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制作一个实用节能的温度显示器
Digital thermometer

时间:2013-02-24 来源:互联网 作者:不详 编辑: 【关闭


制作一个实用节能的温度显示器,Digital thermometer

关键字:LM35,ICL7136,温度电路图

作者:万少华 王川
  该显示器采用集成温度传感器LM35DZ来做测温探头,选用低功耗ICL7136作A/D转换和液晶驱动,用市面上易购置的液晶块来做显示,使用玩具上的电池板改装后作电源,这样使得整个制作过程简单,成本低廉,实现了绿色环保制造,倡导了低碳生活理念。
  该显示器使用范围广,除了可用在平常需要测试温度的场所外,还特别适合在有阳光而无电源的地方以及防爆要求比较严格的场所,如野外蔬菜大棚、海洋养鱼场、烟叶天然发酵库、野外弹药库等。
 
  一、系统电路及工作原理
  
  1.系统电路
  
  下图为温度显示器的工作原理图,图上面主要为测温电路和显示电路。

制作一个实用节能的温度显示器Digital thermometer

  2.工作原理
  
  测温部分采用LM35DZ来感应温度,因其输出电压值与摄氏温度成线性正比关系,可直接将此电压送到ICL7136进行A/D转换,再由7136驱动LCD显示出实时温度值。
  系统选用了多个低功耗器件、采用比较简洁电路、并使用光控开关技术,在黑暗中停止对系统继续供电,保证显示器在很低功耗下工作,节省了能源,而且使用太阳能电池供电,充分利用了新型可再生能源。
  3.测温原理分析
  
  精密集成温度传感器LM35DZ是一个三端器件,输出电压与摄氏温标成线性,比例系数为+10.0mV/℃,即当温度为25℃时,输出电压为+250mV:当温度为OoC时,输出电压为0.0mV。
  这样可以直接将它的2脚通过R4连接到正信号输入端IN+。
  用可调RP1作基准电压的分压电路,期中RP1宜采用精密多圈电位器,调整它使基准电压Uref+=l.00V。实际电路中将IN-端、Uref-端与COM端短接。
  对于ICL7136的使用,在这里不做过多的讲解,它的用法和大家熟悉的ICL7107、ICL7106基本相同。
  二、系统低功耗与节能分析
  
  下面谈谈怎样通过降低功耗来达到节能效果的。
  1.选用低功耗器件
  
  通过选用一些自身功耗低的元器件,来降低整个系统的功耗。
  单片三位半A/D转换器选用ICL7136,是美国InterSIL公司生产,是目前应用较广泛、功耗较低的一种单片三位半A/D转换器。电压范围较宽:6.8~15V,典型工作电流为60μA左右,自身功耗小于1mV,仅仅相当于ICL7106的1/20不到,用一节9V万用表电池可正常工作3000小时以上。
  温度检测选用LM35DZ,是由国半公司所生产的温度传感器,其输出电压与摄氏温标呈线性关系。在常温下,不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种,在单电源模式下工作电流约为50μA,工作电压较宽,可在3.8~20V的供电电压范围内正常工作,非常省电。
  2.简化电路、改进电路降低功耗
  
  尽量简化电路和对一些不太合理的电路进行优化改进,以达到降耗的目的。
  低压检测和小数点显示电路如图1所示,传统的电路一般采用一片CD4070型四异或门集成电路搭建而成,在这里充分发挥ICL7136自身功能,以及利用电容充、放电的特性,用尽量少的器件实现了小数点的显示和低电压的检测与提示。通过简化和改进老式电路,来降低功耗。
  ICL7136的时钟振荡器由内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R0、C0组成。通过增大RO、CO的值,使fo大约降为20kHz,降低了ICL7136工作频率,使测量频率也减小,基本保证测量速率为1次/秒左右,这样既不影响测试速度,也不妨碍人们对温度的实时观察。通过这种降低工作频率来达到降耗、节能的目的。
  另外,有很多情况是可让仪器睡眠,不必工作的。例如,晚上人们都休息了,没有人关心温度,这时候显示器工作纯粹是浪费。为了节能,设计了一个光控开关电路,白天只要有些亮光,光敏电阻RP2就变的较小,有较高电压加载在三极管9013的基极,可使它饱和导通,相当于电源开关被合上,显示器就能正常工作;到了晚上一片漆黑时,光敏电阻阻值变的很大,9013进入截止状态,电源开关断开,整个系统几乎无电流,处于休眠状态。这样也可以大大节约能源,起到很好的降耗功效。在由白天进入黑暗的过程中,三极管9013由饱和到截止有个短暂的过渡阶段,此阶段电源供给ICL7136电压不足,这时会在液晶块的左侧出现电压低的欠压显示图标,提示此刻的温度数值不准,不便记录。针对此现象,为了尽量保证读数准确,在电源部分串接了D2,用以抬高LM35供电电压,确保在ICL7136停止工作前,其输出电压是线性的。
  采用上述诸多种方式后,大大降低了显示器的功耗,系统正常工作电流大约为110μA左右。
  三、系统制作与调试
  
  1.制作
  
  (1)LM35测温探头的制作
  
  比较简单的方式是把它直接焊在电路板上,但这种方式一般只能检测显示器周围空气的温度。有时要远距离的测试其他物体的温度,那就要对它进行包装了。包装方法如下:先用双芯屏蔽线与它3个电极脚焊接好,金属屏蔽线一般作地线与第3脚相连,在焊接处用热塑管加热套紧。
  再将它放入直径为5mm、长度为200mm左右的不锈钢套管内,也可用相应粗度的废旧天线代替,然后用703硅胶密封好两端,等硅胶干后,再用热塑管套牢整个部分即可。这样处理后就可远距离检测气体和液态物质的温度了。
  (2)太阳能电池电源的制作
  
  以前的类似产品一般用市电或者9V电池供电,这样总会遇到停电或电池用完需更换问题,使用起来比较麻烦。现在我采用太阳能电池和扣式充电电池结合起来供电,可以长期放心使用。
  现在市面上有各种各样的太阳能LED小手电筒,作为玩具类的小礼品,价格很便宜。可以买2个,去掉塑料外壳后,将里面的太阳能电池板串联起来就能很容易得到9V左右直流电源了。
  在阳光充足时,每个太阳能电池可产生4.5V左右电压,串联后一方面能直接给显示器供电,同时多余的电也能给2节3.6V扣式锂电池充电。
  当外界光线较弱,太阳能电池电压不足时,由锂电池自动切换给显示器供电。由于整机功耗较低,即使长时间阴雨天气或者在阴暗的环境下也能正常工作半年左右。
  (3)电路板的制作系统可制作
  
  在100mm×150mm的多功能洞洞板上,有条件的话,也可使用PROTEL软件绘制PCB板,用雕刻机在单面铜箔板上自制电路板。
  一般在板子上端放置三位半LCD液晶显示屏,它下面装上40脚IC插座,按照脚的定义,用短接线细心连接LCD显示屏与LC插座的各个引脚。
  再插接外围元器件并焊接好,将2个太阳能电池板用双面胶在下面与电路板粘牢,经检查无误后,才可插上ICL7136,并通电测试系统。
  2.调试
  
  先将一支100℃的水银温度计与温度探头一起插入冰水混合物中,看显示是否为00.0℃,如有偏差可适当改变积分器输出端电阻,使得显示为00.0℃;再将水银温度计和测温探头取出,在空气中平衡一会后,这样可以避免热冲击力损伤水银温度计和LM35,再一起放入沸水中,调整RP1,使显示为100.0℃。这样多次反复调整,即可很精确地显示出实际温度。
 


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