课程设计（论文）基于AD590温度计

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1、 桂林电子科技大学（论文实训）用纸 第 16 页 共 16 页前言进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市

2、场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本

3、世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工

4、等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6300K范围内的温度。目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感

5、器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。1 AD590的特性1.1 AD590的功能及特性AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图1所示，它采用金属壳3 脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图1.1所示。图1.1AD590的主特性参数如下：工作电压：430V；工作温度：55150；保存温度：65175；正向电压：44V；反向电压：20V；焊接温度（10秒）：

6、300；灵敏度：1AK。1.2 AD590的工作原理在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mVK的电压信号。其基本电路如图1.2所示。图1.2图1-2是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所

7、以R上端电压为UBE。因此，电流I1为：I1UBER（KTq）（lnn）R对于AD590，n8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图1.3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1AK的I值。图1.3图1-3所示是AD590的内部电路，图中的T1T4相当于图3中的T1、T2，而T9， T11相当于图3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来

8、提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的13。T9和T11 的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：UBE（R62 R5）I3R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流

9、，所以R5上的压降是R5的23.根据上式不难看出，要想改变UBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使UBE减小，不过，改变R5对UBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250之下使总电流I达到1AK.1. 3 AD590在恒温中的应用 AD590不但实现了温度的电量测量，而且灵敏度高、反应时间短，因此可作为恒温控制电路的信号检测器。与目前大量使用的接点式水银温度计相比，它具有控温精度(温控在某点时的温度最大波动范围)高、体积小、无污染、使用方便等优点。恒温控制电路如图1-4所示。L

10、F356为电流电压转换器，LM311为电压比较器，R 、R力、R 和2DC此部分电路用以设置该控温电路的温度预定值ro。AD590输出的电流经15356后转换为一负电压(相对于接地点)输出 Va。比较器12311对Va 和vb进行比较，如果 va> vb，则输出一恒定的正电压v0 ，三极管3DK4B导通，固体继电路J1接通。由于有电流通过，交流接触器r2的常开触点闭合，电热丝通电加热。AD590的温度T升高，I I增大。当T>To时，va < vb，LM311的输出约等于零伏，3DK4B截止，J1断开，J2常开触点随之断开，电热丝停止加热， T下降。当T<To时，Va&

11、gt;vb电热丝再次通过电加热，从而达到恒温控制的目的。2 LM358结构原理2.1 LM358内部结构及特点LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围较宽的单电源使用,也适合于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用包括传感放大器、直流增益模块和它所有可用的单电源供电的使用放大器的场合.LM358外部封装如图2.1所示:图2.12.2 负反馈放大电路使用LM358设计的负反馈放大电路，如图2.2所示的电路，信号从R3进入LM358的反相输入端，R6是反馈电阻，图中该电路的放大倍数为R6的阻值除以R3的阻值，即100k/1

12、0k=10，因此该电路的放大倍数为十倍，如果有1v的电压从R3输入，经过LM358之后将得到10v的电压输出。使用者也可以根据自己的放大需求自行改变反馈参数，从而得出自己的放大要求。图 2.22.3 电压跟随器在一些电路设计中，电路的电流与电压都是存在的，如果改变一个元件上的阻值，于是在它两端的电压将发生改变，同时流过该元件的电流也相应的变化，我们有时候可能会用到对某一元件上电压的变化值，而不需要电流的变化。为了解决这一问题，我们使用到了电压给随器。LM358电压跟随器的电路简答，性能良好，只需要在反相输入端与输出端接一根线，如图2.3所示的电路，如果R7上的电压为1v，则输出端得电压也为1v

13、，而且输出端的电压不会因为R7上的电流变化而产生变化。图 2.33 L7107的原理及特性3.1 ICL7107的管脚排列 管脚1和26是ICL7107的正、负极。COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN、UREF端短接。TEST是测试端，该端经内部500电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故亦称做数字地。该端有两个功能：作测试指示，将它接U时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。a1g1、a2g2、a3g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。千位b

14、、c段在LCD内部连通。当计数值N1999时显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过载溢出）。POL为负极性指示的驱动端。BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。OSC1OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。UREF、UREF分别为基准电压的正、负端，利用片内UCOM之间的2.8V基准电压源进行分压后，可提供所需UREF值，亦可选外基准。CREF、CREF是外接基准电容端。IN、IN为模拟电压的正、负输入端。CAZ端接自动调零电容。BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。INT为积分器输出端，按积分电容CINT。需要说明，I

15、CL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电位近似等于电源电压的一半。3.2 ICL7107的工作原理ICL7107内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D 转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。下面介绍各部分的工作原理。（1）模拟电路模拟电路由双积分式A/D转换器构成，电路如图3.1所示。主要包括2.8V基准电压 图3.1 ICL7107的模拟电路 源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等

16、组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模数转换。每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZINTDEAZ的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000TCP。其中，正向积分时间固定不变，T11000TCP。仪表显示值,将T11000TCP，UREF100.0mV代入上式得N10UIN或UIN0.1N 只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时N2000，此时UM2URE

17、F200mV，仪表显示超量程符号“1”。 欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。为了提高仪表抗串模干扰的能力，正向积分时间（亦称采样时间）T1应是工频周期的整倍数。我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1n·20（ms） 式中，n1，2，3，。例如取n2、4、5时，T140ms、80ms、100ms，能有效地抑制50Hz干扰。这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值为零，就不影响积分器输出。但n值也不宜过大，以免测量速率太低，ICL7107外围

