基于熱電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)與調(diào)試

摘要:本文以精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ICL7107為核心，設(shè)計(jì)一個基于熱電阻溫度計(jì)，系統(tǒng)由信號采集模塊、信號放大模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊四個模塊組成。系統(tǒng)經(jīng)熱電阻感受外界溫度的變化，并在LED屏上顯示實(shí)際的溫度值。該溫度計(jì)原理簡單、制作方便，可用于實(shí)踐教學(xué)中。
       電子溫度計(jì)的設(shè)計(jì)是電子專業(yè)課程實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)的熱門課題。以《傳感器與檢測技術(shù)》課程為例，溫度傳感器是該課程的重要章節(jié)，基于不同溫度傳感器的溫度計(jì)的制作是課程實(shí)踐的重點(diǎn)。市面上大部分溫度計(jì)是以單片機(jī)為核心的，但考慮到有的學(xué)生沒有單片機(jī)基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)出一個以模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)為核心的溫度計(jì)是非常有必要的。
一、總體功能設(shè)計(jì)
       系統(tǒng)總體功能框圖如圖1所示，信號采集模塊完成對溫度的采集，信號處理模塊完成對溫度信號的數(shù)字化處理，顯示模塊完成對最后的數(shù)字信號進(jìn)行顯示。

二、硬件設(shè)計(jì)
（一）信號采集模塊
       常見的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、集成溫度傳感器等，其中熱電偶通常用于測量1000℃以上的高溫，且使用時需要冷端補(bǔ)償；熱敏電阻使用簡單，但是由于其溫度特性的非線性，通常不用于測量場合；集成溫度傳感器通常需要與控制器（如單片機(jī)）相連才能使用。因?yàn)闊犭娮璧臏囟忍匦允欠浅＞€性的，本文決定采用PT100熱電阻完成溫度信號的采集。如圖2所示。將PT100與R1電阻串聯(lián)分壓，即可將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。當(dāng)t=0℃時，PT100的阻值等于R1，此時分壓電壓為2.5V。

（二）信號處理模塊
       信號處理模塊以模數(shù)轉(zhuǎn)換器TC7107為核心，它是由專門根據(jù)數(shù)字儀表生產(chǎn)的數(shù)字儀（滿幅輸入電壓取200mV或者2VINFS表）所設(shè)計(jì)出的一種專用芯片。ICL7107芯片具有高集成度、高轉(zhuǎn)換進(jìn)度以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。它里面包含31/2位的數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可以將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，并且可以將LED數(shù)碼管直接驅(qū)動，199.9為最大顯示數(shù)值，最小的分辨率可以達(dá)到100uV，轉(zhuǎn)換精度則是0.05。部分引腳功能為：a.V+和V-：分別表示電源的正極、負(fù)極;b.GND:接地;c.OSC1～OSC3:表示的是時鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體所組成的一個振蕩器。其中第38腳至第40腳的電容選擇是根據(jù)式FOSL=0.45/RC來決定的;d.COM:表示模擬信號公共端，一般與輸入信號負(fù)的一極和基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連;e.TEST:測試端;f.VREF+、VREF-：分別是基準(zhǔn)電壓的正極和負(fù)極;g.INT：積分電容器;h.IN+、IN-：表示的是模擬量的輸入端，分別與輸入信號的正極和負(fù)極相連;i.AZ：表示的是該積分器和比較器的反向輸入端，與自動調(diào)零電容相連;j.BUF：表示的是緩沖放大器的輸出端，接積分電阻）;k.第2腳至第20腳為顯示部分。
       熱電阻PT100的輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓后，連接至TC7107的31腳VIN+端。通過調(diào)節(jié)RV1使得ICL7107的第36腳為2V，將第31腳與第36腳標(biāo)定的基準(zhǔn)電壓（2V）進(jìn)行比較后完成數(shù)字信號轉(zhuǎn)換工作，即AD轉(zhuǎn)換。
（三）顯示模塊
       TC7107完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，可直接連接LED數(shù)碼管，如圖2所示。其中A1-G1、A2-G2、A3-G3分別為輸出信號的0-2位，AB4輸出第3位，僅能表示0或1。從下至上四個數(shù)碼管，第一個數(shù)碼管使用b、c兩段只顯示“1”，且只有第三個數(shù)碼管的DP引腳被應(yīng)用，顯示小數(shù)點(diǎn)并點(diǎn)亮。因此，四個數(shù)碼管能顯示的最大溫度值是“199.9”。通過數(shù)據(jù)處理電路，四個LED數(shù)碼管接在ICL7107芯片的第2腳至第20腳，通過芯片的AD轉(zhuǎn)換工作，使得四個數(shù)碼管顯示數(shù)值。本文中數(shù)碼管為共陽管。
三、結(jié)束語
       在焊好電路板后需要仔細(xì)檢查電路板上的元器件是否安插正確以及是否有虛焊現(xiàn)象；調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電壓源，使得輸出的電壓是+5V，為提高正確率，電路板上電前先用萬用表進(jìn)行測量；將ICL7107的基準(zhǔn)電壓調(diào)試到2V。將所制作的溫度計(jì)放置于室溫中，調(diào)節(jié)RV1，使數(shù)碼管顯示室溫；加熱熱電阻，記錄不同溫度時數(shù)碼管的顯示值。實(shí)驗(yàn)表明，該溫度計(jì)能正確地顯示熱電阻的溫度。