李良

【摘 要】溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅廣泛應(yīng)用于日常生活中，而且也大量應(yīng)用于自動(dòng)化和過(guò)程檢測(cè)控制系統(tǒng)。在日常生活、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、通信設(shè)備維護(hù)、和科研工作中很多時(shí)候需要對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制，數(shù)字式溫度測(cè)量?jī)x器是采用數(shù)碼管直接顯示被測(cè)溫度值，這種數(shù)字顯示不僅直觀、測(cè)量精度高而且便于控制。

【關(guān)鍵詞】溫度傳感器AD590 MC14433 CD4511

1 引言

溫度測(cè)量方法很多，有水銀溫度計(jì)測(cè)溫、熱敏電阻測(cè)溫、輻射式測(cè)溫、鉑電阻測(cè)溫以及熱電偶測(cè)溫等。隨著測(cè)溫精度及溫度范圍的不同，可選用不同的測(cè)溫方式，對(duì)于精度要求高及溫度范圍寬的測(cè)溫，通常選用鉑電阻測(cè)溫方式或熱電偶測(cè)溫方式，這也是工程上被廣泛應(yīng)用的測(cè)溫及控溫方法。本次設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量范圍為0℃到50℃。在此電路里運(yùn)用了溫度傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼顯示器等部件。在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)把溫度信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再用數(shù)碼顯示管顯示被測(cè)溫度值。

1.1 總體設(shè)計(jì)

數(shù)字式測(cè)溫電路應(yīng)具有下列基本功能：

①把溫度量轉(zhuǎn)換為成比例的模擬電信號(hào)（電壓）。

②把模擬電信號(hào)變換成數(shù)字電信號(hào)。

③最后通過(guò)數(shù)字電路直接顯示溫度值。

根據(jù)上述功能數(shù)字式測(cè)溫電路主要包括：溫度檢測(cè)、數(shù)模轉(zhuǎn)換和計(jì)數(shù)、譯碼、顯示三大部分。

1.2 設(shè)計(jì)方案

①溫度采集及放大：這部分電路關(guān)鍵是確定溫度傳感器，常用的傳感器有熱電偶、鉑電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻等。今年來(lái)集成溫度傳感器已被廣泛采用。它的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫精度高、線形優(yōu)良、使用方便適于遠(yuǎn)距離傳送，不足之處是它的適用溫度范圍不是很寬。

②模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器：本設(shè)計(jì)選擇集成A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本較低、特別是抗干擾能力強(qiáng)。它尤其適于在轉(zhuǎn)換速度不高又需要遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)膱?chǎng)合。

③計(jì)數(shù)、譯碼和顯示電路：數(shù)字部分完成計(jì)數(shù)和譯碼電路功能，

2 設(shè)計(jì)原理

采用的熱敏電阻器AD590作為熱敏電阻，故通過(guò)與固定電阻器串聯(lián)或并聯(lián)再改變電阻值來(lái)調(diào)整電路的輸出電壓，并且通過(guò)在電路中增加簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器穩(wěn)定輸出電壓，從輸出電壓直接讀出溫度數(shù)值，如0V對(duì)應(yīng)0.00℃，0.10V對(duì)應(yīng)10.0℃，0.50V對(duì)應(yīng)50.0℃。

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分用A/D轉(zhuǎn)換器MC14433實(shí)現(xiàn)。MC14433是一種集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路的芯片。MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計(jì)等各類數(shù)字化儀表及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。MC14433組成的數(shù)字電壓表是雙積分類型的數(shù)字電壓表，被測(cè)電壓Vin與參考電壓Vref之間有著嚴(yán)格的比例關(guān)系，如下：輸出讀數(shù)=（Vin/Vref）×1999。

根據(jù)這個(gè)關(guān)系，Vref應(yīng)設(shè)定為2000mV，使被測(cè)定電壓和標(biāo)準(zhǔn)成對(duì)應(yīng)關(guān)系。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這個(gè)關(guān)系，把被測(cè)的溫度經(jīng)過(guò)傳感器和放大器送給MC14433進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后用數(shù)字顯示讀數(shù)。利用Vin與Vref的比例關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)電路，可以大大簡(jiǎn)化放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。譯碼顯示電路此部分主要有譯碼驅(qū)動(dòng)器CD4511、74LS04、三個(gè)LED數(shù)碼顯示管組成。

