摘 要: 給出用晶體管3DG6作為溫度傳感器，電壓/頻率轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)組成的溫度測量儀的具體方案及其調(diào)校簡便和自動補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞: 溫度傳感器；電壓/頻率轉(zhuǎn)換器；調(diào)校；自動補(bǔ)償
在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，環(huán)境溫度的測量和控制是極為普遍和重要的。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)用廣泛的元器件是生產(chǎn)過程的首選。本測量儀就是采用極為普遍的晶體管3DG6作為溫度傳感器，廉價(jià)的電壓/頻率轉(zhuǎn)換器(V/F)LM331與AT89C2051單片機(jī)組成的溫度測量儀。它具有成本低，調(diào)校簡便，自動補(bǔ)償，測量精度高的特點(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，而且也是一種價(jià)格低廉，取材方便，性能良好的溫度傳感器。
測量與放大電路
用3DG6作為溫度傳感器，LM324運(yùn)算放大器構(gòu)成的測量放大電路見圖1。晶體管3DG6置于測溫現(xiàn)場其接成基極與集電極短路即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)零偏作為二極管使用來用作溫度傳感器，電源通過電阻R1(100K)向3DG6提供約45mA的集電極電流。其UBE連接到LM324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≈2UBE。本儀器用2片LM324可同時(shí)檢測7路輸入信號。
圖1 測量放大電路
圖2 檢測與處理電路
檢測與處理電路
檢測與處理電路見圖2。圖2中4051為八選一模擬開關(guān)，其輸入I0~I6為溫度檢測輸入，I7為自動補(bǔ)償輸入。放大器LM324接成跟隨放器，其輸入為LM331芯片2引腳輸出的VREF電壓。LM331為電壓/頻率轉(zhuǎn)換器(V/F)，其輸出經(jīng)74LS74分頻后連到單片機(jī)AT89C2051的P3.2端，由單片機(jī)檢測脈沖寬度并通過運(yùn)算得出對應(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)溫度值所對應(yīng)的脈沖寬度和LM331基準(zhǔn)電壓VREF所對應(yīng)的脈沖寬度。
電壓/頻率轉(zhuǎn)換器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，配以必要的外接電阻和電容就組成基本的電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，當(dāng)外接阻容元件一定時(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的使用使得本測溫儀具有調(diào)校簡便和自動補(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)將測的脈沖寬度T0記錄下來并存于AT24C02中。然后再將3DG6置于100℃的液體介質(zhì)中，再通過一定的操作，單片機(jī)將測的脈沖寬度T100記錄下來也存于AT24C02中。在這兩次測量中，單片機(jī)同時(shí)測量LM331的2引腳輸出的基準(zhǔn)電壓VREF經(jīng)跟隨器LM324和4051后，又送到LM331的7引腳由LM331將在當(dāng)前電路參數(shù)條件下的VREF所對應(yīng)的脈沖寬度TREF值也記錄于AT24C02中。
調(diào)校與自動補(bǔ)償
由于F=1/T,則可得出每單位(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)，測得的脈沖寬度為Tt，只要單片機(jī)測到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的輸入電壓與輸出頻率的對應(yīng)值。因此說本測溫儀調(diào)校簡便。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)定性直接影響測量精度，另外測量精度還與運(yùn)放的性能有關(guān)，為了克服這種對元件及運(yùn)放要求高的缺點(diǎn)，本測溫儀采用自動補(bǔ)償。具體方法是利用LM331的2引腳輸出的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓經(jīng)LM324跟隨輸出到4051的I7再經(jīng)LM331將此電壓轉(zhuǎn)換為頻率。由單片機(jī)測量出對應(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)所對應(yīng)的值。因在調(diào)校時(shí)所有電路參數(shù)所對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓的脈沖寬度為TREF。根據(jù)TREF和Tvt再修正調(diào)校時(shí)所測得的T100和T0
結(jié)語
本測溫儀均采用普通器件，在不需要復(fù)雜調(diào)試的情況下，只需本儀器本身的操作按鍵和數(shù)碼顯示管就可進(jìn)行調(diào)校(即標(biāo)定)。具有低成本，測量精度高的特點(diǎn)。其測量精度經(jīng)法定計(jì)量單位檢測，在-15℃~100℃范圍內(nèi)的誤差為±0.1℃。
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