便携式电子温度检测显示器

摘 要：介绍常温下电子温度检测显示器的研制过程，着重介绍利用固定电阻器对热敏电阻器进行线性补偿并且由电压直读温度的方法与原理。

1 引言
　　本文介绍的温度检测显示器由温度传感器（热敏电阻器）、运算放大器、3位A/D转换器和显示器等主要部件组成。数字温度计在测量温度时，把温度信号通过传感器转换成电压信号，该电压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，数字量送显示器显示。
　　由于是用于常温下的测温显示装置，将其测量温度的范围设置在0℃～50℃即可满足要求。为了降低成本，采用常用的热敏电阻器作为温度传感器，该传感器是非线性元件，故通过与固定电阻器串联或并联来进行线性度的补偿，改变电阻值，调整电路的输出电压，使在将测温度范围2等分的3点上误差为0，3点以外的其他各点的误差特性为“S”字形曲线。并且通过在电路中增加简单的恒压驱动电桥电路和运算放大器，从输出电压直接读出温度数值，如：0V对应0℃，0.100V对应10℃，0.500V对应50℃。电压输出后送入核心部件为ICL7107的3位数字电压表。
　　ICL7107是一种集成了A/D转换、译码驱动等多种功能的CMOS电路。它的用途非常广泛，利用它可以组装成各种体积小、重量轻的数字仪表。
　　ICL7107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。
    输出读数=(VIN/VREF)×2000
　　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ICL7107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。图1示出其工作原理框图。
　　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、线性度好、测量范围大等优点，而且温度值通过数码管直接显示，非常直观。稍作改进后即可实现便携。所需元器件有：一只通用运算放大器μA741，一只ICL7107，3只共阳极数码管，若干电容器和电阻器。
　　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℃（与热敏电阻的阻值有关，下文将给出计算式）。

 

图1 工作原理框图

2 测温原理
2.1温度传感器的选择
　　选用MF53.3型负温度系数热敏电阻。传感器的精度高，可靠性好，具有良好的互换性和稳定性。可用于定点测温（通过下文所叙原理及推导还可以从参数角度选择热敏电阻）。其主要技术指标见表1，电阻?温度特性见表2。

表1技术指标

参数名称	数值
标称值及允许偏差	1000±2％(Ω)
B值及允许误差	2970±2％(K)
时间常数/s	≤120
耗散常数/mW/℃	≥8
测量功率/mW	≤0.2

表2电阻?温度特性

参考温度点/℃	阻值及允许偏差/Ω
－25	6375±6％
0	2340±4％
25	1000±2％
50	474±4％
75	263±6％

这种传感器的使用环境如下：
    温度：－25℃～70℃（实际测温范围比引言部分提到的要宽）；
　　振动：振频10Hz～500Hz,加速度达100m/s2；
　　湿度：40℃±2℃时达98％；
　　碰撞：40次/min～80次/min，加速度达150m/s2（4000次）
2.2补偿电阻器的选择及确定
　　在本设计中，采用的是用一个固定电阻器同热敏电阻器串串并联来实现线性补偿。不言而喻，热敏电阻器的电阻－温度特性是非线性的。把固定电阻器R与热敏电阻器并联，总电阻RP在Ta、Tb、Tc三点完全满足线性关系，在三点外的温度下，RP呈现有“S”字形的特性，当相同数值的固定电阻与热敏电阻器串联时，固定电阻器两端的电压ER，呈现与RP同样的“S”字形特性，最大误差也相同。本设计采用串联。
　　补偿电阻器的数值的计算方法为：首先，把测温区间划分2等分，所得3个温度点由低至高分别是Ta、Tb、Tc，相应的热敏电阻值分别是Ra、Rb、Rc。采用恒流源的电路，为使在Ta、Tb、Tc下补偿电阻器R两端的电压ERa、ERb、ERc处在同一条直线上，必须满足ERb－ERa=ERc－ERb，由此可得从而得到对于本设计采用的MF53?3型热敏电阻器，若将Ta、Tb、Tc分别取为0℃、25℃、50℃，则根据表2可以计算出补偿电阻器的阻值为R=731.79Ω。
2.3与热敏电阻器串联的电阻器的端电压与温度成正比
    当热敏电阻器Rt和固定电阻器R串联并用恒压源供电时，热敏电阻器两端的电压随温度升高而降低，但R两端的电压却随温度升高而升高。利用这一点，可使ER与温度成正比。当保证恒压源电压为1.0V不变时，ER变为代入MF53.3热敏电阻器在3个参考点的阻值，分别可得到0℃、25℃、50℃的ER值：E0=0.2382V;E25=0.4226V;E50=0.6069V。
    由于E0、E25、E50在一条直线上，因而在这3个点，ER值与温度值符合的很好，但这里不能用电压直读温度。
　　由以上两部分推导热敏电阻器在温度等分点处的电阻值，即可选择MF53.3型热敏电阻器。
2.4由电压直读温度及测温误差
　　采用由电桥和运算放大器组成的电路，可以取代虽然正确但却有难度的电压?温度关系，从输出电压的大小直接读出温度值。为此，首先要确定运算放大器的增益。在本设计中，温度变化50℃时电阻器R两端的电压变化为0.3687V，因此，增益G的数值是

 

图2线性补偿原理图