簡易溫度測試儀的設計與實現

李良

【摘 要】溫度傳感器的應用范圍很廣，它不僅廣泛應用于日常生活中，而且也大量應用于自動化和過程檢測控制系統。在日常生活、醫療、工業生產、通信設備維護、和科研工作中很多時候需要對溫度進行測量和控制，數字式溫度測量儀器是采用數碼管直接顯示被測溫度值，這種數字顯示不僅直觀、測量精度高而且便于控制。

【關鍵詞】溫度傳感器AD590 MC14433 CD4511

1 引言

溫度測量方法很多，有水銀溫度計測溫、熱敏電阻測溫、輻射式測溫、鉑電阻測溫以及熱電偶測溫等。隨著測溫精度及溫度范圍的不同，可選用不同的測溫方式，對于精度要求高及溫度范圍寬的測溫，通常選用鉑電阻測溫方式或熱電偶測溫方式，這也是工程上被廣泛應用的測溫及控溫方法。本次設計的溫度測量范圍為0℃到50℃。在此電路里運用了溫度傳感器、運算放大器、A/D轉換器和數碼顯示器等部件。在進行溫度測量時把溫度信號通過傳感器轉換成電信號，該電信號經過適當處理后經過模數轉換器把模擬量轉換成數字量，再用數碼顯示管顯示被測溫度值。

1.1 總體設計

數字式測溫電路應具有下列基本功能：

①把溫度量轉換為成比例的模擬電信號（電壓）。

②把模擬電信號變換成數字電信號。

③最后通過數字電路直接顯示溫度值。

根據上述功能數字式測溫電路主要包括：溫度檢測、數模轉換和計數、譯碼、顯示三大部分。

1.2 設計方案

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

②模擬數字轉換器：本設計選擇集成A/D轉換器實現模數轉換，該方法的優點是電路簡單、成本較低、特別是抗干擾能力強。它尤其適于在轉換速度不高又需要遠距離信號傳輸的場合。

③計數、譯碼和顯示電路：數字部分完成計數和譯碼電路功能，

2 設計原理

采用的熱敏電阻器AD590作為熱敏電阻，故通過與固定電阻器串聯或并聯再改變電阻值來調整電路的輸出電壓，并且通過在電路中增加簡單的運算放大器穩定輸出電壓，從輸出電壓直接讀出溫度數值，如0V對應0.00℃，0.10V對應10.0℃，0.50V對應50.0℃。

模數轉換部分用A/D轉換器MC14433實現。MC14433是一種集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數字電路的芯片。MC14433最主要的用途是數字電壓表，數字溫度計等各類數字化儀表及計算機數據采集系統的A/D轉換接口。MC14433組成的數字電壓表是雙積分類型的數字電壓表，被測電壓Vin與參考電壓Vref之間有著嚴格的比例關系，如下：輸出讀數=（Vin/Vref）×1999。

根據這個關系，Vref應設定為2000mV，使被測定電壓和標準成對應關系。本設計就是根據這個關系，把被測的溫度經過傳感器和放大器送給MC14433進行轉換，最后用數字顯示讀數。利用Vin與Vref的比例關系來設計電路，可以大大簡化放大器的設計和調試工作。譯碼顯示電路此部分主要有譯碼驅動器CD4511、74LS04、三個LED數碼顯示管組成。

本文所述的電子溫度檢測顯示器采用常用元件，具有電路簡單、成本低廉、精確度較高、測量范圍適當等優點，而且溫度值通過數碼管直接顯示，非常直觀。

該電子溫度檢測顯示器的性能指標如下：

（1）測溫范圍：0℃～50℃（實際可測量并顯示的范圍更大）；

（2）測量誤差：≤±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，因此具有較強的抗干擾能力，適用于計算機遠距離溫度測量和控制.遠距離信號傳遞時，可采用一般的雙絞線來完成。其電阻比較大，因此不需要精密電源對其供電，長導線上壓降一般不影響測量精度。不需要溫度補償和專門的線性電路。由于以上獨特優點，AD590在溫度測控領域中得到廣泛的應用。AD590是利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器，它會將溫度轉換為電流。該器件具有線性優良、性能穩定、靈敏度高、無需補償、熱容量小、抗干擾能力強、可遠距離測溫且使用方便等優點。可廣泛應用于各種冰箱、空調器、冰庫、工業儀器配套和各種溫度的測量和控制等領域。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，通過對 電流的測量可得到所需要的溫度值。AD590的主特性參數規格如下：

溫度每增加1℃，它會增加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轉換器

MC14433 是單片3（1/2）位A/D轉換器，其中集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數字電路。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，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要特性如下：精度：讀數的±0.05%±1字；轉換速率： A/D轉換速率：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，典型值）。

輸出形式：輸出四位BCD碼，可實現LED的動態掃描。有三位半十進制計數器——用來計數0～1999，并有過量程標志輸出。MC14433采用字位動態掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼分別在Q0—Q3輪流輸出，同時在DS1—DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現LED的動態顯示。MC14433最主要的用途是數字電壓表，數字溫度計等各類數字化儀

