温度检测电路的装配与调试：项目12

◇教学目标◇

◇任务描述◇

随着科学技术的发展，传感器的种类也日益增多，如温度传感器LM35、18B20等，它们被应用于各种环境控制系统、过热保护，工业工程控制、火灾报警、电源系统监控等场所。如何让设备采集到相应的温度信号，是本任务需要解决的问题。图12-1是一个温度检测电路图，通电后，温度传感器LM35对温度信号进行采集，并转换为电压信号，然后进行模数转换，最后通过数码管显示出其采集到的温度值。

图12-1 温度检测电路图

◇任务要求◇

（1）三个数码管的安装位置分别为百位、十位、个位。

（2）根据电路图设计单面PCB板，元器件布局合理，大面积接地。

（3）单面PCB板的设计和安装，面积小于 10 cm×10 cm。

（4）集成电路采用插座安装，电位器安装在方便调节位置。

◇相关知识◇

一、温度传感器LM35

LM35是由National Semiconductor 所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式为VOUT=10 mV/℃·T℃，当温度为0℃时输出为0 V，每升高1℃，输出电压增加10 mV。LM35器件不需要任何外部校准或调整，即可在室温下提供±1/4°C的典型精度，在-55°C至150°C的温度范围内提供±3°C的典型精度。LM35温度传感器有多种不同封装型式，常见的是TO-9封装，如图12-2所示。

图12-2 TO-9封装

二、集成运算放大器OP07

OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25 μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2 nA）和开环增益高（对于OP07A为300 V/mV）的特点。这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。图12-3为OP07引脚图，图12-4为OP07集成运放符号。

图12-3 OP07引脚图

图12-4 OP07集成运放符号

OP07引脚功能：1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4为接地端，5为空脚，6为输出，7接电源正极。

OP07具有以下特点：

（1）超低偏移：150 μV最大。

（2）低输入偏置电流：1.8 nA。

（3）低失调电压漂移：0.5 μV/℃。

（4）超稳定，时间：2 μV/month。

（5）最大高电源电压范围：±3V～±22V。

三、A/D转换器ICL7107

双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信号。其引脚图如图12-5所示。

图12-5 ICL7107引脚图

1．双积分型A/D转换器ICL7107的功能与特点

（1）ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为±1999，最小分辨率为100 μV，转换精度为0.05±1个字。

（2）能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用±5V两组电源供电，并将第21脚的GND端接第30脚的IN 端。

（3）在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8 V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF。

（4）通过内部的模拟开关能实现自动调零和自动极性显示功能。

（5）输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

（6）整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，可以构成一只直流数字电压表头。

（7）噪音低、温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

（8）芯片本身功耗小于15 MW（不包括LED）。

（9）不设专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数码管公共阳极接V+。

（10）可以方便地进行功能检查。

2．ICL7107的引脚功能

V+、V-分别为电源的正极和负极。

au-gu，aT-gT，aH-gH：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

BCK：千位笔画驱动信号。接千位LED显示器的相应笔画电极。

PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

OSCl～OSC3：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择根据下式确定：fos1= 0.45/RC

COM：模拟信号公共端，简称模拟地，使 用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST：测试端，该端经过500 Ω电阻接至逻辑电路的公共地，故也称逻辑地或数字地。

VREF+VREF-：基准电压正负端。

CREF：外接基准电容端。

INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小但不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件

IN+和IN-：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAZ。如果应用在200 mV满刻度的场合是使用0.47 μF，2 V满刻度是0.047 μF。

BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流是100 μA，而缓冲器与积分器能够供给20 μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200 mV时选用47 kW，而2 V满刻度则使用470 kW。(www.xing528.com)

3．ICL7107主要参数

ICL7107主要参数如表12-1所示。

表12-1 ICL7107主要参数

振荡周期TC=2RCln1.5=2.2RC。

ICL7107的引脚图及典型电路如图12-6所示。

图12-6 ICL7107的引脚图及典型电路

◇软件仿真◇

一、原理图绘制

进入Proteus，从元件库中选择LM35温度传感器、集成运算放大器OP07、A/D转换器、数码管、电阻、电容等元器件，并置入对象选择器窗口，再放置到图形编辑窗口。在图形编辑窗口中画好仿真原理图，如图12-7所示。

图12-7 温度检测电路仿真原理图

二、仿真调试

电路原理图绘制完成后，单击“仿真工具栏”按钮，电路开始运行测试电路。在温度传感器上单击仿真按钮“+、-”，LM35温度传感器温度逐渐增大/减小，同时观察数码管的显示值是否与温度传感器的值一致。当温度传感器LM35调节至0℃时，观察数码管的显示情况，如图12-8所示；当温度传感器LM35调节至66℃时，观察数码管的显示情况，如图12-9所示；当温度传感器LM35调节至109℃时，观察数码管的显示情况，如图12-10所示。

图12-8 LM35调节至0℃时

图12-9 LM35调节至66℃时

图12-10 LM35调节至109℃时

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，查看是否连接正确。

（3）元件清单（表12-1）。

表12-1 元件清单

二、电路的测试与调整

1．工作原理分析

本电路主要由LM35温度采集电路、电压放大整形电路、A/D转换器、译码驱动电路和温度显示电路等组成。通电后，温度传感器LM35采集到温度信号，通过整形电路送到A/D转换器，然后进行译码驱动数码显示温度。ICL7107集A/D转换器译码驱动于一体，通过很少的外部元件就可以精确测量0～200 mV的电压，再利用温度传感器LM35就可以将温度线性转换成电压，从而实现温度信号的显示。

2．PCB板的制作和元器件安装

（1）使用Protel DXP设计电路PCB板，采用热转印法制作电路板。

（2）按电子工艺要求对元器件的引脚进行成形加工、插装和焊接。

（3）数码管管安装高度一致，OP07和ICL107使用集成插座安装。

3．调试与排除故障

电路安装完毕，经检查无误后即可通电调试，按表12-2为要求调试、测量数据，并将测量数据填入表12-2中。

表12-2 温度检测电路安装与调试

◇思考题◇

1．如果在调试时发生以下故障，请分析原因，写出排除故障的方法。

（1）数码管的发光亮度不一致，有的很亮，有的很暗。

（2）通电调试时，应如何调节RP2，使得数码管显示值和温度传感器的显示值一致。

2．若OP07的7脚和4脚改为单电源供电，是否可行？

（3）数码管的每一段码为什么都要加限流电阻？每一个数码管能否只用一个限流电阻？

（4）ICL7107 A/D转换器的37脚为复位端，如果悬空，电路会出现什么问题？

三、总结

本任务使你学习到了哪些知识？积累了哪些经验？填入表12-3中，有利于提升自己的技能水平。

表12-3 工作总结

四、工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇能力拓展◇

本电路只能检测温度范围：0～150℃，检测范围有限，若需要检测更大的范围，电路能否升级改造？为了达到这种范围，小组成员发挥团队协助精神，设计方案，讨论决策，制定计划实施吧。

◇任务评价◇

表12-4 温度检测电路装调评价表