一種低成本高精度溫度測(cè)量電路

劉臣剛

（淮南礦業(yè)集團(tuán) 朱集礦井建設(shè)項(xiàng)目部，安徽 淮南 232000）

0 引言

在現(xiàn)代化工礦企業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，環(huán)境及設(shè)備溫度的測(cè)量和控制是極為普通和重要的。為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，尋求性能可靠、價(jià)格低廉、且應(yīng)有廣泛的元器件設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)儀是生產(chǎn)、使用單位的首先。本溫度檢測(cè)儀就是由極為普通的晶體管3DG6、廉價(jià)的電壓、頻率轉(zhuǎn)換器（V/F）LM331與單片機(jī)AT89C2051等組成，它具有成本低、調(diào)校簡(jiǎn)便、自動(dòng)補(bǔ)償、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

半導(dǎo)體理論和實(shí)驗(yàn)證明：在-50℃+150℃的范圍內(nèi)，當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，不管集電結(jié)反偏還是零偏，在一定的集電極電流形式下，NPN硅晶體管的基極-發(fā)射極間正向電壓Ube隨溫度T的增加而減小，并有良好的線性關(guān)系，其電壓溫度系數(shù)約-2.1mV/℃。因此，晶體管3DG6不但可以作為通常的電子器件使用，而且也可作為一種價(jià)格低廉、取材方便、性能良好的溫度傳感探頭使用。

1 測(cè)量與放大電路

用3DG6作為溫度傳感探頭和LM324運(yùn)算放大器構(gòu)成的測(cè)量放大電路見圖1。晶體管3DG6接成基極與集電極短路發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)零偏作為二極管使用，構(gòu)成溫度號(hào)，傳感探頭置于測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，電源通過電阻 R1（100Ω）向 3DG6 的同相端，R1，R2，R3，R4 均為普通金屬膜電阻，選R2=R3，則放大器輸出U0≈Ube。本儀器用2片LM324可同時(shí)檢測(cè)7路輸入信號(hào)。

圖1 測(cè)量放大電路

2 檢測(cè)與處理電路

檢測(cè)與處理電路見圖2。圖2中4051為八選一模擬開關(guān)，其輸入I0~I6為溫度檢測(cè)輸入，I7為自動(dòng)補(bǔ)償輸入。放大器LM324接成跟隨放大器，其輸入為L(zhǎng)M331芯片2腳輸出Vref電壓。LM331為電壓、頻率轉(zhuǎn)換器 （V/F），其輸出經(jīng)74LS74分頻后練到單片機(jī)AT24C0251的P3.2端，由單片機(jī)檢測(cè)脈沖寬度并通過運(yùn)算得出對(duì)應(yīng)溫度值。AT24C02為串行I2C總線EEPROM電路，用來存放調(diào)校時(shí)兩基準(zhǔn)溫度值所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度和LM331基準(zhǔn)電壓Vref所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。

LM331是單片集成V/F高精度電路，內(nèi)部由開關(guān)電流源、輸入比較器和單脈沖定時(shí)器等部分組成，外接電阻和電容可組成基本的電壓、頻率轉(zhuǎn)換器。當(dāng)外接電阻和電容可組成基本電壓/頻率轉(zhuǎn)換器。當(dāng)外接阻容元件值一定時(shí)，LM331的輸出頻率與輸入電壓成正比關(guān)系。

圖2中單片機(jī)和AT24C02的使用使得本測(cè)溫儀具有調(diào)校簡(jiǎn)便和自動(dòng)補(bǔ)償功能。在調(diào)校時(shí)，先將3DG6置于0℃冰水混合物中，通過一定的操作，單片機(jī)將測(cè)得的脈沖寬度T0記錄下來并存于AT24C02中。然后再將3DG6置于100℃的水中，再通過一定的操作，單片機(jī)將測(cè)得的脈沖寬度T100記錄下來也存于ATA24C02中。在兩次測(cè)量中，單片機(jī)同時(shí)測(cè)量LM331的2腳輸出的基準(zhǔn)電壓Vref，經(jīng)跟隨器LM324和4051后，又送到LM331的7腳由LM331將在當(dāng)前電路參數(shù)條件下的Vref所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度Tref值也記錄于AT24C02中。

圖2 檢測(cè)與處理電路

3 調(diào)校與自動(dòng)補(bǔ)償

由F=1/T可得出每單位（0.1℃）溫度的變化與脈沖寬度的關(guān)系。設(shè)當(dāng)溫度為t時(shí)，測(cè)得的脈沖寬度為Tt，只要單片機(jī)測(cè)得Tt，就可通過計(jì)算得出溫度值。而且通過這種方法進(jìn)行測(cè)量，不需要調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，也不需要調(diào)整LM331外接阻容器件參數(shù)，更不需要調(diào)整LM331的輸出電壓與輸出頻率的對(duì)應(yīng)值，因此，本測(cè)溫儀調(diào)校簡(jiǎn)便。頻率不僅與輸入電壓有關(guān)，而且與LM331的外接阻容元件有關(guān)，因而LM331外接阻容元件的精度及參數(shù)的穩(wěn)定性直接影響測(cè)量精度。另外，測(cè)量精度還與運(yùn)放的性能有關(guān)，為了克服這種對(duì)元件及運(yùn)放要求高的缺點(diǎn)，本測(cè)溫儀采用自動(dòng)補(bǔ)償，具體方法是：利用LM331的2腳輸出的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為頻率；由單片機(jī)測(cè)量出對(duì)應(yīng)的脈沖寬度Tvt，此脈沖寬度就是當(dāng)前時(shí)刻所有電路參數(shù)所對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓的脈沖寬度Tref，根據(jù)Tref和Tvt再修正調(diào)校時(shí)所測(cè)得的T100和T0。

4 結(jié)語

本測(cè)溫儀采用普通器件，在不需要復(fù)雜調(diào)試的情況下，只需要操作儀器本身的按鍵和數(shù)碼管顯示就可進(jìn)行調(diào)校（即標(biāo)定）。具有低成本，測(cè)量精度高的特點(diǎn)，在-40℃~-140℃范圍內(nèi)，其測(cè)量誤差為±0.1℃。如將該測(cè)溫儀與煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)配套，可用于電機(jī)設(shè)備的表面溫度測(cè)量、重要開關(guān)設(shè)備接線端子的表面溫度測(cè)量等。本文介紹的檢測(cè)電路自動(dòng)補(bǔ)償方法也可用于其他測(cè)量傳感器中。

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