18、电路如图。 图 3.2 ICL7107外围电路图（2）数字电路 数字电路如图3.3所示。主要包括8个单元：时钟振荡器；分频器；计数器；锁存器；译码器；异或门相位驱动器；控制逻辑；LCD显示器。时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。若取R120k，C100PF，则f040kHz。f0经过4分频后得到计数频率fCP10kHz，即TCP0.1ms。此时测量周期T16000T04000TCP0.4s，测量速率为2.5次秒。f0还经过800分频， 图3.3 ICL7107的数字电路得到50Hz方波电压，接LCD的背电极BP。LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极ag与背

19、电极BP呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。驱动电路采用异或门。其特点是当两个输入端的状态相异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之输出低电平。4 电路的设计思想4.1 设计要求1、基于AD590传感器设计温度测量电路。2、测量范围：-55至150。3、组装调试数字温度计。4.2 方案选择主要器件由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。 本方案的主要特点是：（1）能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，使整机线路简化。

20、（3）采用+5V和5V两组电源供电。（4）LED属于电流控制器件，在3 1/2位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片本身功耗较小。（5）显示亮度较高。4.3 系统框图本文设计的电压表是一个3位半直流电压测量的数字式电压表，测量范围为直流0199mV、01.99V、019.99V、0199.9V、01999V，共5 个量程。电压值显示稳定，读数方便，能测量正、负电压且能自动切换量程，使用方便。系统框图（如图4.1 所示）。本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、数据电压通道（A/D 转换及译码锁存）、数码显示、小数点驱动电路5部分。图4.14.4电路设计根据公式：T=273+t=273+t;T为绝对

21、温度值k，t为摄氏温度，1k=1度。AD590灵敏度为1UA/k,即温度每升高1度电流就增加1UA，将1UA电流通过一个阻值为10k的电阻转换为电压，则输出灵敏度为10mv/k，由于对10k电阻值要精确，因此用R1和R2并联，以使准确调到10k。运放A接成电压跟随器，增加信号输入电阻A1输出为10MK/K，若在0C时，A1输出电压为：（1UA/k*10k）* （273K）=2.73V。A2放大倍数为11倍，前级电路如图4.2。图4.2后级显示部分是用集成芯片ICL7107作为数字电压表的A/D转换及锁存和译码模块,使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。该系统能够实现0199.9mV量程

22、电压值的测量。电路连接图与仿真图如图(图4.3和图4.4)所示。图4.3图4.44.5 ICL7107 安装的注意事项(1). 辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第 2 至第 40 引脚。(2). 牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 3V 至 5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输

23、入 ±199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成"0"信号输入，以方便测试。(3). 注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容，必须是胆电容。(4）.比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压

24、具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。(5). 如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有"短路"或者"开路"故障，那么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档，我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107 的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，允许有 2 3 个字的误差。如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。5 总结用AD590传感器制作温度计，这次是用纯硬件制作的。

25、在制作前必须弄清每个模块电路的工作原理及集成芯片的性能指标。该作品从图跟原件看起来都不难，但制作过程其实费了我不少功夫。一开始，我没有拿电路图交给老师就开始画电路图了，等到给老师看了电路图，电路中用到的原件不符合老师的要求，这样我只能将电路图改过焊电路前，我怕改过的电路不能实现功能，于是先进行仿真，成功后才敢焊接。该作品前级是一个电压跟随器和一个放大器然后将其压差送入后级显示部分。显示不分是用ICL7107A/D转换集成芯片和外围电路够成的。调试时也出现了很多的问题，调试后发现测得的数据与仿真的结果不一样又得改相关的电路。AD590刚开始调试时没有加分压电阻，在通电后发现输入和输出的电压差不多

26、，将传感器加热也不见电压有变化，经过一番摸索后才发现没有接分压电阻。在调试显示不分更是出现了不少的问题。刚开始时显示数字在调动电位器是没有变化，后来发现电路连接出现了错误。有变化后又发现35脚与36脚之间的基准电压调不到要求的一百毫伏最小都有两百多毫伏，经过测量与研究发现是输入的限流电阻太小了，换上一个阻值大的又发现电流太小，在调试这里花费了很多的时间。在这次实训中我得到了很大的收获，我懂得了怎样去调试电路板。正如大家说的做板容易调试难，我之前都是一块电路板一起调试，出现问题很难检测。现在我学到要分模块去调试，电路中出现问题要检测的范围较小比较容易排除，这样可以省很多的时间。通过这个实训我将模

27、电和数电复习了一遍。掌握了不少早以忘掉的相关知识。同时动手和调试能力也得到了提高。谢 辞实训临近结束了，在此过程中很多同学和老师都在努力工作、努力学习。衷心感谢卜老师和郭老师的悉心指导和热情帮助，在我实训完成过程中提供了许多宝贵意见，让我学到了许多知识，开阔了眼界，增强了我的动手和动脑能力。同时，感激所有我们班的同学和科协的同学们，正是他们的努力和对我的帮助，我才能完成这次实训，并从中学到了更多的知识。我水平有限，所以本设计存在许多不尽如人意的地方，欢迎老师和同学批评指正。此外，感谢我们学院为我们提供这个机会。参考文献 1 孙心若.传感器基本电路实验M.北京:北京师范大学出版社,2007.2

28、金发庆.传感器技术与应用(第二版)M.北京:机械工业出版社,2006.3 高晓蓉.传感器技术M.成都:西南交通大学出版社,2003.4 吴桂秀.传感器应用制作入门M.杭州:浙江科学技术出版社，2003.5 徐 洁.电子测量与仪器M.北京:机械工业出版社,2004.6 武昌俊.自动检测技术及应用M.北京:机械工业出版社,2005.7  周乐挺. 传感器与检测技术M.北京:机械工业出版社,2005.8  范晶彦.传感器与检测技术应用M.北京:机械工业出版社,2005.9 cheng shen lin, a unit. the sensor into a graphic technology and application of a circuit M chinese power by 2009.10 wang ya feng and xiaohui. the new technology and application sensor M china is measured by 2009.