PN結溫度傳感器及測溫電路原理

?溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨著生產的發展，新型溫度傳感器還會不斷涌現。

??? 由于工農業生產中溫度測量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內使用。具體可參考本站文章:常用的測溫傳感器的種類與測溫范圍 及 常用溫度傳感器的比較及選型。溫度傳感器的種類較多，我們主要介紹PN結溫度傳感器及應用電路。

PN結溫度傳感器
工作原理
??? 晶體二極管或三極管的PN結的結電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結的結電壓在溫度每升高1℃時，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時間常數為0.2—2秒，靈敏度高。測溫范圍為-50—+150℃。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。
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?應用電路(一)
??? 圖（2）是采用PN結溫度傳感器的數字式溫度計，測溫范圍-50—150℃，分辨率為0.1℃,在0—100℃范圍內精度可達±1℃。
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??? 圖中的R1，R2，D，W1組成測溫電橋，其輸出信號接差動放大器A1，經放大后的信號輸入0—±2.000V數字式電壓表（DVM）顯示。放大后的靈敏度10mV/℃。A2接成電壓跟隨器。與W2配合可調節放大器A1的增益。
??? 通過PN結溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。一般工作電流為100—300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩壓精度。

??? 精確的電路調整非常重要，可以采用廣口瓶裝入碎冰渣（帶水）作為0℃的標準，采用恒溫水槽或油槽及標準溫度計作為100℃或其它溫度標準。在沒有恒水槽時，可用沸水作為100℃的標準（由于各地的氣壓不同，其沸點不一定是100℃，可用0—100℃的水銀溫度計來校準）。?
??? 將PN結傳感器插入碎冰渣廣口瓶中，等溫度平衡，調整W1，使DVM顯示為0V，將PN結傳感器插入沸水中（設沸水為100℃），調整W2，使DVM實現為100.0V，若沸水溫度不是100℃時，可按照水銀溫度計上的讀數調整W2，使DVM顯示值與水銀溫度計的數值相等。再將傳感器插入0℃環境中，等平衡后看顯示是否仍為0V，必要時再調整W1使之為0V，然后再插入沸水，看是否與水銀溫度計計數相等，經過幾次反復調整即可。
??? 圖中的DVM是通用3位半數字電壓表模塊MC14433，可以裝入儀表及控制系統中作顯示器。MC14433的應用電路可參考本網站的常用A/D轉換器中的技術手冊。它的主要技術指標如下：?
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基本量程：±1.999V(2V)
線性誤差：該讀數的0.05%±1字
電源：5—7.5V單電源
平均功耗：300mW
過量程時：數字閃爍
DU腳接地時：數據可保持
?應用電路(二)
??? 下面我們來看看利用不帶A/D轉換器的單片機實現測溫的應用電路。
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??? 這里我們選用內帶一個模擬比較放大器的AT89C2051單片機來實現這一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位單片機，內帶2k的Flash程序存儲器，128字節的內部RAM,具有15個I/O口，6個中斷源，只有20個引腳，價格也相當便宜，可謂價廉物美的單片機。詳細的資料可參見本網站的“ATMEL單片機”中的AT89C2051。其中內含一個模擬比較放大器，P1.0是比較放大器的同相輸入端，P1.1是比較放大器的反相輸入端，這兩個輸入輸出口內部并沒有上拉電阻，比較放大器的輸出端連至P3.6，也沒有引出，但可用指令訪問該引腳。
??? 在該單片機外接RC元件即可構成簡單的，低精度的A/D轉換電路，電路如圖3所示，P1.0（同相端）接上RC充放電阻和電容，P1.1（反相端）作為外部被測溫度電壓的輸入端，作為PN結溫度傳感器，本身輸出電壓較低，可參照上一節我們給出的放大電路，溫度傳感電壓經放大后再引至單片機的輸入端。P1.2充放電控制端通過一個數kΩ的電阻接正電源Vcc，因為R1遠小于R2，可以認為在P1.2輸出邏輯高電平時，電壓是相當接近Vcc高電平的。
??? 電路工作過程如下：程序開始時，先置P1.2為邏輯低電平，并延時一小段時間，使P1.2為低電平，電容C經R2放完電，此時，P1.0=0V，而P1.1>0V,比較放大器輸出“0”電平，接著置P1.2為高電平，同時定時器開始計時，當電容C上的電壓Vc充到Vc=Vx時，P1.0與P1.1的電位相等，比較放大器的同相端和反相端電平相等時，輸出端P3.6輸出高電平，當掃描查詢到P3.6為高電平時即停止計時，那么只要測得開始對電容充電到P3.6輸出高電平的時間，通過換算即可得到外部被測溫度電壓的值。
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??? 這里需要指出，從圖5中我們可以看到，電容器的充電過程并非線性，其充電過程可以描述為：
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??? 這個非線性特性，我們在單片機編程時，可以通過補償和校正的方法加以解決，最常用的方法也是最簡單的方法是通過查表的辦法進行修正。這樣便可滿足一種低精度簡易的溫度測量要求。

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