本文所述的電子溫度檢測(cè)顯示器采用常用元件，具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉、精確度較高、測(cè)量范圍適當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，而且溫度值通過(guò)數(shù)碼管直接顯示，非常直觀。

該電子溫度檢測(cè)顯示器的性能指標(biāo)如下：

（1）測(cè)溫范圍：0℃～50℃（實(shí)際可測(cè)量并顯示的范圍更大）；

（2）測(cè)量誤差：≤±1℃。

3 制作器件介紹

3.1 溫度傳感器

AD590是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適用于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和控制.遠(yuǎn)距離信號(hào)傳遞時(shí)，可采用一般的雙絞線來(lái)完成。其電阻比較大，因此不需要精密電源對(duì)其供電，長(zhǎng)導(dǎo)線上壓降一般不影響測(cè)量精度。不需要溫度補(bǔ)償和專門的線性電路。由于以上獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，AD590在溫度測(cè)控領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。AD590是利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器，它會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流。該器件具有線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無(wú)需補(bǔ)償、熱容量小、抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離測(cè)溫且使用方便等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于各種冰箱、空調(diào)器、冰庫(kù)、工業(yè)儀器配套和各種溫度的測(cè)量和控制等領(lǐng)域。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化，通過(guò)對(duì) 電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。AD590的主特性參數(shù)規(guī)格如下：

溫度每增加1℃，它會(huì)增加1μА 輸出電流；

工作電壓：4～30V；

工作溫度：-55～+150℃；

保存溫度：-65～+175℃；

靈敏度：1μA/K。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換器

MC14433 是單片3（1/2）位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特性如下：精度：讀數(shù)的±0.05%±1字；轉(zhuǎn)換速率： A/D轉(zhuǎn)換速率：4～10次/秒輸入阻抗：大于1000MΩ；模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔；電源電壓：±4.8V—±8V，通常采用VDD=+5V，VEE=-5V；功耗：8mW（±5V電源電壓時(shí)，典型值）。

輸出形式：輸出四位BCD碼，可實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)掃描。有三位半十進(jìn)制計(jì)數(shù)器——用來(lái)計(jì)數(shù)0～1999，并有過(guò)量程標(biāo)志輸出。MC14433采用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位BCD碼分別在Q0—Q3輪流輸出，同時(shí)在DS1—DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)顯示。MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計(jì)等各類數(shù)字化儀

表及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。

3.3 譯碼驅(qū)動(dòng)器

CD4511？是鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器 ，應(yīng)用特點(diǎn)：具有燈測(cè)試，消隱和鎖存控制功能。能提供較大的電流，可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。多用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管顯示（有時(shí)也用做 3-8線譯碼，類似74LS138 ）。

由于A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的輸出為BCD碼，所以選用CD4511四線-七段鎖存譯碼器/驅(qū)動(dòng)器作為譯碼驅(qū)動(dòng)芯片。CD4511式BCD-7段鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)器是在同一單片結(jié)構(gòu)上由CMOS邏輯器件和NPN雙極型晶體管構(gòu)成。這些器件的組合，是由于CD4511具有底靜態(tài)耗散和高抗干擾及電源電流高達(dá)25mA的性能。由此可直接驅(qū)動(dòng)小尺寸LED及其他器件。它有LT、BI、LE三個(gè)輸入斷分別檢測(cè)顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)或選通-BCD碼等功能。當(dāng)使用外部多路轉(zhuǎn)換電路時(shí)，可多路轉(zhuǎn)換和顯示幾種不同的信號(hào)。

其主要特性如下：輸入電壓范圍：3V～15V；輸入電壓極限值：-0.5V～18V；

輸入電流：±10mA；工作溫度范圍：-55℃～185℃；輸出高電平電壓：4.0V；輸出低電平電壓：0.05V。

3.4 反相器

CD4511芯片只能驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管，而CD4511輸出的為高電平選通信號(hào)，所以需要在CD4511與顯示電路之間加反相環(huán)節(jié)，該反相功能采用74LS04來(lái)實(shí)現(xiàn)。74LS04是采用雙極型工藝制造的集成六反相器。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將溫度顯示變換成電壓的形式。由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1℃，電流就增加1μA。當(dāng)AD590的電流通過(guò)一個(gè)10kΩ的電阻時(shí)，這個(gè)電阻上的壓降為10mV，AD590輸出電流是以絕對(duì)溫度（-273℃）為基準(zhǔn)，因此在室溫25℃時(shí)，其輸出電流Iout=（273+25）=298μА。

