数字温度计全文

引言：

随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数字化技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示。但作为一个初学者，在设计过程中难免存在一些问题，还请老师能够多多指正！

摘要：

温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表。随着时代的进步和发展，数字温度计得到了迅速的发展。数字温度计的优点是准确度高，不易误读，分辨率高，特别是在测量小的温度变化时比较准确。数字温度计已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。

1 课程设计的目的与要求

1.1 课程设计题目

设计一个数字温度计测量值范围0℃～200℃.

1.2 设计的目的

（1）掌握数字温度计的设计，组装与调试方法。

（2）熟悉3位1/2A/D转换器的使用方法，并掌握其工作原理

1.3 设计的内容与要求

(1)设计数字温度计电路。

(2)范围0℃～200℃。

(3)组装、调试数字温度计电路。

(4)画出数字温度计的电路图，写出总结报告。

(5)选做内容：数字体温计。

2 总体方案设计

2.1 数字温度计设计方案论证

2.1.1设计方案分析

（1）分析设计题目要求

数字温度计基本功能应该是：

①用温度传感器将温度信号转换成电压信号，该电压信号经过模数转换器把模拟量转

换变成数字量，数字量送显示器显示所测的温度。

②温度值的范围是0℃～200℃

2.1.2选择总体方案

满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案进行比较。

（1）方案一

考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只热偶温度传感器，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

（2）方案二

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案一，电路比较简单，软件设计也比较简单，但单片机没学本次课题设计主要是巩固以前学的知识以及一些基础的电路原理因此采用第二种方案。

2.2 选择方案的总体设计框图

方案二的原理框图如图2.2.1所示，图中各部分的作用如下：

（1）晶体传感器：将温度信号转换成对应的电压信号。

（2）A/D转换器：将模拟电压信号转换成数字电压信号。

（3）显示器：显示器为七段共阳数码管，用来读出温度度值，并以十进制数的形式由数码管显示出来。

（4）电源电路：按电路要求提供±5v的双电源供电。

图2.2.1

2.3 数字温度计的基本原理

简单的数字温度计可由温度传感器、3位半A/D转换器和显示器等组成，有些数字温度计还有放大器，以提高测量范围。数字温度计在测量温度时，把温度信号通过传感器转换成电压信号，该电压信号经过模数转换器把模拟量转变成数字量，数字量送显示器显示温度值。

数字温度计的传感器，使用一个对温度敏感的硅热敏晶体管，在温度发生变化时，热敏晶体管的b-e结正向压降的温度系数为-2mv/℃,利用这个特性可以测量温度的变化。由于在0℃时晶体管的基极存在一个电压V be ,因此需要设计一个调零电路，调节调零电路使热敏晶体管在0℃的环境中温度计输出为零，也就是显示器的读数为零。温度计满度读数为200.0（200℃），调节时，热敏晶体管放置在200℃的环境中，由于热敏晶体管的温度系数为-2mv/℃，所以在200℃的环境下，热敏晶体管的b-e结压降增量为-400mv，根据式（1-1）得知，调节参考电压，使V REF=400mv时，输出读数为200.0.这样，就使数字温度计实现0℃～200℃的测量，其精度为0.1℃.一般系统只要把0℃和满标度两点调好，输出读数与温度成对应关系，输出读数与V REF与V IN之间仍保持式（1-1）的关系。小数点取第二个数码管的p段显示。

3 单元电路的设计

3.1 温度检测：

温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。常见的温度传感器有热电偶、热敏晶体管和半导体集成温度传感器。热电偶价格便宜，精度高，能测量的范围广可以为0～200℃.故选用热电偶。如上所述，此部分电路的功能是由传感器将温度信号转换为电压信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，已达到所需的电压，一般为几伏。

温度传感器：传感器采用的是温度敏感的热敏晶体管作用是通过这传感器将温度信号转换成电压信号。

热电偶的工作原理：

热电偶的工作原理图如图3-1-1所示。当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，如图3-1-2a所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导

