數(shù)字式溫度表的設(shè)計(jì)

徐永梅

（淮安市高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校 電子工程系，江蘇 淮安 223005）

測(cè)量溫度時(shí)常用玻璃管溫度計(jì)，玻璃管溫度計(jì)通常采用刻度讀數(shù)，讀數(shù)不夠直觀，且不能遠(yuǎn)傳并易碎。鑒于此種情況，設(shè)計(jì)一種可直接讀出數(shù)字的溫度表，它可以測(cè)量表面溫度，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，測(cè)量的溫度范圍也比較大。

該數(shù)字式溫度表可連續(xù)測(cè)量-50～200℃范圍內(nèi)的各種氣體和液體的溫度，精確度可達(dá)1℃，實(shí)際電流為24～26 mA，電源電壓220 V，電源提供的實(shí)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(shí)還可以測(cè)量溫度計(jì)不能測(cè)量的，如：有毒的氣體和腐蝕的液體。具有檢測(cè)準(zhǔn)確、安全可靠等特點(diǎn)，是理想溫度檢測(cè)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(guò)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(yùn)放進(jìn)行跟隨放大，然后送入ICL7107進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行溫度顯示。

1 設(shè)計(jì)方案

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(yùn)放，第一塊將Pt100的電壓信號(hào)進(jìn)行跟隨，第二塊放大，ICL7107組成A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)碼驅(qū)動(dòng)電路。四只數(shù)碼管共同組成高精度數(shù)字電壓表頭，用來(lái)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 原理分析

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(fù)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(gè)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(diǎn)：

（1）負(fù)載電壓中的脈動(dòng)的成分降低了許多；

（2）負(fù)載電壓的平均值有所提高。在RL一定時(shí)，濾波電容越大，UL越大。設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)）；

RL×C＞=（3～5）T/2（全波橋式整流時(shí)）。

T為交流電的周期。

LM78/LM79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件少，電路內(nèi)部有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠方便，且價(jià)格便宜。LM78系列輸出正電壓，LM79系列輸出負(fù)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(fù)5V。

2.2 Pt100溫度檢測(cè)器

Pt100是一種以白金（Pt）作成的電阻式溫度檢測(cè)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(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。

鉑熱電阻的線性較好，在0～100℃之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于0.5℃，Pt100溫度傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：

測(cè)量范圍：-200～850℃。

允許偏差值△℃：

A級(jí)±（0.15+0.002│t│）；

B級(jí)±（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(shí)，阻值為138.5Ω；溫度200℃時(shí)，阻值177Ω；溫度電阻系數(shù)0.385Ω/℃，基本呈線性增長(zhǎng)。

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(guò)Pt100的電流為恒定電壓時(shí)，可將溫度→電壓，完成非電→電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

2.4 運(yùn)放電路

集成運(yùn)放LM324如圖4，使用LM324中的兩塊運(yùn)放。第一塊將Pt100的電壓信號(hào)進(jìn)行跟隨，目的是用集成運(yùn)放的輸入電阻高達(dá)107Ω以上（Ri→∞），可將Pt100上的電壓信號(hào)幾乎毫無(wú)衰減地全部傳輸?shù)较乱患?jí)放大。第二塊放大的目的：其一是進(jìn)行電壓放大。通過(guò)調(diào)整20 kΩ電阻，使溫度為100℃時(shí)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(yùn)放的輔助調(diào)零電路，目的是為實(shí)現(xiàn)電平移動(dòng)，當(dāng)輸入信號(hào)為100 mV時(shí)，輸出電壓0。

LM324是四運(yùn)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(yùn)算放大器，除電源共用外，4組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來(lái)表示，有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列及原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 LM324四比例運(yùn)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(dòng)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(dòng)器、參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)，ICL7107可直接驅(qū)動(dòng)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(lái)顯示溫度（1mV就代表1℃）。

ICL7107安裝時(shí)要注意：

（1）辨認(rèn)引腳。芯片的第一腳，是正放芯片，面對(duì)型號(hào)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(huì)在第一腳旁邊打上一個(gè)小圓點(diǎn)作為標(biāo)記。

知道了第一腳之后，按照反時(shí)針?lè)较蛉プ?，依次是?至第40引腳（1腳與40腳遙遙相對(duì)）。

（2）牢記關(guān)鍵點(diǎn)的電壓。芯片第一腳是供電，正確電壓是DC5V，第26引腳是負(fù)電源引腳，正確電壓數(shù)值是負(fù)的，在-3V至-5V都認(rèn)為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。

3 結(jié)束語(yǔ)

該電路在測(cè)量溫度時(shí)數(shù)字顯示，可行性很強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，使用方便，精度為1℃，量程為-50～200℃，能滿足一般應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

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