該部分電路功能上主要將溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理，即放大微弱電壓電流或電荷信號(hào)、提高輸入阻抗、隔離等。放大電路的結(jié)構(gòu)形式是由傳感器的類型來(lái)決定的。在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將溫度的顯示變換成電壓形式。由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1℃，電流就增加1μA。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路的設(shè)計(jì)用A/D轉(zhuǎn)換器MC14433實(shí)現(xiàn)

A/D轉(zhuǎn)換：由傳感器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，要想顯示出來(lái)就必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)數(shù)字化包括采樣、編碼、量化三個(gè)階段。在電路中用A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器分為直接型和間接型，直接型又稱比較型，它將模擬輸入電壓與基準(zhǔn)電壓比較后直接得到輸出，此類A/D轉(zhuǎn)換器主要有逐次逼近式和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。間接型又稱積分型，它先將模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔或頻率信號(hào)，然后再把時(shí)間或頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，此類A/D轉(zhuǎn)換器主要有雙積分式。本次設(shè)計(jì)采用的A/D轉(zhuǎn)換器為MC14433。MC14433采用雙積分原理實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，是CMOS大規(guī)模集成電路，它具有功耗低、精度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，它的輸出形式為BCD碼，可以實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)掃描顯示。

首先將AD590的輸出溫度顯示變換成電壓形式輸出，由于此信號(hào)為模擬信號(hào)，因此，要進(jìn)行數(shù)碼顯示，還需將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。采用MC14433的轉(zhuǎn)換電路參考整體電路圖9所示。此電路的作用是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器MC14433將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以控制顯示電路。其中CD4511為譯碼/鎖存/驅(qū)動(dòng)電路，它的輸入為BCD碼，輸出為七段譯碼。LED數(shù)碼顯示由CD4511的位選信號(hào)DS1～DS4通過(guò)反向器與非門74LS04來(lái)驅(qū)動(dòng)。

4.3 譯碼顯示電路

CD4511芯片只能驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管，而CD4511輸出的為高電平選通信號(hào)，所以需要在CD4511與顯示電路之間加反相環(huán)節(jié)，需要連接反相器74LS04。

溫度測(cè)量部分總體電路如圖1，通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱提供準(zhǔn)確的2V的參考電壓，芯片MC14433的脈沖由外接的阻容元件由R1、C1及失調(diào)補(bǔ)償電容C2來(lái)提供，MC14433的-5V電壓也由實(shí)驗(yàn)箱連接。為顯示十位的小數(shù)點(diǎn)，將數(shù)碼管的DP引腳串聯(lián)一限流電阻后與+5V電源相連，這樣就可以保證當(dāng)MC14433發(fā)出選通信號(hào)，選通數(shù)碼管（十位）顯示時(shí)小數(shù)點(diǎn)也同時(shí)亮起。

5 結(jié)語(yǔ)

溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅廣泛應(yīng)用于日常生活中，而且也大量應(yīng)用于自動(dòng)化和過(guò)程檢測(cè)控制系統(tǒng)。在通信、工業(yè)生產(chǎn)、氣象、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量及控制。目前，溫度測(cè)量領(lǐng)域的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品也層出不窮。主要表現(xiàn)在以下兩方面：（1）溫度傳感器正從分立元件向集成化、智能化、系統(tǒng)化的方向迅速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)新一代溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件；（2）在溫度測(cè)量系統(tǒng)中普遍采用線性化處理、自動(dòng)溫度補(bǔ)償和自動(dòng)校準(zhǔn)濕度等項(xiàng)新技術(shù)。

溫度傳感器的種類很多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件，本設(shè)計(jì)選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋捅ＷC了測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，并同時(shí)達(dá)到增加使用壽命和降低成本的目的。

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