溫度測量在物理實驗、醫(yī)療衛(wèi)生、食品生產等領域，尤其在熱學實驗(如：物體的比熱容、汽化熱、熱功當量、壓強溫度系數等教學實驗)中，有特別重要的意義?，F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，不容易準確分辨，讀數因難，而且它們的熱容量還比較大，達到熱平衡所需的時間較長，因此很難讀準，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呈線性變化的關系作為溫度傳感器，以OP07構成放大器，以位A/D轉換器ICL7135作A/D轉換器設計的數顯溫度計可以解決這些問題[1]。筆者根據實際使用的需要，設計了以AT89C51為控制核心，具有測量間隔可設定、測量結果可自動記錄、可查詢，并經簡單擴展就具有報警能力和同PC機進行數據交換的0.01℃數顯溫度計，并用于熱學實驗取得成功。

1硬件電路和工作原理

1.1電路框圖

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

1.2數據采集、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、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的電信號進行適當放大后再輸出到由R6送入IC5（ICL7315）的10腳，以進行A/D轉換。

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結上的壓降，它可以通過精密可調電阻RP2進行調節(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)

放大器的放大倍數設計成5倍，將Q1的BE極之間電壓變化2mv/℃放大到10mv/℃。MC1403同時為ICL7135提供基準電壓源。

圖２　數據采集、放大電路

圖3 A/D轉換電路

1.3 A/D轉換電路

A/D轉換電路的核心是ICL7135(IC4)。ICL7135是具有高準確度、通用型的CMOS單片 位雙積分式A/D轉換器，量程為2.0000V，BCD碼輸出，輸出信號與TTL電平兼容。其工作的基準電壓為1V，由MC1403經過分壓后提供。如圖3所示，C2是自調零電容，C4基準電容，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)構成的多諧振蕩器提供。10腳輸入進來的是OP07的輸出信號，其電壓大小表示了溫度的大小，經A/D轉換后輸出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)。為保證其可靠復位，采用MAX814 (IC6)硬件復位。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置和控制功能。當顯示所測試的溫度時，整個系統為量程為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碾妷盒盘?，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軟件設計[3]

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

程序主要由五大部分組成：主函數、定時器中斷函數（調度器內核）部分、掃描鍵盤與處理鍵盤函數、顯示刷新函數、從ICL7135讀取數據函數、時間刷新函數。主函數初始化系統，然后添加四個任務：掃描與處理鍵盤、刷新顯示、讀取數據、刷新時間；最后把控制權交給調度器內核，在不需要運行任務的時候，微控器進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度器內核，主要任務是計算什么時刻要運行什么任務，然后調用相應的任務函數，如圖6所示。

掃描鍵盤函數在調度器的調度下每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。鍵盤設計成行列矩陣式，功能有：設定時間、設定測量時間間隔、切換時鐘狀態(tài)和溫度計狀態(tài)、開始和結束溫度測量、查詢以前測量的溫度數據。其流程如圖7所示。顯示刷新函數在調度器的調度下每4ms執(zhí)行一次，顯示刷新函數用于動態(tài)顯示七段LED顯示管。讀取數據函數在調度器的調度下每1S執(zhí)行一次，運行此函數時， 單片機 從ICL7135中讀取一次數據。程序流程如圖8所示。

時間刷新函數在調度器的調度下每1s執(zhí)行一次，進行計時。

3溫度計定標與數據測試

溫度計定標時用數字電壓表測量ICL7135第2、3兩腳之間的電壓值(基準電壓)，調節(jié)R5，使其在2V左右；將傳感器Q1放入冰水混合物中，經過充分攪拌達到熱平衡后調節(jié)R6，使顯示讀數為0.00(標定0℃)；利用氣壓計讀出當時當地的大氣壓強，并根據大氣壓強，當地重力加速度計算出當時的實際壓強；根據沸點與壓強的關系查出沸點溫度．把傳感器放入沸水中，待顯示讀數穩(wěn)定后仔細調節(jié)R5，使顯示器顯示讀數等于當地當時的沸點溫度后定標工作結束[1]。本溫度計的量程為-50～150℃，讀數精度為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準，測量結果見表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數字為數字溫度計測量值，最后一位是顯示值。由測試結果可知，所設計的溫度計能達到要求

4結束語

本數顯溫度計具有讀數方便，精度高的特點。引入 單片機 AT89C51控制后，可以通過不同的軟件設計以完成不同的使用要求。系統設計時保留引腳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，可以實現與PC機的通訊，增加串口通訊程序模塊就可用作多點溫度檢測系統的下位機。

參 考 文 獻

[1] 潘學軍.0.01℃的數顯溫度計[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用[M].西安：西安交通大學出版社，1995．16～39.

[3] 何立民. MCS－51 單片機 應用系統設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社 1995.9