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在現代工農業生產過程中，環境溫度的測量和控制是極為普遍和重要的。為了提高生產效率，降低生產成本，尋求性能可靠價格低廉，且應用廣泛的元器件是生產過程的首選。本測量儀就是采用極為普遍的晶體管3DG6作為溫度傳感器，廉價的電壓/頻率轉換器(V/F)LM331與AT89C2051單片機組成的溫度測量儀。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，而且也是一種價格低廉，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運算放大器構成的測量放大電路見圖1。晶體管3DG6置于測溫現場其接成基極與集電極短路即發射結正偏，集電結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，其輸入I0"I6為溫度檢測輸入，I7為自動補償輸入。放大器LM324接成跟隨放器，其輸入為LM331芯片2引腳輸出的VREF電壓。LM331為電壓/頻率轉換器(V/F)，其輸出經74LS74分頻后連到單片機AT89C2051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。 電壓/頻率轉換器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，配以必要的外接電阻和電容就組成基本的電壓/頻率轉換器，當外接阻容元件一定時，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℃的液體介質中，再通過一定的操作，單片機將測的脈沖寬度T100記錄下來也存于AT24C02中。在這兩次測量中，單片機同時測量LM331的2引腳輸出的基準電壓VREF經跟隨器LM324和4051后，又送到LM331的7引腳由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。 調校與自動補償 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系。設當溫度為t 時，測得的脈沖寬度為Tt，只要單片機測到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的輸入電壓與輸出頻率的對應值。因此說本測溫儀調校簡便。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引腳輸出的穩定基準電壓經LM324跟隨輸出到4051的I7再經LM331將此電壓轉換為頻率。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值。因在調校時所有電路參數所對應的基準電壓的脈沖寬度為TREF。根據TREF和Tvt再修正調校時所測得的T100和T0。 結語 本測溫儀均采用普通器件，在不需要復雜調試的情況下，只需本儀器本身的操作按鍵和數碼顯示管就可進行調校(即標定)。具有低成本，測量精度高的特點。其測量精度經法定計量單位檢測，在-15℃"100℃范圍內的誤差為±0.1℃。 |
