便攜式電子溫度檢測顯示器

1、便攜式電子溫度檢測顯示器        摘 要：介紹常溫下電子溫度檢測顯示器的研制過程，著重介紹利用固定電阻器對熱敏電阻器進行線性補償并且由電壓直讀溫度的方法與原理。 1 引言本文介紹的溫度檢測顯示器由溫度傳感器（熱敏電阻器）、運算放大器、3位A/D轉換器和顯示器等主要部件組成。數(shù)字溫度計在測量溫度時，把溫度信號通過傳感器轉換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)過適當處理后經(jīng)過模數(shù)轉換器把模擬量轉換成數(shù)字量，數(shù)字量送顯示器顯示。由于是用于常溫下的測溫顯示裝置，將其測量溫度的范圍設置在050即可滿足要求。為了降低成本，采用常用的

2、熱敏電阻器作為溫度傳感器，該傳感器是非線性元件，故通過與固定電阻器串聯(lián)或并聯(lián)來進行線性度的補償，改變電阻值，調整電路的輸出電壓，使在將測溫度范圍2等分的3點上誤差為0，3點以外的其他各點的誤差特性為“S”字形曲線。并且通過在電路中增加簡單的恒壓驅動電橋電路和運算放大器，從輸出電壓直接讀出溫度數(shù)值，如：0V對應0，0.100V對應10，0.500V對應50。電壓輸出后送入核心部件為ICL7107的3位數(shù)字電壓表。ICL7107是一種集成了A/D轉換、譯碼驅動等多種功能的CMOS電路。它的用途非常廣泛，利用它可以組裝成各種體積小、重量輕的數(shù)字儀表。ICL7107組成的數(shù)字電壓表是雙積分類型的數(shù)字電

3、壓表，被測電壓VIN與參考電壓VREF之間有著嚴格的比例關系。    輸出讀數(shù)=(VIN/VREF)×2000根據(jù)這個關系，VREF應設定為2000mV，使被測定電壓和標準成對應關系。本設計就是根據(jù)這個關系，把被測的溫度經(jīng)過傳感器和放大器送給ICL7107進行轉換，最后用數(shù)字顯示讀數(shù)。利用VIN與VREF的比例關系來設計電路，可以大大簡化放大器的設計和調試工作。圖1示出其工作原理框圖。本文所述的電子溫度檢測顯示器采用常用元件，具有電路簡單、成本低廉、精確度較高、線性度好、測量范圍大等優(yōu)點，而且溫度值通過數(shù)碼管直接顯示，非常直觀。稍作改進后即可實現(xiàn)便攜。所

4、需元器件有：一只通用運算放大器A741，一只ICL7107，3只共陽極數(shù)碼管，若干電容器和電阻器。該電子溫度檢測顯示器的性能指標如下：（1）測溫范圍：050(實際可測量并顯示的范圍更大)；（2）測量誤差：±1（與熱敏電阻的阻值有關，下文將給出計算式）。   圖1 工作原理框圖 2 測溫原理2.1溫度傳感器的選擇選用MF53.3型負溫度系數(shù)熱敏電阻。傳感器的精度高，可靠性好，具有良好的互換性和穩(wěn)定性?？捎糜诙c測溫（通過下文所敘原理及推導還可以從參數(shù)角度選擇熱敏電阻）。其主要技術指標見表1，電阻溫度特性見表2。 表1技術指標 參數(shù)名稱 數(shù)值 標稱值及允許偏差 1000

5、7;2() B值及允許誤差 2970±2(K) 時間常數(shù)/s 120 耗散常數(shù)/mW/ 8 測量功率/mW 0.2 表2電阻溫度特性 參考溫度點/ 阻值及允許偏差/ 25 6375±6 0 2340±4 25 1000±2 50 474±4 75 263±6 這種傳感器的使用環(huán)境如下：    溫度：2570（實際測溫范圍比引言部分提到的要寬）；振動：振頻10Hz500Hz,加速度達100m/s2；濕度：40±2時達98；碰撞：40次/min80次/min，加速度達150m/s2（4000次）2.

