溫度測量在物理實驗、醫(yī)療衛(wèi)生、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域，尤其在熱學(xué)實驗(如：物體的比熱容、汽化熱、熱功當(dāng)量、壓強溫度系數(shù)等教學(xué)實驗)中，有特別重要的意義?，F(xiàn)在所使用的溫度計通常都是精度為1℃和0.1℃的水銀、煤油或酒精溫度計。這些溫度計的刻度間隔通常都很密，不容易準(zhǔn)確分辨，讀數(shù)因難，而且它們的熱容量還比較大，達(dá)到熱平衡所需的時間較長，因此很難讀準(zhǔn)，并且使用非常不方便。而利用晶體三極管3DG6C的基極與集電極之間正向電壓降Ubc隨溫度T呈線性變化的關(guān)系作為溫度傳感器，以O(shè)P07構(gòu)成放大器，以位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135作A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計的數(shù)顯溫度計可以解決這些問題[1]。筆者根據(jù)實際使用的需要，設(shè)計了以AT89C51為控制核心，具有測量間隔可設(shè)定、測量結(jié)果可自動記錄、可查詢，并經(jīng)簡單擴(kuò)展就具有報警能力和同PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的0.01℃數(shù)顯溫度計，并用于熱學(xué)實驗取得成功。

1硬件電路和工作原理

1.1電路框圖

整機(jī)電路由溫度信號采集放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、CPU控制與顯示電路三部分組成，其框圖如圖1所示。溫度信號由數(shù)據(jù)采集電路中的溫度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大電路后，送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后，以BCD碼形式送入CPU，再由程序控制其輸出顯示，鍵盤完成各項設(shè)置。

1.2數(shù)據(jù)采集、放大電路

如圖2所示，晶體三極管Q1（3DG6C）的BE極相連，利用基極與集電極之間正向電壓降Ubc隨溫度呈線性變化的關(guān)系作為溫度傳感器[1]。MC1403(IC1)的輸出（2.5V）作為供電電源，以滿足電壓穩(wěn)定性及測量精度較高的要求。由具有低失調(diào)、低噪聲、低漂移的高精度集成運算放大器OP07 (IC2)[2]及R2、R3組成差動放大器，將溫度傳感器檢測到的與溫度有關(guān)的電信號進(jìn)行適當(dāng)放大后再輸出到由R6送入IC5（ICL7315）的10腳，以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

運算放大器OP07反相輸入端接入的信號是隨溫度變化的PN結(jié)壓降U1，同相輸入端加一固定不變的電壓U2。U2表示0℃時PN結(jié)上的壓降，它可以通過精密可調(diào)電阻RP2進(jìn)行調(diào)節(jié)。在該放大器中，取R2=R4和R3=R5，則輸出電壓Uo表示為：

Uo = (R3/R2)*(U2– U1)

放大器的放大倍數(shù)設(shè)計成5倍，將Q1的BE極之間電壓變化2mv/℃放大到10mv/℃。MC1403同時為ICL7135提供基準(zhǔn)電壓源。

圖２　數(shù)據(jù)采集、放大電路

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路的核心是ICL7135(IC4)。ICL7135是具有高準(zhǔn)確度、通用型的CMOS單片 位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，量程為2.0000V，BCD碼輸出，輸出信號與TTL電平兼容。其工作的基準(zhǔn)電壓為1V，由MC1403經(jīng)過分壓后提供。如圖3所示，C2是自調(diào)零電容，C4基準(zhǔn)電容，R9和C3是自積分輸入電阻和電容。ICL7135工作的時鐘頻率是125KHz，由74HC00(IC2)構(gòu)成的多諧振蕩器提供。10腳輸入進(jìn)來的是OP07的輸出信號，其電壓大小表示了溫度的大小，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出BCD碼，接入AT89C51。D1～D5是LED的位選信號，不直接接LED，而是同AT89C51相接，統(tǒng)一由AT89C51提供LED的位選信號。

1.4 CPU控制與顯示電路

如圖4所示，CPU控制與顯示電路核心是AT89C51(IC5)。為保證其可靠復(fù)位，采用MAX814 (IC6)硬件復(fù)位。P0.0～P0.3接從ICL7135送來的BCD碼，P0.4～P0.7和P3.4接ICL7135的D1～D5。P1口接LED顯示碼位,提供相應(yīng)的顯示信息。LED的位選信號

圖4 CPU控制與顯示電路

由P3.5～P3.7經(jīng)74H138(IC7)譯碼后提供。顯示溫度時，只需5位，但考慮到某些情況下可能要顯示其它信息(如時鐘)，LED采用6位。P2口接16個按鍵，以完成對此溫度計的設(shè)置和控制功能。當(dāng)顯示所測試的溫度時，整個系統(tǒng)為量程為2V的直流電壓表，將溫度傳感器檢測到的溫度信號變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號，放大后，輸入到此電壓表，即可由電壓大小表示出溫度的大小，因為電壓表的最小讀數(shù)是0．1mV，所以，用電壓表示溫度時可以讀出的最小溫度是0．01℃。

