基于熱電阻溫度計設計與調試

摘要:本文以精度高模數轉換芯片ICL7107為核心，設計一個(gè)基于熱電阻溫度計，系統由信號采集模塊、信號放大模塊、數據處理模塊、顯示模塊四個(gè)模塊組成。系統經(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。該溫度計原理簡(jiǎn)單、制作方便，可用于實(shí)踐教學(xué)中。
       電子溫度計的設計是電子專(zhuān)業(yè)課程實(shí)踐和畢業(yè)設計的熱門(mén)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，基于不同溫度傳感器的溫度計的制作是課程實(shí)踐的重點(diǎn)。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(méi)有單片機基礎，因此設計出一個(gè)以模擬電子技術(shù)和數字電子技術(shù)為核心的溫度計是非常有必要的。
一、總體功能設計
       系統總體功能框圖如圖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字化處理，顯示模塊完成對最后的數字信號進(jìn)行顯示。

二、硬件設計
（一）信號采集模塊
       常見(jiàn)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(shí)需要冷端補償；熱敏電阻使用簡(jiǎn)單，但是由于其溫度特性的非線(xiàn)性，通常不用于測量場(chǎng)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(xiàn)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，即可將溫度信號轉換為電壓信號。當t=0℃時(shí)，PT100的阻值等于R1，此時(shí)分壓電壓為2.5V。

（二）信號處理模塊
       信號處理模塊以模數轉換器TC7107為核心，它是由專(zhuān)門(mén)根據數字儀表生產(chǎn)的數字儀（滿(mǎn)幅輸入電壓取200mV或者2VINFS表）所設計出的一種專(zhuān)用芯片。ICL7107芯片具有高集成度、高轉換進(jìn)度以及抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。它里面包含31/2位的數字A/D轉換器，可以將模擬信號變?yōu)閿底中盘?，并且可以將LED數碼管直接驅動(dòng)，199.9為最大顯示數值，最小的分辨率可以達到100uV，轉換精度則是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(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體所組成的一個(gè)振蕩器。其中第38腳至第40腳的電容選擇是根據式FOSL=0.45/RC來(lái)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(dòng)調零電容相連;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的輸出信號轉換為電壓后，連接至TC7107的31腳VIN+端。通過(guò)調節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(jìn)行比較后完成數字信號轉換工作，即AD轉換。
（三）顯示模塊
       TC7107完成模數轉換后，可直接連接LED數碼管，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(gè)數碼管，第一個(gè)數碼管使用b、c兩段只顯示“1”，且只有第三個(gè)數碼管的DP引腳被應用，顯示小數點(diǎn)并點(diǎn)亮。因此，四個(gè)數碼管能顯示的最大溫度值是“199.9”。通過(guò)數據處理電路，四個(gè)LED數碼管接在ICL7107芯片的第2腳至第20腳，通過(guò)芯片的AD轉換工作，使得四個(gè)數碼管顯示數值。本文中數碼管為共陽(yáng)管。
三、結束語(yǔ)
       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象；調節直流穩壓電壓源，使得輸出的電壓是+5V，為提高正確率，電路板上電前先用萬(wàn)用表進(jìn)行測量；將ICL7107的基準電壓調試到2V。將所制作的溫度計放置于室溫中，調節RV1，使數碼管顯示室溫；加熱熱電阻，記錄不同溫度時(shí)數碼管的顯示值。實(shí)驗表明，該溫度計能正確地顯示熱電阻的溫度。