6、2補償電阻器的選擇及確定在本設計中，采用的是用一個固定電阻器同熱敏電阻器串串并聯(lián)來實現(xiàn)線性補償。不言而喻，熱敏電阻器的電阻溫度特性是非線性的。把固定電阻器R與熱敏電阻器并聯(lián)，總電阻RP在Ta、Tb、Tc三點完全滿足線性關系，在三點外的溫度下，RP呈現(xiàn)有“S”字形的特性，當相同數(shù)值的固定電阻與熱敏電阻器串聯(lián)時，固定電阻器兩端的電壓ER，呈現(xiàn)與RP同樣的“S”字形特性，最大誤差也相同。本設計采用串聯(lián)。補償電阻器的數(shù)值的計算方法為：首先，把測溫區(qū)間劃分2等分，所得3個溫度點由低至高分別是Ta、Tb、Tc，相應的熱敏電阻值分別是Ra、Rb、Rc。采用恒流源的電路，為使在Ta、Tb、Tc下補償電阻器R兩

7、端的電壓ERa、ERb、ERc處在同一條直線上，必須滿足ERbERa=ERcERb，由此可得從而得到對于本設計采用的MF533型熱敏電阻器，若將Ta、Tb、Tc分別取為0、25、50，則根據(jù)表2可以計算出補償電阻器的阻值為R=731.79。2.3與熱敏電阻器串聯(lián)的電阻器的端電壓與溫度成正比    當熱敏電阻器Rt和固定電阻器R串聯(lián)并用恒壓源供電時，熱敏電阻器兩端的電壓隨溫度升高而降低，但R兩端的電壓卻隨溫度升高而升高。利用這一點，可使ER與溫度成正比。當保證恒壓源電壓為1.0V不變時，ER變?yōu)榇隡F53.3熱敏電阻器在3個參考點的阻值，分別可得到0、25、50的

8、ER值：E0=0.2382V;E25=0.4226V;E50=0.6069V。    由于E0、E25、E50在一條直線上，因而在這3個點，ER值與溫度值符合的很好，但這里不能用電壓直讀溫度。由以上兩部分推導熱敏電阻器在溫度等分點處的電阻值，即可選擇MF53.3型熱敏電阻器。2.4由電壓直讀溫度及測溫誤差采用由電橋和運算放大器組成的電路，可以取代雖然正確但卻有難度的電壓溫度關系，從輸出電壓的大小直接讀出溫度值。為此，首先要確定運算放大器的增益。在本設計中，溫度變化50時電阻器R兩端的電壓變化為0.3687V，因此，增益G的數(shù)值是   圖2線性補償原理圖

9、式中，D是Tc與Ta之間的溫度差（），ERc與ERa分別是Tc與Ta時R兩端的電壓，因此G變?yōu)槿缓?，計算Ta時的ER值，再從該值中減去（Ta/100）/G，其差值就是為得到等于Ta/100的電壓必須在電阻器R2兩端出現(xiàn)的電壓，如Ta=3時，輸出Ta/100剛好等于0.030V。R2兩端的電壓E2是對應任意溫度Tx的輸出電壓Ex是    Ex=GE(R/RRx)E2    式中，Rx是溫度Tx時的熱敏電阻值。最后，誤差EC（）等于    EC=100ExTx2.5A/D轉換以及驅動顯示電路如本文開頭所敘，由傳感器得到的有關電壓值經(jīng)過上述線性補償、減法電路轉換以后，已經(jīng)實現(xiàn)了由電壓直讀溫度。如果此時后面接的是一個數(shù)字電壓表，問題即可圓滿解決。最簡單的方法是采用目前被廣泛用于數(shù)字電壓表與數(shù)字萬用表中的集成電路ICL71XX系列（區(qū)別僅在于其驅動的顯示器種類不同）組成一個數(shù)字電壓表。該電路的具體原理與使用情況，請參考相關文章，在此不予詳細介紹。3 結束語熱敏電阻器是一個常用的溫度傳感器，但是由于其自身電阻溫度特性存在嚴重的非線性，所以