一種基于Proteus的數字溫度計

冷俊男 陳毅豪

(西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 設計方案

溫度是非電量模擬信號，數字顯示溫度就必須將這一非電量信號轉換成電量(電壓或電流)，然后將模擬電信號經ADC轉換成數字信號，最后經譯碼顯示器顯示溫度值。本設計擬實現-30℃～100℃的常用溫度顯示范圍內顯示溫度，將該數字溫度計的設計電路分為了3個子電路：溫度采集電路、精密放大電路、A/D轉換及譯碼顯示電路，方案流程圖如圖1所示。

圖1 數字溫度計方案流程圖

2 工作過程

由圖1可得知本溫度計的大致工作過程：

在溫度采集電路中，LM35溫度傳感器共有3個引腳，除了VCC與GND以外，還有一個輸出電壓引腳，接7107芯片的模擬信號輸入端。LM35有單電源模式與正負雙電源模式，為了接線方便，本設計采用單電源供電，工作電壓較寬，可在4～20V的供電電壓范圍內正常工作，非常省電。電路中采用5V電源，已足以完成溫度采集。溫度采集電路的Proteus設計圖如圖2所示。

圖2 溫度采集電路圖

由于LM35的輸出電壓變化的是比較微弱的信號，7107比較器的工模抑制能力很強，需要對得到的電壓變化信號進行放大。精密放大功能是TC7107中自帶的比較器實現的，雖然INA儀表放大器(精密低噪聲信號采集儀表放大器)、UA741放大器(高增益放大器)也是常用的放大器，但以上兩者都在AD轉換器以外單獨接了至少一個運算放大器，會使得外部電路復雜，給電路分析帶來不便，并且在批量生產時明顯提高成本。

TC7107是高性能、低功耗的三位半AD轉換器，同時包含有七段譯碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘系統，集AD轉換功能、譯碼功能于一體，由此TC7107可直接驅動共陽極LED數碼管。省去了譯碼器接線，使得電路更為簡化。總的來說，TC7107與外圍電路共同完成了AD轉換電路、譯碼電路與驅動電路3種功能電路。

圖3 A/D轉換及譯碼顯示電路框圖

A/D轉換及譯碼顯示電路工作流程則如圖2所示。由上述分析，可以畫出基于Proteus的數字溫度計的電路圖如圖3所示(以50℃仿真結果為例)。

圖4 50°下的仿真結果展示

3 目前存在的問題

(1)如果不改動電源支路滑動變阻器阻值，誤差會逐漸積累，假設其阻值仍是保證5℃精確讀數的阻值不變，則100℃時數字溫度計示數如圖4所示。

圖5 100℃下的仿真結果展示

可以看出誤差有1.1℃之多，究其原因：本設計需要保證滿量程讀數，由7107芯片的特性可知：參考電壓需要嚴格保證為滿量程電壓(2V)的一半，即為1V，因此需要不斷調整電源支路的滑動變阻器總的阻值，保證輸入參考電壓與1V相差無幾，才可以保證精準讀數，不會因為設定溫度的改變而影響溫度計的精確性。

(2)當電壓為負時，誤差極大，示數幾乎為實際溫度的1/10，若不采取任何措施，-30℃時的溫度計示數如圖5所示。

圖6 -30℃下的仿真結果展示

查閱相關資料之后可以了解到：由于LM35溫度傳感器的特性，當輸出電壓為負時，電壓壓差會變得極小，在LM35輸出端加一個下拉電阻以及負電源增大壓差即可。

4 結語

本文利用LM35溫度傳感器，7107A/D轉換芯片，八段共陽數碼管，完成了數字溫度計系統的搭建，并對數字溫度計系統進行了仿真，焊接硬件電路并進行了測試。測試結果顯示，設計的溫度計系統(電路)，基本達到了設計要求。首次的設計存在有不足，在溫度較高(接近100℃)的時候，誤差較大(接近1℃)，且當顯示度數為負的時候，讀數不夠準確。在深究其原理之后，采取了相應措施，保證了讀數的準確性。