一種低成本高精度溫度測量電路

劉臣剛

（淮南礦業(yè)集團 朱集礦井建設項目部，安徽 淮南 232000）

0 引言

在現(xiàn)代化工礦企業(yè)與農業(yè)生產過程中，環(huán)境及設備溫度的測量和控制是極為普通和重要的。為了提高生產效率，降低生產成本，尋求性能可靠、價格低廉、且應有廣泛的元器件設計溫度檢測儀是生產、使用單位的首先。本溫度檢測儀就是由極為普通的晶體管3DG6、廉價的電壓、頻率轉換器（V/F）LM331與單片機AT89C2051等組成，它具有成本低、調校簡便、自動補償、測量精度高的特點。

半導體理論和實驗證明：在-50℃+150℃的范圍內，當發(fā)射結正偏時，不管集電結反偏還是零偏，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，并有良好的線性關系，其電壓溫度系數約-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格低廉、取材方便、性能良好的溫度傳感探頭使用。

1 測量與放大電路

用3DG6作為溫度傳感探頭和LM324運算放大器構成的測量放大電路見圖1。晶體管3DG6接成基極與集電極短路發(fā)射結正偏、集電結零偏作為二極管使用，構成溫度號，傳感探頭置于測溫現(xiàn)場，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可同時檢測7路輸入信號。

圖1 測量放大電路

2 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，其輸入I0~I6為溫度檢測輸入，I7為自動補償輸入。放大器LM324接成跟隨放大器，其輸入為LM331芯片2腳輸出Vref電壓。LM331為電壓、頻率轉換器 （V/F），其輸出經74LS74分頻后練到單片機AT24C0251的P3.2端，由單片機檢測脈沖寬度并通過運算得出對應溫度值。AT24C02為串行I2C總線EEPROM電路，用來存放調校時兩基準溫度值所對應的脈沖寬度和LM331基準電壓Vref所對應的脈沖寬度。

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

圖2中單片機和AT24C02的使用使得本測溫儀具有調校簡便和自動補償功能。在調校時，先將3DG6置于0℃冰水混合物中，通過一定的操作，單片機將測得的脈沖寬度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，單片機將測得的脈沖寬度T100記錄下來也存于ATA24C02中。在兩次測量中，單片機同時測量LM331的2腳輸出的基準電壓Vref，經跟隨器LM324和4051后，又送到LM331的7腳由LM331將在當前電路參數條件下的Vref所對應的脈沖寬度Tref值也記錄于AT24C02中。

圖2 檢測與處理電路

3 調校與自動補償

由F=1/T可得出每單位（0.1℃）溫度的變化與脈沖寬度的關系。設當溫度為t時，測得的脈沖寬度為Tt，只要單片機測得Tt，就可通過計算得出溫度值。而且通過這種方法進行測量，不需要調整放大器的放大倍數，也不需要調整LM331外接阻容器件參數，更不需要調整LM331的輸出電壓與輸出頻率的對應值，因此，本測溫儀調校簡便。頻率不僅與輸入電壓有關，而且與LM331的外接阻容元件有關，因而LM331外接阻容元件的精度及參數的穩(wěn)定性直接影響測量精度。另外，測量精度還與運放的性能有關，為了克服這種對元件及運放要求高的缺點，本測溫儀采用自動補償，具體方法是：利用LM331的2腳輸出的穩(wěn)定基準電壓轉換為頻率；由單片機測量出對應的脈沖寬度Tvt，此脈沖寬度就是當前時刻所有電路參數所對應的基準電壓的脈沖寬度Tref，根據Tref和Tvt再修正調校時所測得的T100和T0。

4 結語

本測溫儀采用普通器件，在不需要復雜調試的情況下，只需要操作儀器本身的按鍵和數碼管顯示就可進行調校（即標定）。具有低成本，測量精度高的特點，在-40℃~-140℃范圍內，其測量誤差為±0.1℃。如將該測溫儀與煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)配套，可用于電機設備的表面溫度測量、重要開關設備接線端子的表面溫度測量等。本文介紹的檢測電路自動補償方法也可用于其他測量傳感器中。

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