一种基于Proteus的数字温度计

冷俊男 陈毅豪

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

1 设计方案

温度是非电量模拟信号，数字显示温度就必须将这一非电量信号转换成电量(电压或电流)，然后将模拟电信号经ADC转换成数字信号，最后经译码显示器显示温度值。本设计拟实现-30℃～100℃的常用温度显示范围内显示温度，将该数字温度计的设计电路分为了3个子电路：温度采集电路、精密放大电路、A/D转换及译码显示电路，方案流程图如图1所示。

图1 数字温度计方案流程图

2 工作过程

由图1可得知本温度计的大致工作过程：

在温度采集电路中，LM35温度传感器共有3个引脚，除了VCC与GND以外，还有一个输出电压引脚，接7107芯片的模拟信号输入端。LM35有单电源模式与正负双电源模式，为了接线方便，本设计采用单电源供电，工作电压较宽，可在4～20V的供电电压范围内正常工作，非常省电。电路中采用5V电源，已足以完成温度采集。温度采集电路的Proteus设计图如图2所示。

图2 温度采集电路图

由于LM35的输出电压变化的是比较微弱的信号，7107比较器的工模抑制能力很强，需要对得到的电压变化信号进行放大。精密放大功能是TC7107中自带的比较器实现的，虽然INA仪表放大器(精密低噪声信号采集仪表放大器)、UA741放大器(高增益放大器)也是常用的放大器，但以上两者都在AD转换器以外单独接了至少一个运算放大器，会使得外部电路复杂，给电路分析带来不便，并且在批量生产时明显提高成本。

TC7107是高性能、低功耗的三位半AD转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统，集AD转换功能、译码功能于一体，由此TC7107可直接驱动共阳极LED数码管。省去了译码器接线，使得电路更为简化。总的来说，TC7107与外围电路共同完成了AD转换电路、译码电路与驱动电路3种功能电路。

图3 A/D转换及译码显示电路框图

A/D转换及译码显示电路工作流程则如图2所示。由上述分析，可以画出基于Proteus的数字温度计的电路图如图3所示(以50℃仿真结果为例)。

图4 50°下的仿真结果展示

3 目前存在的问题

(1)如果不改动电源支路滑动变阻器阻值，误差会逐渐积累，假设其阻值仍是保证5℃精确读数的阻值不变，则100℃时数字温度计示数如图4所示。

图5 100℃下的仿真结果展示

可以看出误差有1.1℃之多，究其原因：本设计需要保证满量程读数，由7107芯片的特性可知：参考电压需要严格保证为满量程电压(2V)的一半，即为1V，因此需要不断调整电源支路的滑动变阻器总的阻值，保证输入参考电压与1V相差无几，才可以保证精准读数，不会因为设定温度的改变而影响温度计的精确性。

(2)当电压为负时，误差极大，示数几乎为实际温度的1/10，若不采取任何措施，-30℃时的温度计示数如图5所示。

图6 -30℃下的仿真结果展示

查阅相关资料之后可以了解到：由于LM35温度传感器的特性，当输出电压为负时，电压压差会变得极小，在LM35输出端加一个下拉电阻以及负电源增大压差即可。

4 结语

本文利用LM35温度传感器，7107A/D转换芯片，八段共阳数码管，完成了数字温度计系统的搭建，并对数字温度计系统进行了仿真，焊接硬件电路并进行了测试。测试结果显示，设计的温度计系统(电路)，基本达到了设计要求。首次的设计存在有不足，在温度较高(接近100℃)的时候，误差较大(接近1℃)，且当显示度数为负的时候，读数不够准确。在深究其原理之后，采取了相应措施，保证了读数的准确性。