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(cè)量?jī)x的具體方案及其調(diào)校簡(jiǎn)便和自動(dòng)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(dòng)補(bǔ)償

在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)境溫度的測(cè)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?jī)r(jià)格低廉，且應(yīng)用廣泛的元器件是生產(chǎn)過(guò)程的首選。本測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x。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(cè)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(cè)量放大電路見(jiàn)圖1。晶體管3DG6置于測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)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(lái)用作溫度傳感器，電源通過(guò)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(cè)7路輸入信號(hào)。

圖1 測(cè)量放大電路

圖2 檢測(cè)與處理電路

檢測(cè)與處理電路
檢測(cè)與處理電路見(jiàn)圖2。圖2中4051為八選一模擬開(kāi)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接成跟隨放器，其輸入為L(zhǎng)M331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(cè)脈沖寬度并通過(guò)運(yùn)算得出對(duì)應(yīng)溫度值。AT24C02為串行I2C總線EEPROM電路，用來(lái)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。

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(kāi)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(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(guò)一定的操作，單片機(jī)將測(cè)的脈沖寬度T0記錄下來(lái)并存于AT24C02中。然后再將3DG6置于100℃的液體介質(zhì)中，再通過(guò)一定的操作，單片機(jī)將測(cè)的脈沖寬度T100記錄下來(lái)也存于AT24C02中。在這兩次測(cè)量中，單片機(jī)同時(shí)測(cè)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(duì)應(yīng)的脈沖寬度TREF值也記錄于AT24C02中。

調(diào)校與自動(dòng)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(cè)得的脈沖寬度為T(mén)t，只要單片機(jī)測(cè)到Tt，就可通過(guò)計(jì)算得出溫度值。而且通過(guò)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的輸入電壓與輸出頻率的對(duì)應(yīng)值。因此說(shuō)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(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)的值。因在調(diào)校時(shí)所有電路參數(shù)所對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓的脈沖寬度為T(mén)REF。根據(jù)TREF和Tvt再修正調(diào)校時(shí)所測(cè)得的T100和T0

結(jié)語(yǔ)
本測(cè)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(cè)量精度高的特點(diǎn)。其測(cè)量精度經(jīng)法定計(jì)量單位檢測(cè)，在-15℃~100℃范圍內(nèi)的誤差為±0.1℃。