表及計算機數據采集系統的A/D轉換接口。

3.3 譯碼驅動器

CD4511？是鎖存/7段譯碼/驅動器 ，應用特點：具有燈測試，消隱和鎖存控制功能。能提供較大的電流，可直接驅動LED顯示器。多用于驅動共陰極LED數碼管顯示（有時也用做 3-8線譯碼，類似74LS138 ）。

由于A/D轉換器MC14433的輸出為BCD碼，所以選用CD4511四線-七段鎖存譯碼器/驅動器作為譯碼驅動芯片。CD4511式BCD-7段鎖存譯碼驅動器是在同一單片結構上由CMOS邏輯器件和NPN雙極型晶體管構成。這些器件的組合，是由于CD4511具有底靜態耗散和高抗干擾及電源電流高達25mA的性能。由此可直接驅動小尺寸LED及其他器件。它有LT、BI、LE三個輸入斷分別檢測顯示、亮度調節、存儲或選通-BCD碼等功能。當使用外部多路轉換電路時，可多路轉換和顯示幾種不同的信號。

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芯片只能驅動共陰極數碼管，而CD4511輸出的為高電平選通信號，所以需要在CD4511與顯示電路之間加反相環節，該反相功能采用74LS04來實現。74LS04是采用雙極型工藝制造的集成六反相器。

4 設計實現

4.1 測溫電路的設計

在設計測溫電路時，首先應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AD590的電流通過一個10kΩ的電阻時，這個電阻上的壓降為10mV，AD590輸出電流是以絕對溫度（-273℃）為基準，因此在室溫25℃時，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換的電信號進行處理，即放大微弱電壓電流或電荷信號、提高輸入阻抗、隔離等。放大電路的結構形式是由傳感器的類型來決定的。在設計測溫電路時，首先應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轉換和顯示電路的設計用A/D轉換器MC14433實現

A/D轉換：由傳感器輸出的信號為模擬信號，要想顯示出來就必須將模擬信號轉化為數字信號。模擬信號數字化包括采樣、編碼、量化三個階段。在電路中用A/D轉換器來實現模擬量與數字量的轉換。A/D轉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電壓比較后直接得到輸出，此類A/D轉換器主要有逐次逼近式和并行式A/D轉換器。間接型又稱積分型，它先將模擬電壓轉換成時間間隔或頻率信號，然后再把時間或頻率信號轉換為數字量輸出，此類A/D轉換器主要有雙積分式。本次設計采用的A/D轉換器為MC14433。MC14433采用雙積分原理實現A/D轉換，是CMOS大規模集成電路，它具有功耗低、精度高、使用簡便等優點，它的輸出形式為BCD碼，可以實現LED的動態掃描顯示。

首先將AD590的輸出溫度顯示變換成電壓形式輸出，由于此信號為模擬信號，因此，要進行數碼顯示，還需將此信號轉換成數字信號。采用MC14433的轉換電路參考整體電路圖9所示。此電路的作用是通過A/D轉換器MC14433將模擬信號轉換成數字信號，以控制顯示電路。其中CD4511為譯碼/鎖存/驅動電路，它的輸入為BCD碼，輸出為七段譯碼。LED數碼顯示由CD4511的位選信號DS1～DS4通過反向器與非門74LS04來驅動。

4.3 譯碼顯示電路

CD4511芯片只能驅動共陰極數碼管，而CD4511輸出的為高電平選通信號，所以需要在CD4511與顯示電路之間加反相環節，需要連接反相器74LS04。

溫度測量部分總體電路如圖1，通過實驗箱提供準確的2V的參考電壓，芯片MC14433的脈沖由外接的阻容元件由R1、C1及失調補償電容C2來提供，MC14433的-5V電壓也由實驗箱連接。為顯示十位的小數點，將數碼管的DP引腳串聯一限流電阻后與+5V電源相連，這樣就可以保證當MC14433發出選通信號，選通數碼管（十位）顯示時小數點也同時亮起。

5 結語

溫度傳感器的應用范圍很廣，它不僅廣泛應用于日常生活中，而且也大量應用于自動化和過程檢測控制系統。在通信、工業生產、氣象、科研、航天等部門，經常需要對環境溫度進行測量及控制。目前，溫度測量領域的新技術不斷涌現，新產品也層出不窮。主要表現在以下兩方面：（1）溫度傳感器正從分立元件向集成化、智能化、系統化的方向迅速發展，為開發新一代溫度測控系統創造了有利條件；（2）在溫度測量系統中普遍采用線性化處理、自動溫度補償和自動校準濕度等項新技術。

溫度傳感器的種類很多，根據現場使用條件，本設計選擇恰當的傳感器類型保證了測量的準確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。

參考文獻：

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[2]梁宗善主編.新型集成電路的應用—電子技術基礎課程設計.華中理工大學出版社.

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