫度,精確度可達1℃,實際電流為24~26 mA,電源電壓220 V,電源提供的實際功率大致為5.288~5.720 VA。其由傳感器和表頭等部分組成。同時還可以測量溫度計不能測量的,如:有毒的氣體和腐蝕的液體。具有檢測準確、安全可靠等特點,是理想溫度檢測儀表。
該數(shù)字式溫度表,是一種方便攜帶又易用的溫度表。它通過熱敏電阻作為傳感器,得到每一度熱敏電阻的電壓變化值,用LM324集成運放進行跟隨放大,然后送入ICL7107進行數(shù)模轉(zhuǎn)換,再通過數(shù)碼管進行溫度顯示。
1.1 方框圖
圖1 方框圖
如圖1所示,Pt100熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化,恒流源電路將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓,使用LM324中的兩塊運放,第一塊將Pt100的電壓信號進行跟隨,第二塊放大,ICL7107組成A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)碼驅(qū)動電路。四只數(shù)碼管共同組成高精度數(shù)字電壓表頭,用來顯示溫度(1mV就代表1℃)。
1.2 主電路圖
主電路圖如圖2所示。
圖2 主電路圖
2.1 電源電路
圖3 電源原理圖
穩(wěn)壓電源由220V/5W的有中心抽頭的變壓器經(jīng)橋式整流、電容濾波、LM7805、LM7905組成有正負輸出的5V集成穩(wěn)壓電源,提供給電路的各部分,數(shù)碼管的電源則由3個1N4007串聯(lián)降壓后提供2V的供電電源。電源電路如圖3。
橋式整流電路,接上濾波電容器后,有如下特點:
(1)負載電壓中的脈動的成分降低了許多;
(2)負載電壓的平均值有所提高。在RL一定時,濾波電容越大,UL越大。設計時可估算
UL=1~1.1U2(半波);
UL=1.2U2(全波橋式整流)。
濾波電容的確定
RL×C>=(3~5)T(半波整流時);
RL×C>=(3~5)T/2(全波橋式整流時)。
T為交流電的周期。
LM78/LM79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件少,電路內(nèi)部有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路,使用起來可靠方便,且價格便宜。LM78系列輸出正電壓,LM79系列輸出負電壓,LM78或LM79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓值,如LM7805表示輸出電壓為正5V,LM7905表示輸出電壓為負5V。
2.2 Pt100溫度檢測器
Pt100是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,屬于正電阻系數(shù)熱敏電阻傳感器,Pt100溫度傳感器具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。
鉑熱電阻的線性較好,在0~100℃之間變化時,最大非線性偏差小于0.5℃,Pt100溫度傳感器主要技術參數(shù)如下:
測量范圍:-200~850℃。
允許偏差值△℃:
A級±(0.15+0.002│t│);
B級±(0.30+0.005│t│)。
最小置入深度:
熱電阻的最小置入深度≥200mm;
允通電流≤5mA。
Pt100熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化:溫度是0℃,阻值為100Ω;溫度100℃時,阻值為138.5Ω;溫度200℃時,阻值177Ω;溫度電阻系數(shù)0.385Ω/℃,基本呈線性增長。
2.3 恒流源電路
9012三極管的IC=IE=(2.5~0.7)/1.8=1mA,將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓,就是通過Pt100的電流為恒定電壓時,可將溫度→電壓,完成非電→電信號的轉(zhuǎn)換過程。
2.4 運放電路
集成運放LM324如圖4,使用LM324中的兩塊運放。第一塊將Pt100的電壓信號進行跟隨,目的是用集成運放的輸入電阻高達107Ω以上(Ri→∞),可將Pt100上的電壓信號幾乎毫無衰減地全部傳輸?shù)较乱患壏糯蟆5诙K放大的目的:其一是進行電壓放大。通過調(diào)整20 kΩ電阻,使溫度為100℃時候,輸出電壓為100 mV;其二,由-5V電源、1kΩ、5.1kΩ、510 Ω可調(diào)電阻組成集成運放的輔助調(diào)零電路,目的是為實現(xiàn)電平移動,當輸入信號為100 mV時,輸出電壓0。
LM324是四運放集成電路,采用14腳雙列直插塑料封裝,內(nèi)部包含4組形式完全相同的運算放大器,除電源共用外,4組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示,有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-(-)為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+(+)為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列及原理圖見圖4。
圖4 LM324四比例運算放大器管腳分布圖及原理圖
2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換電路,由ICL7107組成A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)碼驅(qū)動電路,ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換器電路,它包含有7段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng),ICL7107可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管,4只數(shù)碼管共同組成高精度數(shù)字電壓表頭,用來顯示溫度(1mV就代表1℃)。
ICL7107安裝時要注意:
(1)辨認引腳。芯片的第一腳,是正放芯片,面對型號字符,然后,在芯片的左下方為第一腳。也可以把芯片的缺口朝左放置,左下角也就是第一腳了。
許多廠家會在第一腳旁邊打上一個小圓點作為標記。
知道了第一腳之后,按照反時針方向去走,依次是第2至第40引腳(1腳與40腳遙遙相對)。
(2)牢記關鍵點的電壓。芯片第一腳是供電,正確電壓是DC5V,第26引腳是負電源引腳,正確電壓數(shù)值是負的,在-3V至-5V都認為正常,但是不能是正電壓,也不能是零電壓。
該電路在測量溫度時數(shù)字顯示,可行性很強,操作簡單,使用方便,精度為1℃,量程為-50~200℃,能滿足一般應用場合的需要。
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