2軟件設(shè)計[3]

軟件設(shè)計是本設(shè)計的關(guān)鍵之一。和直接利用ICL7315來制作的溫度計相比，正是由于AT89C51可靈活編程實現(xiàn)各種控制功能，可滿足不同的實際需要。本設(shè)計編寫的程序可實現(xiàn)具有測量間隔可設(shè)定、測量結(jié)果可自動記錄、可查詢的功能。

程序主要由五大部分組成：主函數(shù)、定時器中斷函數(shù)（調(diào)度器內(nèi)核）部分、掃描鍵盤與處理鍵盤函數(shù)、顯示刷新函數(shù)、從ICL7135讀取數(shù)據(jù)函數(shù)、時間刷新函數(shù)。主函數(shù)初始化系統(tǒng)，然后添加四個任務(wù)：掃描與處理鍵盤、刷新顯示、讀取數(shù)據(jù)、刷新時間；最后把控制權(quán)交給調(diào)度器內(nèi)核，在不需要運行任務(wù)的時候，微控器進(jìn)入休眠模式以降低功耗，如圖5所示。

因為溫度計對精度要求高，對速度要求低，故用定時器中斷來作調(diào)度器內(nèi)核，主要任務(wù)是計算什么時刻要運行什么任務(wù)，然后調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)函數(shù)，如圖6所示。

掃描鍵盤函數(shù)在調(diào)度器的調(diào)度下每20ms執(zhí)行一次，利用此20ms的時間間隔正好用延時消除抖動來消除鍵盤抖動。鍵盤設(shè)計成行列矩陣式，功能有：設(shè)定時間、設(shè)定測量時間間隔、切換時鐘狀態(tài)和溫度計狀態(tài)、開始和結(jié)束溫度測量、查詢以前測量的溫度數(shù)據(jù)。其流程如圖7所示。顯示刷新函數(shù)在調(diào)度器的調(diào)度下每4ms執(zhí)行一次，顯示刷新函數(shù)用于動態(tài)顯示七段LED顯示管。讀取數(shù)據(jù)函數(shù)在調(diào)度器的調(diào)度下每1S執(zhí)行一次，運行此函數(shù)時， 單片機(jī) 從ICL7135中讀取一次數(shù)據(jù)。程序流程如圖8所示。

時間刷新函數(shù)在調(diào)度器的調(diào)度下每1s執(zhí)行一次，進(jìn)行計時。

3溫度計定標(biāo)與數(shù)據(jù)測試

溫度計定標(biāo)時用數(shù)字電壓表測量ICL7135第2、3兩腳之間的電壓值(基準(zhǔn)電壓)，調(diào)節(jié)R5，使其在2V左右；將傳感器Q1放入冰水混合物中，經(jīng)過充分?jǐn)嚢柽_(dá)到熱平衡后調(diào)節(jié)R6，使顯示讀數(shù)為0.00(標(biāo)定0℃)；利用氣壓計讀出當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?，并根?jù)大氣壓強，當(dāng)?shù)刂亓铀俣扔嬎愠霎?dāng)時的實際壓強；根據(jù)沸點與壓強的關(guān)系查出沸點溫度．把傳感器放入沸水中，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后仔細(xì)調(diào)節(jié)R5，使顯示器顯示讀數(shù)等于當(dāng)?shù)禺?dāng)時的沸點溫度后定標(biāo)工作結(jié)束[1]。本溫度計的量程為-50～150℃，讀數(shù)精度為0.01℃，考慮到實際使用一般在0℃～100℃。我們用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水銀溫度計作撿驗標(biāo)準(zhǔn)，測量結(jié)果見表1。其中T水銀為水銀溫度計的測量值，最后一位是估計值，T數(shù)字為數(shù)字溫度計測量值，最后一位是顯示值。由測試結(jié)果可知，所設(shè)計的溫度計能達(dá)到要求

4結(jié)束語

本數(shù)顯溫度計具有讀數(shù)方便，精度高的特點。引入 單片機(jī) AT89C51控制后，可以通過不同的軟件設(shè)計以完成不同的使用要求。系統(tǒng)設(shè)計時保留引腳P3.2，如在該引腳外接一揚聲器，可通過軟件編程實現(xiàn)溫度超限報警，作為溫度報警器用。通過保留的串口，可以實現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，增加串口通訊程序模塊就可用作多點溫度檢測系統(tǒng)的下位機(jī)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 潘學(xué)軍.0.01℃的數(shù)顯溫度計[J].物理實驗.2003(5):22～25

[2] 談文心，錢聰，宋云購．模擬集成電路原理及應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1995．16～39.

[3] 何立民. MCS－51 單片機(jī) 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 1995.9