1、電路的設(shè)計

數(shù)字溫度計電路原理系統(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，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)動數(shù)碼管，省去了譯碼器的接線，使電路精簡了不少，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，用ICL7107驅(qū)動數(shù)碼管實現(xiàn)信號的顯示。

2、電路原理及其電路組成

數(shù)字溫度計的設(shè)計原理圖見下圖。它通過LM35對溫度進行采集，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與用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，LM35無需外部校準或微調(diào)，可以提供±1/4℃的常用的室溫精度。

LM35具有以下特點：

（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負載時0.1Ω；

（5）精度：0.5℃精度（在+25℃時）；

（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）校準方式：直接用攝氏溫度校準；

（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，工作電流為120mA，功耗極低，在全溫度范圍工作時，電流變化很小。電壓輸出采用差動信號方式，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，每個數(shù)字量對應(yīng)電壓值為4.883mV，（由12位AD，滿量程20V可得），用Ks表示?？汕蟮脭?shù)字量變化與溫度變化的對應(yīng)關(guān)系：

當ｔ＝0℃時，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、信號調(diào)理電路、A/D采樣電路、單片機系統(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以電壓形式輸出到信號調(diào)理電路，信號經(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)字量值送給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計的溫度要求判斷是否需要接通加溫電路。

2.2、溫度信號采集電路

Op－07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP-07A最大為25μV），所以O(shè)P-07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP-07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP-07A為300V/mV）的特點，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量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。

OP－07具有以下特點：

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期穩(wěn)定等特點。

由LM35和OP-07組成的信號采集電路如圖2.3所示：

圖2.3　信號采集電路

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，同時包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。ICL7107可直接驅(qū)動共陽極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)換誤差小于一個字。真正的差動輸入和差動參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測量負載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時會有更突出的特點。

ICL7107轉(zhuǎn)化器原理圖如圖2.4所示。其中計數(shù)器對反向積分過程的時鐘脈沖進行計數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。

驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應(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：

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

第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負號顯示。

第三，當輸入電壓超量限時發(fā)出溢出信號，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LED。它的每個測量周期自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。

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)動三個數(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。這要求我們在接電路時要小心，不能出現(xiàn)錯誤。

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com，而每一LED的陰極分別為a，b，c，d，e，f，g及sp（小數(shù)點），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)計當中，由于ICL7107的特點，它只能驅(qū)動共陽極數(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，我們要注意數(shù)碼管各個管腳所對應(yīng)的字母，不能接錯或接漏，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)試與測量數(shù)據(jù)

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

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

（2）當上步驟完成后，接通電源，觀察數(shù)碼管和二極管是否亮，若不亮?xí)r，要對電路電源進行檢測，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，則要檢查信號采集電路中各元件值是否對。

為了驗證設(shè)計電路的正確性以及它的實驗數(shù)據(jù)，我們對實物進行驗證。用帶有溫度測量的數(shù)字萬用表和本次設(shè)計的電路對相同溫度下物體進行相應(yīng)的測量并繪成表格進行比較。如表3.1。

表3.1 萬用表與設(shè)計電路數(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℃。