基于熱電阻溫度計設(shè)計與調(diào)試

摘要:本文以精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ICL7107為核心，設(shè)計一個基于熱電阻溫度計，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屏上顯示實際的溫度值。該溫度計原理簡單、制作方便，可用于實踐教學(xué)中。
       電子溫度計的設(shè)計是電子專業(yè)課程實踐和畢業(yè)設(shè)計的熱門課題。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的制作是課程實踐的重點。市面上大部分溫度計是以單片機為核心的，但考慮到有的學(xué)生沒有單片機基礎(chǔ)，因此設(shè)計出一個以模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)為核心的溫度計是非常有必要的。
一、總體功能設(shè)計
       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)字信號進行顯示。

二、硬件設(shè)計
（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）相連才能使用。因為熱電阻的溫度特性是非常線性的，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)計出的一種專用芯片。ICL7107芯片具有高集成度、高轉(zhuǎn)換進度以及抗干擾能力強的優(yōu)點。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，一般與輸入信號負的一極和基準電壓的負極相連;e.TEST:測試端;f.VREF+、VREF-：分別是基準電壓的正極和負極;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腳標定的基準電壓（2V）進行比較后完成數(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)點并點亮。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行測量；將ICL7107的基準電壓調(diào)試到2V。將所制作的溫度計放置于室溫中，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。實驗表明，該溫度計能正確地顯示熱電阻的溫度。