1、電路的設(shè)計(jì)

數(shù)字溫度計(jì)電路原理系統(tǒng)方框圖，如圖1.1.

圖1.1 ?電路原理方框圖

通過溫度傳感器LM35采集到溫度信號(hào)，經(jīng)過整形電路送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度。ICL7107集A/D轉(zhuǎn)換和譯碼器于一體，可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，省去了譯碼器的接線，使電路精簡(jiǎn)了不少，而且成本也不是很高。ICL7107只需要很少的外部元件就可以精確測(cè)量0到200mv電壓，LM35本身就可以將溫度線性轉(zhuǎn)換成電壓輸出。綜上所述，采用LM35采集信號(hào)，用ICL7107驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)信號(hào)的顯示。

2、電路原理及其電路組成

數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)原理圖見下圖。它通過LM35對(duì)溫度進(jìn)行采集，通過溫度與電壓近乎線性關(guān)系，以此來確定輸出電壓和相應(yīng)的電流，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的電壓值，故我們可以通過電壓電流值經(jīng)過放大進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表示出來。

2.1、傳感電路

LM35具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。因而，從使用角度來說，LM35與用開爾文標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，LM35無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4℃的常用的室溫精度。

LM35具有以下特點(diǎn)：

（1）工作電壓：直流4～30V；

（2）工作電流：小于133μA

（3）輸出電壓：+6V～-1.0V

（4）輸出阻抗：1mA負(fù)載時(shí)0.1Ω；

（5）精度：0.5℃精度（在+25℃時(shí)）；

（6）漏泄電流：小于60μA；

（7）比例因數(shù)：線性+10.0mV/℃；

（8）非線性值：±1/4℃；

（9）校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；

（10）封裝：密封TO-46晶體管封裝或塑料TO-92晶體管封裝；

（11）使用溫度范圍：-55～+150℃額定范圍

傳感器電路采用核心部件是LM35AH，供電電壓為直流15V時(shí)，工作電流為120mA，功耗極低，在全溫度范圍工作時(shí)，電流變化很小。電壓輸出采用差動(dòng)信號(hào)方式，由2、3引腳直接輸出，電阻R為18K普通電阻，D1、D2為1N4148。傳感器電路原理如圖2.1.

采樣值的準(zhǔn)確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來進(jìn)行量化。

圖2.1 傳感器電路原理圖

Ui轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)電壓值為4.883mV，（由12位AD，滿量程20V可得），用Ks表示。可求得數(shù)字量變化與溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

當(dāng)ｔ＝0℃時(shí)，AD輸出的數(shù)字量D0=0+55℃×22.73數(shù)字量/℃＝1250＝04E2H。

溫控電路由傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)、輸出控制電路、加溫電路構(gòu)成。電路基本工作原理：傳感器電路將感受到的溫度信號(hào)以電壓形式輸出到信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后輸入到A/D采樣電路，由A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量值送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)的溫度要求判斷是否需要接通加溫電路。

2.2、溫度信號(hào)采集電路

Op－07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP-07A最大為25μV），所以O(shè)P-07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP-07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP-07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP-07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。

OP－07具有以下特點(diǎn)：

超低偏移：150μV最大。

（1）低輸入偏置電流：1.8nA。

（2）低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃。

（3）超穩(wěn)定，時(shí)間：2μV/month最大

（4）高電源電壓范圍：±3V至±22V

它的引腳圖如圖2.2所示。

圖2.2　OP-07引腳圖

OP-07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡（調(diào)零端），2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳6為輸出，7接電源+。

OP-07高精度運(yùn)算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)。

由LM35和OP-07組成的信號(hào)采集電路如圖2.3所示：

圖2.3　信號(hào)采集電路

由輸出短路法及輸入求和方式可判斷該電路是電壓并流負(fù)反饋放大電路。因此可知If=-Vi/Rf，反饋系數(shù)F=If/Vo，所以F=-1/R3

A=Vo/Ii，放大倍數(shù)AF=A/（1+AF）

2.3、A/D轉(zhuǎn)換電路

ICL7107是高性能、低功耗的三位半A\D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)包含有七段譯碼器、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)共陽極LED數(shù)碼管。ICL7107將高精度、通用性和真正的低成本很好的結(jié)合在一起，它有低于10uV的自動(dòng)校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測(cè)量負(fù)載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時(shí)會(huì)有更突出的特點(diǎn)。

ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.4所示。其中計(jì)數(shù)器對(duì)反向積分過程的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。控制邏輯包括分頻器、譯碼器、相位驅(qū)動(dòng)器、控制器和鎖存器。

驅(qū)動(dòng)器是將譯碼器輸出對(duì)應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動(dòng)相應(yīng)筆畫的方波。

圖2.4 ?ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖

控制器的作用有三個(gè)：

第一，識(shí)別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，使各模擬開關(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。

第二，識(shí)別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號(hào)顯示。

第三，當(dāng)輸入電壓超量限時(shí)發(fā)出溢出信號(hào)，使千位顯示“1“，其余碼全部熄滅。

釣鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動(dòng)LED。它的每個(gè)測(cè)量周期自動(dòng)調(diào)零（AZ）、信號(hào)積分（INT）和反向積分（DE）三個(gè)階段。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖如圖2.5所示

圖2.5 ?雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖

ICL7107AD轉(zhuǎn)換器的管腳排列及其各管腳功能如圖2.6所示。

圖2.6 ? ICL7107管腳排列

ICL7107是集A/D轉(zhuǎn)換和譯碼器為一體的芯片，而且這芯片能夠驅(qū)動(dòng)三個(gè)數(shù)碼管工作而不需要更多的譯碼器，這給我們連接電路或者分析電路提供了一定的方便。ICL7107芯片的管腳比較多，每一個(gè)管腳所代表的功能也各不相同，能夠組成各種電路，比如說有積分電路。這要求我們?cè)诮与娐窌r(shí)要小心，不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.4、數(shù)碼管顯示

數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陰極是把所有LED的陽極連接到共同接點(diǎn)com，而每一LED的陰極分別為a，b，c，d，e，f，g及sp（小數(shù)點(diǎn)），它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示。

圖2.7 ?共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于ICL7107的特點(diǎn)，它只能驅(qū)動(dòng)共陽極數(shù)碼管，故我們要選用共陽極七段數(shù)碼管。在連接數(shù)碼管時(shí)，我們要注意數(shù)碼管各個(gè)管腳所對(duì)應(yīng)的字母，不能接錯(cuò)或接漏，而且在管腳之前要接上電阻，以免燒壞芯片和數(shù)碼管。

3、調(diào)試與總結(jié)

3.1、調(diào)試與測(cè)量數(shù)據(jù)

我們要通過調(diào)試電路來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路的相關(guān)內(nèi)容。

（1）按照電路圖對(duì)相關(guān)元件進(jìn)行連接，其中注意芯片各管腳的作用以及該如何進(jìn)行接線。

（2）當(dāng)上步驟完成后，接通電源，觀察數(shù)碼管和二極管是否亮，若不亮?xí)r，要對(duì)電路電源進(jìn)行檢測(cè)，看是否線路接觸不良或者電路短路。

（3）（2）完成之后，觀察數(shù)碼管是否顯示數(shù)值，然后改變LM35的溫度值，觀察數(shù)碼管是否隨著溫度變化而變化。

（4）若數(shù)碼管數(shù)值與溫度值相差太大，則要檢查信號(hào)采集電路中各元件值是否對(duì)。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性以及它的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們對(duì)實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。用帶有溫度測(cè)量的數(shù)字萬用表和本次設(shè)計(jì)的電路對(duì)相同溫度下物體進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量并繪成表格進(jìn)行比較。如表3.1。

表3.1 萬用表與設(shè)計(jì)電路數(shù)據(jù)的比較

由上表的數(shù)據(jù)可以得出，本系統(tǒng)的誤差《1℃，分辨率為0.1℃。