一种低成本高精度温度测量电路

2018-8-24 17:06:11

2047 温度测量

摘要: 给出用晶体管3DG6作为温度传感器，电压/频率转换器和单片机组成的温度测量仪的具体方案及其调校简便和自动补偿的实现方法。
关键词: 温度传感器；电压/频率转换器；调校；自动补偿
在现代工农业生产过程中，环境温度的测量和控制是极为普遍和重要的。为了提高生产效率，降低生产成本，寻求性能可靠价格低廉，且应用广泛的元器件是生产过程的首选。本测量仪就是采用极为普遍的晶体管3DG6作为温度传感器，廉价的电压/频率转换器(V/F)LM331与AT89C2051单片机组成的温度测量仪。它具有成本低，调校简便，自动补偿，测量精度高的特点。
半导体理论和实验证明，在 -50℃～+150℃ 的范围内，当发射结正偏时，不管集电结反偏还是零偏，在一定的集电极电流形式下，NPN硅晶体管的基极-发射极正向电压UBE随温度T的增加而减小。并有良好的线性关系，其电压温度系数约-2.1mv/℃。因此，晶体管3DG6不但可以作为通常的电子器件使用，而且也是一种价格低廉，取材方便，性能良好的温度传感器。
测量与放大电路
用3DG6作为温度传感器，LM324运算放大器构成的测量放大电路见图1。晶体管3DG6置于测温现场其接成基极与集电极短路即发射结正偏，集电结零偏作为二极管使用来用作温度传感器，电源通过电阻R1(100K)向3DG6提供约45mA的集电极电流。其UBE连接到LM324的同相端，R1，R2，R3，R4均为普通金属膜电阻，选R2=R3则放大器输出U0≈2UBE。本仪器用2片LM324可同时检测7路输入信号。

图1 测量放大电路

图2 检测与处理电路

检测与处理电路
检测与处理电路见图2。图2中4051为八选一模拟开关，其输入I0~I6为温度检测输入，I7为自动补偿输入。放大器LM324接成跟随放器，其输入为LM331芯片2引脚输出的VREF电压。LM331为电压/频率转换器(V/F)，其输出经74LS74分频后连到单片机AT89C2051的P3.2端，由单片机检测脉冲宽度并通过运算得出对应温度值。AT24C02为串行I2C总线EEPROM电路，用来存放调校时两基准温度值所对应的脉冲宽度和LM331基准电压VREF所对应的脉冲宽度。

电压/频率转换器LM331是单片集成V/F高精度电路，内部由开关电流源，输入比较器和单脉冲定时器等部分组成，配以必要的外接电阻和电容就组成基本的电压/频率转换器，当外接阻容元件一定时，LM331的输出频率与输入电压成正比关系。

图2中，单片机和AT24C02的使用使得本测温仪具有调校简便和自动补偿功能。在调校时，先将3DG6置于0℃冰水混合物中，通过一定的操作，单片机将测的脉冲宽度T0记录下来并存于AT24C02中。然后再将3DG6置于100℃的液体介质中，再通过一定的操作，单片机将测的脉冲宽度T100记录下来也存于AT24C02中。在这两次测量中，单片机同时测量LM331的2引脚输出的基准电压VREF经跟随器LM324和4051后，又送到LM331的7引脚由LM331将在当前电路参数条件下的VREF所对应的脉冲宽度TREF值也记录于AT24C02中。

调校与自动补偿
由于F=1/T,则可得出每单位(0.1℃)温度的变化与脉冲宽度的关系。设当温度为t 时，测得的脉冲宽度为Tt，只要单片机测到Tt，就可通过计算得出温度值。而且通过这种方法进行测量，不需要调整放大器的放大倍数，也不需要调整LM331外接阻容器件参数，更不需要调整LM331的输入电压与输出频率的对应值。因此说本测温仪调校简便。频率不仅与输入电压有关，而且与LM331的外接阻容元件有关，因而LM331外接阻容元件的精度及参数的稳定性直接影响测量精度，另外测量精度还与运放的性能有关，为了克服这种对元件及运放要求高的缺点，本测温仪采用自动补偿。具体方法是利用LM331的2引脚输出的稳定基准电压经LM324跟随输出到4051的I7再经LM331将此电压转换为频率。由单片机测量出对应的脉冲宽度Tvt，此脉冲宽度就是当前时刻所有电路参数所对应的值。因在调校时所有电路参数所对应的基准电压的脉冲宽度为TREF。根据TREF和Tvt再修正调校时所测得的T100和T0

结语
本测温仪均采用普通器件，在不需要复杂调试的情况下，只需本仪器本身的操作按键和数码显示管就可进行调校(即标定)。具有低成本，测量精度高的特点。其测量精度经法定计量单位检测，在-15℃~100℃范围内的误差为±0.1℃。