简易温度测试仪的设计与实现

李良

【摘 要】温度传感器的应用范围很广，它不仅广泛应用于日常生活中，而且也大量应用于自动化和过程检测控制系统。在日常生活、医疗、工业生产、通信设备维护、和科研工作中很多时候需要对温度进行测量和控制，数字式温度测量仪器是采用数码管直接显示被测温度值，这种数字显示不仅直观、测量精度高而且便于控制。

【关键词】温度传感器AD590 MC14433 CD4511

1 引言

温度测量方法很多，有水银温度计测温、热敏电阻测温、辐射式测温、铂电阻测温以及热电偶测温等。随着测温精度及温度范围的不同，可选用不同的测温方式，对于精度要求高及温度范围宽的测温，通常选用铂电阻测温方式或热电偶测温方式，这也是工程上被广泛应用的测温及控温方法。本次设计的温度测量范围为0℃到50℃。在此电路里运用了温度传感器、运算放大器、A/D转换器和数码显示器等部件。在进行温度测量时把温度信号通过传感器转换成电信号，该电信号经过适当处理后经过模数转换器把模拟量转换成数字量，再用数码显示管显示被测温度值。

1.1 总体设计

数字式测温电路应具有下列基本功能：

①把温度量转换为成比例的模拟电信号（电压）。

②把模拟电信号变换成数字电信号。

③最后通过数字电路直接显示温度值。

根据上述功能数字式测温电路主要包括：温度检测、数模转换和计数、译码、显示三大部分。

1.2 设计方案

①温度采集及放大：这部分电路关键是确定温度传感器，常用的传感器有热电偶、铂电阻、半导体热敏电阻等。今年来集成温度传感器已被广泛采用。它的主要优点是测温精度高、线形优良、使用方便适于远距离传送，不足之处是它的适用温度范围不是很宽。

②模拟数字转换器：本设计选择集成A/D转换器实现模数转换，该方法的优点是电路简单、成本较低、特别是抗干扰能力强。它尤其适于在转换速度不高又需要远距离信号传输的场合。

③计数、译码和显示电路：数字部分完成计数和译码电路功能，

2 设计原理

采用的热敏电阻器AD590作为热敏电阻，故通过与固定电阻器串联或并联再改变电阻值来调整电路的输出电压，并且通过在电路中增加简单的运算放大器稳定输出电压，从输出电压直接读出温度数值，如0V对应0.00℃，0.10V对应10.0℃，0.50V对应50.0℃。

模数转换部分用A/D转换器MC14433实现。MC14433是一种集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路的芯片。MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。MC14433组成的数字电压表是双积分类型的数字电压表，被测电压Vin与参考电压Vref之间有着严格的比例关系，如下：输出读数=（Vin/Vref）×1999。

根据这个关系，Vref应设定为2000mV，使被测定电压和标准成对应关系。本设计就是根据这个关系，把被测的温度经过传感器和放大器送给MC14433进行转换，最后用数字显示读数。利用Vin与Vref的比例关系来设计电路，可以大大简化放大器的设计和调试工作。译码显示电路此部分主要有译码驱动器CD4511、74LS04、三个LED数码显示管组成。

本文所述的电子温度检测显示器采用常用元件，具有电路简单、成本低廉、精确度较高、测量范围适当等优点，而且温度值通过数码管直接显示，非常直观。

该电子温度检测显示器的性能指标如下：

（1）测温范围：0℃～50℃（实际可测量并显示的范围更大）；

（2）测量误差：≤±1℃。

3 制作器件介绍

3.1 温度传感器

AD590是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机远距离温度测量和控制.远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成。其电阻比较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上压降一般不影响测量精度。不需要温度补偿和专门的线性电路。由于以上独特优点，AD590在温度测控领域中得到广泛的应用。AD590是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，它会将温度转换为电流。该器件具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。可广泛应用于各种冰箱、空调器、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化，通过对 电流的测量可得到所需要的温度值。AD590的主特性参数规格如下：

温度每增加1℃，它会增加1μА 输出电流；

工作电压：4～30V；

工作温度：-55～+150℃；

保存温度：-65～+175℃；

灵敏度：1μA/K。

3.2 A/D转换器

MC14433 是单片3（1/2）位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要特性如下：精度：读数的±0.05%±1字；转换速率： A/D转换速率：4～10次/秒输入阻抗：大于1000MΩ；模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档；电源电压：±4.8V—±8V，通常采用VDD=+5V，VEE=-5V；功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值）。

输出形式：输出四位BCD码，可实现LED的动态扫描。有三位半十进制计数器——用来计数0～1999，并有过量程标志输出。MC14433采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分别在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪

表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

3.3 译码驱动器

CD4511？是锁存/7段译码/驱动器 ，应用特点：具有灯测试，消隐和锁存控制功能。能提供较大的电流，可直接驱动LED显示器。多用于驱动共阴极LED数码管显示（有时也用做 3-8线译码，类似74LS138 ）。

由于A/D转换器MC14433的输出为BCD码，所以选用CD4511四线-七段锁存译码器/驱动器作为译码驱动芯片。CD4511式BCD-7段锁存译码驱动器是在同一单片结构上由CMOS逻辑器件和NPN双极型晶体管构成。这些器件的组合，是由于CD4511具有底静态耗散和高抗干扰及电源电流高达25mA的性能。由此可直接驱动小尺寸LED及其他器件。它有LT、BI、LE三个输入断分别检测显示、亮度调节、存储或选通-BCD码等功能。当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。

其主要特性如下：输入电压范围：3V～15V；输入电压极限值：-0.5V～18V；

输入电流：±10mA；工作温度范围：-55℃～185℃；输出高电平电压：4.0V；输出低电平电压：0.05V。

3.4 反相器

CD4511芯片只能驱动共阴极数码管，而CD4511输出的为高电平选通信号，所以需要在CD4511与显示电路之间加反相环节，该反相功能采用74LS04来实现。74LS04是采用双极型工艺制造的集成六反相器。

4 设计实现

4.1 测温电路的设计

在设计测温电路时，首先应将温度显示变换成电压的形式。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1℃，电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，AD590输出电流是以绝对温度（-273℃）为基准，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μА。

该部分电路功能上主要将温度传感器转换的电信号进行处理，即放大微弱电压电流或电荷信号、提高输入阻抗、隔离等。放大电路的结构形式是由传感器的类型来决定的。在设计测温电路时，首先应将温度的显示变换成电压形式。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1℃，电流就增加1μA。

4.2 A/D转换和显示电路的设计用A/D转换器MC14433实现

A/D转换：由传感器输出的信号为模拟信号，要想显示出来就必须将模拟信号转化为数字信号。模拟信号数字化包括采样、编码、量化三个阶段。在电路中用A/D转换器来实现模拟量与数字量的转换。A/D转换器分为直接型和间接型，直接型又称比较型，它将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到输出，此类A/D转换器主要有逐次逼近式和并行式A/D转换器。间接型又称积分型，它先将模拟电压转换成时间间隔或频率信号，然后再把时间或频率信号转换为数字量输出，此类A/D转换器主要有双积分式。本次设计采用的A/D转换器为MC14433。MC14433采用双积分原理实现A/D转换，是CMOS大规模集成电路，它具有功耗低、精度高、使用简便等优点，它的输出形式为BCD码，可以实现LED的动态扫描显示。

首先将AD590的输出温度显示变换成电压形式输出，由于此信号为模拟信号，因此，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。采用MC14433的转换电路参考整体电路图9所示。此电路的作用是通过A/D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号，以控制显示电路。其中CD4511为译码/锁存/驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段译码。LED数码显示由CD4511的位选信号DS1～DS4通过反向器与非门74LS04来驱动。

4.3 译码显示电路

CD4511芯片只能驱动共阴极数码管，而CD4511输出的为高电平选通信号，所以需要在CD4511与显示电路之间加反相环节，需要连接反相器74LS04。

温度测量部分总体电路如图1，通过实验箱提供准确的2V的参考电压，芯片MC14433的脉冲由外接的阻容元件由R1、C1及失调补偿电容C2来提供，MC14433的-5V电压也由实验箱连接。为显示十位的小数点，将数码管的DP引脚串联一限流电阻后与+5V电源相连，这样就可以保证当MC14433发出选通信号，选通数码管（十位）显示时小数点也同时亮起。

5 结语

温度传感器的应用范围很广，它不仅广泛应用于日常生活中，而且也大量应用于自动化和过程检测控制系统。在通信、工业生产、气象、科研、航天等部门，经常需要对环境温度进行测量及控制。目前，温度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。主要表现在以下两方面：（1）温度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温度测控系统创造了有利条件；（2）在温度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。

温度传感器的种类很多，根据现场使用条件，本设计选择恰当的传感器类型保证了测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。

参考文献：

[1]郑家龙，王小海，章安元.集成电子技术基础教程.高等教育出版社.

[2]梁宗善主编.新型集成电路的应用—电子技术基础课程设计.华中理工大学出版社.

[3]沈肆昌主编.数字设计引论.高等教育出版社.