一种低成本高精度温度测量电路

刘臣刚

（淮南矿业集团 朱集矿井建设项目部，安徽 淮南 232000）

0 引言

在现代化工矿企业与农业生产过程中，环境及设备温度的测量和控制是极为普通和重要的。为了提高生产效率，降低生产成本，寻求性能可靠、价格低廉、且应有广泛的元器件设计温度检测仪是生产、使用单位的首先。本温度检测仪就是由极为普通的晶体管3DG6、廉价的电压、频率转换器（V/F）LM331与单片机AT89C2051等组成，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-发射极间正向电压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，而且也可作为一种价格低廉、取材方便、性能良好的温度传感探头使用。

1 测量与放大电路

用3DG6作为温度传感探头和LM324运算放大器构成的测量放大电路见图1。晶体管3DG6接成基极与集电极短路发射结正偏、集电结零偏作为二极管使用，构成温度号，传感探头置于测温现场，电源通过电阻 R1（100Ω）向 3DG6 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≈Ube。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

2 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接成跟随放大器，其输入为LM331芯片2脚输出Vref电压。LM331为电压、频率转换器 （V/F），其输出经74LS74分频后练到单片机AT24C0251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。

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，外接电阻和电容可组成基本的电压、频率转换器。当外接电阻和电容可组成基本电压/频率转换器。当外接阻容元件值一定时，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，单片机将测得的脉冲宽度T0记录下来并存于AT24C02中。然后再将3DG6置于100℃的水中，再通过一定的操作，单片机将测得的脉冲宽度T100记录下来也存于ATA24C02中。在两次测量中，单片机同时测量LM331的2脚输出的基准电压Vref，经跟随器LM324和4051后，又送到LM331的7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。

图2 检测与处理电路

3 调校与自动补偿

由F=1/T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，只要单片机测得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的输出电压与输出频率的对应值，因此，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脚输出的稳定基准电压转换为频率；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基准电压的脉冲宽度Tref，根据Tref和Tvt再修正调校时所测得的T100和T0。

4 结语

本测温仪采用普通器件，在不需要复杂调试的情况下，只需要操作仪器本身的按键和数码管显示就可进行调校（即标定）。具有低成本，测量精度高的特点，在-40℃~-140℃范围内，其测量误差为±0.1℃。如将该测温仪与煤矿井下电力监控系统配套，可用于电机设备的表面温度测量、重要开关设备接线端子的表面温度测量等。本文介绍的检测电路自动补偿方法也可用于其他测量传感器中。

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