基于热电阻温度计设计与调试

摘要:本文以精度高模数转换芯片ICL7107为核心，设计一个基于热电阻温度计，系统由信号采集模块、信号放大模块、数据处理模块、显示模块四个模块组成。系统经热电阻感受外界温度的变化，并在LED屏上显示实际的温度值。该温度计原理简单、制作方便，可用于实践教学中。
       电子温度计的设计是电子专业课程实践和毕业设计的热门课题。以《传感器与检测技术》课程为例，温度传感器是该课程的重要章节，基于不同温度传感器的温度计的制作是课程实践的重点。市面上大部分温度计是以单片机为核心的，但考虑到有的学生没有单片机基础，因此设计出一个以模拟电子技术和数字电子技术为核心的温度计是非常有必要的。
一、总体功能设计
       系统总体功能框图如图1所示，信号采集模块完成对温度的采集，信号处理模块完成对温度信号的数字化处理，显示模块完成对最后的数字信号进行显示。

二、硬件设计
（一）信号采集模块
       常见的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻、集成温度传感器等，其中热电偶通常用于测量1000℃以上的高温，且使用时需要冷端补偿；热敏电阻使用简单，但是由于其温度特性的非线性，通常不用于测量场合；集成温度传感器通常需要与控制器（如单片机）相连才能使用。因为热电阻的温度特性是非常线性的，本文决定采用PT100热电阻完成温度信号的采集。如图2所示。将PT100与R1电阻串联分压，即可将温度信号转换为电压信号。当t=0℃时，PT100的阻值等于R1，此时分压电压为2.5V。

（二）信号处理模块
       信号处理模块以模数转换器TC7107为核心，它是由专门根据数字仪表生产的数字仪（满幅输入电压取200mV或者2VINFS表）所设计出的一种专用芯片。ICL7107芯片具有高集成度、高转换进度以及抗干扰能力强的优点。它里面包含31/2位的数字A/D转换器，可以将模拟信号变为数字信号，并且可以将LED数码管直接驱动，199.9为最大显示数值，最小的分辨率可以达到100uV，转换精度则是0.05。部分引脚功能为：a.V+和V-：分别表示电源的正极、负极;b.GND:接地;c.OSC1～OSC3:表示的是时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体所组成的一个振荡器。其中第38脚至第40脚的电容选择是根据式FOSL=0.45/RC来决定的;d.COM:表示模拟信号公共端，一般与输入信号负的一极和基准电压的负极相连;e.TEST:测试端;f.VREF+、VREF-：分别是基准电压的正极和负极;g.INT：积分电容器;h.IN+、IN-：表示的是模拟量的输入端，分别与输入信号的正极和负极相连;i.AZ：表示的是该积分器和比较器的反向输入端，与自动调零电容相连;j.BUF：表示的是缓冲放大器的输出端，接积分电阻）;k.第2脚至第20脚为显示部分。
       热电阻PT100的输出信号转换为电压后，连接至TC7107的31脚VIN+端。通过调节RV1使得ICL7107的第36脚为2V，将第31脚与第36脚标定的基准电压（2V）进行比较后完成数字信号转换工作，即AD转换。
（三）显示模块
       TC7107完成模数转换后，可直接连接LED数码管，如图2所示。其中A1-G1、A2-G2、A3-G3分别为输出信号的0-2位，AB4输出第3位，仅能表示0或1。从下至上四个数码管，第一个数码管使用b、c两段只显示“1”，且只有第三个数码管的DP引脚被应用，显示小数点并点亮。因此，四个数码管能显示的最大温度值是“199.9”。通过数据处理电路，四个LED数码管接在ICL7107芯片的第2脚至第20脚，通过芯片的AD转换工作，使得四个数码管显示数值。本文中数码管为共阳管。
三、结束语
       在焊好电路板后需要仔细检查电路板上的元器件是否安插正确以及是否有虚焊现象；调节直流稳压电压源，使得输出的电压是+5V，为提高正确率，电路板上电前先用万用表进行测量；将ICL7107的基准电压调试到2V。将所制作的温度计放置于室温中，调节RV1，使数码管显示室温；加热热电阻，记录不同温度时数码管的显示值。实验表明，该温度计能正确地显示热电阻的温度。