数字温度计工作原理及设计
数字温度计工作原理及设计
广东海洋大学寸金学院 杜永峰
[摘要] 温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度。本次我们设计的数字显示温度计可以直接测量温度，得到温度的数字值，既简单方便，又直观准确。
[关键字] 数字温度计 LM35 ICL7107
一、设计方案选择
方案一：
可以采用温度传感器DS18B20，在单片机温度检测应用电路设计中，大多都是使用DS18B20温度传感器，而且它可以直接读取被测非电量温度值，进行转换，达到设计要求。数字温度计由DS18B20传感器、时钟振荡电路、单片机、LED显示电路、单片机复位电路等电路组成。原理框图如图1所示。
图1 数字温度计原理框图
方案二：
通过温度传感器LM35采集到温度信号，经过整形电路送到A/D转换器，然后通过译码器驱动数码管显示温度。
图2 数字温度计原理框图
方案比较：
以上两种方案第一种方案电路设计上比较简单对于温度显示计的设计上也可以添加例如温度临界点报警功能，但是使用单片机进行硬件电路焊接后，还必须软件编程再进行调试。后续工作繁多。因此此设计选择第二种方案。虽电路复杂点但通过找资料、电路设计、硬件电路焊接后就可以实现温度测量。
三、系统设计总体思路及工作原理
1、系统设计总体思路
本设计模块划分为温度采集电路、A/D转换电路、译码驱动电路、温度显示电路构成。
ICL7107芯片是由A/D转换和译码器两部分构成，可以直接驱动数码管，省去了译码器的接线，在硬件电路焊接上，ICL7107只需要少量外部元件就可以精确测量0到200mv电压，LM35温度采集传感器本身输出转换电压与输入非电量温度之间成线性关系。所以该电路核心是用ICL7107驱动数码管实现信号的显示。
2、数字温度计工作原理
LM35温度传感器先将感受到外界的非电量信号温度经传感器内部电路处理后，输出一个电压信号，该信号与外界摄氏温度成线性比例。然后该信号经过差动输入到A/D转换器，转换成数字信号通过控制逻辑电路向数据锁存器发出一个锁存信号，锁存器将计数器的数据锁存并经译码驱动电路，驱动显示器LED工作，显示出LM35温度传感器感应的温度数值。
四、基础知识介绍
1、LM35集成温度传感器
LM35属于NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品，它的特点是工作精度高和线性工作范围较宽。该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。这个特点符合我们日常对温度读书的习惯。对其精度的验证是用电烙铁直接靠近LM35温度传感器给其加热，很快显示数数值来。方便实验数据测量。从使用者的习惯及方便性来说， LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更优越一些，此外，LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度，方便实用。LM35集成温度传感器如图3所示。
图3 LM35集成温度传感器结构图及实物图
1.1引脚介绍：
1引脚：电源正极V+；、
2引脚：输出V；
3引脚：输出地/电源地GND。
1.2 LM35的主要参数：
1.3 LM35的工作原理：
LM35输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如下：
10MV/℃×T℃
温度为0 时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。在静止温度中自热效应低(0.08℃)，单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
2、A/D模数转换电路（ICL7107芯片）
ICL7107是一块应用非常广泛的高性能、低功耗集成电路。它包含三位半A/D转换器，七段译码器，显示驱动器外，还设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、时钟系统、自动调零功能等。因此ICL7107是一款高精度、通用性和低成本结合很好的集成电路。
2.1 ICL7107的基本特点
ICL7107是三位半位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。
不需要另加驱动器件，可直接驱动共阳极LED数码管。
芯片内部基准电源稳定性很高，通过电阻分压器可得基准电压。
通过模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。
对输入信号无衰减作用，输入阻抗高。
可靠性良好，寿命长，噪音低，温漂小。
低功耗。芯片本身功耗小于15mw。
使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+。
方便功能检查。
整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。
2.2 ICL7107A/D转换器的管脚排列如图4所示。
图4 ICL7107管脚排列
2.3 ICL7107A/D转换器的管脚功能如下表所示。
2.4 ICL7107的工作原理
ICL7107为 A/D转换和译码器为一体的芯片，是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。它不需要的译码器直接驱动三个数码管工作。
3 、LED数码管
LED数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。如图5所示为LED引脚定义图。
图5 LED引脚定义图
3.1静态显示
静态驱动也称直流驱动。它是指在显示时段内对组成字形的发光二极管保持恒定地的导通或截止。静态驱动的优点是程序操作简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，硬件电路的复杂性。CPU送出字形码后可以不再管理。
3.2动态显示
LED数码管动态显示是单片机应用最广泛一种显示方式，动态显示是指在显示时段内对组成字形的发光二极管实行间断或轮流（多字符显示）点亮。动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且最大限度地降低显示功耗。但是占用了CPU的执行程序时间。
五、温度检测电路的制作与调试
温度检测电路制作：按照图6温度检测电路原理框图对相关元件进行焊接，其中注意芯片各管脚的作用以及该如何进行接线。
图6 温度检测电路的原理框图
调试包括调整和测试两部分.
调整：主要对电路参数的调整
测试：主要是对电路各项技术指标和功能进行测量和试验。
调试过程及步骤：
接通电源；
先静态后动态调试；
对复杂电路进行分级调试，然后联调；
调试完成对照参数指标相符性；
记录整个调试过程及步骤；
调整完成后通电进行考机试验，检测性能的稳定性。
六、结束语
在这次设计当中，初步了解了A/D转换器的工作原理以及数码管的连接方法。在这个设计中，信号采集电路比较重要，要对电路中各个元件数值进行精确的计算，防止电路输出变化太大，对测量不利。
七、参考文献：
[1] 张正伟．传感器原理与应用．北京：中央广播电视大学出版社，1991
[2] 李广弟．单片机基础．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[3] 何立民．单片机应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1998
[4] 姜有根、王岚．看图巧学电工电子技术丛书．北京：中国电力出版社，2009
[5]延明。数字电路EDA技术入门。北京：北京邮电大学，2006
[6]沙占友. 数字电压表技术应用.北京：机械工业出版社，HYPERLINK "http://book.kongfz.com/year_2005/" \o "2005年出版的图书" 2005
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