体的连接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势差△V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图3-1-2b所示。并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当△V很小时，△V与△T成正比关系。定义△V对△T的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。

图3-1-1热电偶的工作原理图

图3-1-2热电偶的工作原理图

温度传感器----热电偶的应用原理一、温度传感器热电偶的应用原理温度传感器热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：①测量精度高。因温度传感器

热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。②测量范围广。常用的温度传感器热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。③构造简单，使用方便。温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。温度传感器热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图3-2所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。2．温度传感器热电偶的种类及结构形成（1）温度传感器热电偶的种类常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。所调用标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。温度传感器热电阻的应用原理温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

3.2 放大电路的设计：

放大电路：AD5 9 4 ／AD5 9 5可方便地连接成一个设定温度控制器，如图3-2所示。热电偶用来检测温度，并向AD59／AD595的输入端提供一个热电势，这个信号经冷端补偿后，放大到l0mV／C。

图3-2 放大电路图

3.3 A /D 转换及数字显示电路设计

随着大规模集成电路制造技术的不断发展，各种大规模集成A /D 转换器相继出现。MC14433是目前广泛应用于数字测量系统的一种3位半A /D 转换器。在数字仪表中，MC

14433电路是一个低功耗3

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位双积分式A/D 转换器。MC14433电路总框图如图3-3-1所示。由图3-3-1可知，M C14433A/D 转换器主要由模拟部分和数字部分组成。使用时只要外接两个电组和两个电容就能执行3

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位的A/D 转换器。 (1)模拟部分：图3-3-2为每14433内部模拟电路的工作原理示意图。其中共有3个运 算故大器A 1, A 2, A 3和10多个电子模拟开关，A 1接成电压跟随器，以提高AID 转换器的输人 阻抗，由干A 1采用C M OS 电路，因此输入阻抗可达100M Ω以, A 2和外接的R 1、C 1构成一 个积分放大器，完成V/ T 即电压一时间的转换。A 3接成电压比较器，主要功能是完成“0”电平 检出，由输人电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定输出是“l ”还是“0"。比较器的输出 用作内部数字控制电路的一个判别信号。电容器C 0为自动调零失调补偿电容。

(2)数字部分:包括图3-3-1中除“模拟部分”以外的部分。其中四位十进制计数器为 3

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位BCD 码计数器，对反积分时间进行计数（0一1999)，并送到数据寄存器;数据寄存器为 3

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位十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号（DU ）作用下、锁定和存储A/D 转 换结果;多路选择开关，从高位到低位逐位输出多路调制BCD 码Q 0-Q 3,并输出相应位的多 路选通脉冲标志信号DS 1- DS 4;控制逻辑，这是A/ D 转换的指挥中心，统一控制各部分电路 的工作，它是根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D 转换6个阶段的开关转换 和定时转换信号，以及过量程等功能标志信号，在对基准电压V n 进行积分时，令4位计数器 开始计数，完成.A/D 转换;时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，并利用内部电容形成振荡， 产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈R-C:多谐振荡器，一般外接 电阻为360k Ω时，振荡频率则为100kHz,当外按电限为470k Ω时，振荡频率则为66kHx,当外接电阻为75Dk Ω时，振荡频率则为50kHz 。若采用外时钟频率，则小要外接电阻，外部时钟频率信号 从CLKI(⑩脚)端输入，时钟脉冲CP 信号可从CLKO{@脚)获得;极性检测，显示输人电压压 V x 的正负极性;过载指示(溢出)，当输人电压Vx 超出量程范围时，输出过量程标志OR 。

图3-3-1 MC14433电路总框图

图3-3-2 模拟电路工作原理图

M C 14433 A/D 转换器是双斜积分，采用电压一时间间隔( V/R)方式，通过先后对被测电压 模拟量V X 和基准电压V R 的两次积分，将输人的被测电压转换成与其平均值成正比的时间 间隔，用计数器测出这个时间间隔内的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。

双积分过程可以由下面的式子表示:

因V 01=V 02，故有V=

R X

V T T 1

式中，T 1=4000 T CP 。 T 1是定时间，Tx 为变时间，由R 1C 1确定斜率，若用时钟脉冲N 来表示时间Tx ，则被测电压就转换成了相应的脉冲数，实现了A/D 转换 如何选择积分回路元件R 1、C 1,的参数值?

积分电阻电容的选择应根据实际条件而定，若时钟频率为66 kHz, C 1一般取0.1μF, R 1, 的选取与量程有关，量程为2V 时，取R 1=470k Ω;量程为200m V 时取R=27k Ω。 选取R 1和C 1.的计算公式如下:

式中为积分电容上充电电压幅度

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A/D 转换器设计了自动调零线路，其中缓冲器和积分器采用模拟调零方式，而比较器采用数字调零方式。在自动调零时，把缓冲器和积分器的失调电压存放在一个失调补偿电容C 0上。而比较器的失调电压用数字形式存放在内部的寄存器中，A/D 转换系统白动扣除电容上和寄存器中的失调

电压.就可得到精确的转换结果。

M Ci4433采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图3-3-3所示，各引脚端功能说明

如下:

图3-3-3MC14433引脚图

各引脚的功能如下：

电源及共地端

VDD：主工作电源+5V。

VEE: 模拟部分的负电源端，接-5V。

V AG：模拟地端。

VSS：数字地端。

VR：基准电压。

外界电阻及电容端

RI：积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470?；VX=200Mv时，R1=27K?。

C1：积分电容输入端。C1 一般为0.1μF。

C01、C02：外界补偿电容端，电容取值约0.1μF。

R1/C1：R1 与C1的公共端。

CLKI、CLKO ：外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取470 K?左右。

转换启动/结束信号端

EOC：转换结束信号输出端，正脉冲有效。

DU：启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。

过量程信号输出端

/OR ：当|Vx|?VR，过量程/OR 输出低电平。

位选通控制线

DS4----DS1：选择个、十、百、千位，正脉冲有效。

DS1 对应千位，DS4 对应个位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。

3.4 显示电路：

CD4511是一个用于驱动共阴极LED （数码管）显示器的BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

CD4511 是一片CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图3-4-1 所示。其中a b c d 为BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511 和LED 数码管即可。所谓共阴LED 数码管是指7 段LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。

图3-4-1 CD4511 引脚图

其功能介绍如下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作

3-4-1 CD4511的工作原理

（1）CD4511的工作真值表如表3-4-2所示：

（2）锁存功能

译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

（3）译码

CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C 进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。

（4）消隐

BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为

J==（C+B）D+BI

如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D

据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。

表3-4-2 CD 4511的真值表：

8421 BCD 码对应的显示见下图：

图3-4-3 8421 BCD 码对应的显示图

选用共阴极数码管，对于CD4511 ，它与数码管的基本连接方式如下图：

图3-4-4 共阴极数码管

3.5 总电路图

采用热电偶的数字温度计电路如图3-5所示，热电偶前放置放大器采用AD594A，转换器采用MC14433。传感器采用J型或K型热电偶时，在0℃-400℃的温度测量范围内可以获得满度±1% ±1位数字所显示的精度。

如图3-5 数字温度计电路图

4 总结与体会

经过将近一周多的课程设计，终于完成了我的数字温度计的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的。

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，一起和同学去图书馆找资料，一件实物电路图可能就只是由几个简单的电路或者就是一个集成电路组成的但元器件的参数选用却是需要考虑很多方面的内容，有好多的东西，只有我们去试着做了，才有可能掌握一些以前看书或上课期间不懂不理解的东西，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。

从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，特别是下个学期学习单机片机更是如此，只有在自己亲自动手动脑才能让自己更有信心。

5 参考文献

【1】姚福安，电子电路设计与实践。山东科学技术出版社。

【2】黄永定，电子线路实验与课程设计。机械工业出版社。

【3】康华光，电子技术基础（数字部分）。高等教育出版社。

【4】康华光，电子技术基础（模拟部分）。高等教育出版社。

6 附录

主要元件清单：