孙 林

(宜兴技师学院信息工程部,江苏宜兴 214206)

基于电压/频率的温度检测系统

孙 林

(宜兴技师学院信息工程部,江苏宜兴 214206)

本文利用单片机结合电压/频率(V/F)转换而开发的温度检测系统,可实现对特殊环境下温度的检测,并详细讲述了利用热敏电阻探测环境温度和LM331进行信号转换传输的过程。整个系统电路结构简单明了,性能可靠,不仅适用于常温控制,也可适用于工业特殊环境温度的监测与控制。

温度转换;V/F转换;单片机

在无法人工测量高电压的特殊环境中,利用热敏电阻在不同的温度下所产生的不同阻值这一特性,将热敏电阻引起的两端变化电压再经过V/F转换器进行A/D转换,所得到的频率信号最后经过单片机处理后得到温度数字显示。此装置可解决在特殊环境下无法对温度进行直接测量的问题。精确地将高压测试点上的温度数值传输到接收端使我们能更好的对整个系统进行控制。

1 硬件分析

本系统的整个设计分为三个部分:温度检测电路、温度转换电路、数据处理部分。

1.1 温度检测电路

半导体理论和实验证明:在-50℃-150℃范围内发射结正偏时,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-2.1 mV/℃[1]。因此晶体管3DG6不但可以作为通常的电子器件使用,而且也是一种温度传感器。用3DG6作为温度传感器,LM324运算放大器构成测量放大电路。晶体管3DG6至于测温现场其接成基极和集电极短路即发射结正偏,集电结零偏作为二极管来用作温度传感器,电源通过电阻R1(100 kΩ)向3DG6提供约45 mA的集电极电流。其UBE连接到LM324的同相端,选R2=R3则放大器输出U0=2UBE。

1.2 温度转换电路

整个电路采用3DG6作为温度探测器,在集电极产生电压输出,再经过一级放大电路,得到的电压送入V/F转换,通过对LM331外围器件的设置,使输出频率和输入的电压产生转换关系(如图1)。将转换的频率信号,通过光纤进行远距离传输,经过多路模拟开关送入单片机[2]。定时器T0置中断方式每中断10次采样一次当前数据通道采样结果存入存储器,通过计算得出对应的温度值[3]。由于f=1/T则可得到每单位(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外接阻容元件,因而LM331外接阻容元件的精度和参数的稳定性直接影响测量的精度。

1.3 数据处理部分

通过对多路信号的温度进行测量,将被测量进行V/F转换再进行传输,主要应用LM331芯片组成的V/F转换电路[4][5],把电压信号转换为频率信号,送入单片机处理。单片机在有限的时间段内,对脉冲个数进行计数,再通过简单的函数(F=N/T)计算得到频率值,接着按照频率与温度的线性变化关系,最后将温度显示出来。显示部分采用动态显示方式,以增加端口的利用率。

2 软件分析

本设计的软件控制主要是对频率信号的采集,通过单片机对LM331转换的频率信号进行测量,然后再通过查表找出对应的温度参数,最后将查找到的温度参数送往显示电路进行显示。所以软件设计部分分为两个部分:频率信号采集部分和显示部分。

图1 V/F转换原理图

2.1 频率信号采集部分

通过LM331送来的频率信号通过八选一选择电路后进入T1口。单片机通过设定有限的时间(T)内,对此频率信号的脉冲个数进行计数,得到的计数结果N,再根据函数关系F=N/T得到频率值,利用汇编语言里特有的查表方式,找到与此频率对应的温度加以显示(此表要根据LM331转换参数通过实验预先得到),程序流程图如图2所示。

2.2 温度显示电路

此电路中,三极管9013工作在开关状态用于驱动LED的8位段码,8位LED相应的“a”—“g”段与74LS47的“a”—“g”段相连,74LS47则与单片机的P2.4—P2.7相连。当选通某一位LED时,相应的地址线输出的是高电平,控制9013处于“开”状态,高电平就直接输入到数码管的公共端。所以我的LED选用共阳LED数码管。

动态扫描的频率有一定的要求,频率太低, LED将出现闪烁现象。如频率太高,由于每个LED点亮的时间太短,LED的亮度太低,肉眼无法看清,所以一般均取几个ms左右为宜,这就要求在编写程序时,选通某一位LED使其点亮并保持一定的时间,程序上常采用的是调用延时子程序。在程序指令中,延时子程序是相当简单的,并且延时时间也很容易更改。

图2 程序流程框图

3 结束语

在一般的温度测量且有单片机支持的场合,利用LM331进行V/F转换具有精度高、线性度好、成本低、使用方便等优势。在此设计方案中,用单片机对LM331输出的频率信号进行测量,对外部输入的脉冲信号进行频率测量,经过计算后得到温度值。另外,此电路通过加入光纤和八选一模拟开关,可以在特殊环境下对多个温度进行测量采集数据,再通过光纤可以精确地进行数据传输,更好的对环境温度进行监测。

[1] 沈雅琴.半导体热敏电阻测温传感分析[J].上海航天,1997,(2):37-39.

[2] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:162-168.

[3] 杨丽君.AT89C51单片机控制的多路温度检测系统[J].自动化仪表,2000,(3):22-24.

[4] 谭浩强.微机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社,2002:123-259.

[5] 李洁.基于DS18B20的温度检测系统在蔬菜大棚中的应用[J].农业工程技术,2008,(4):76-77.

(责任编辑:张铁壁)

Temperature Detection System Based on V/F

SUN Lin
(Department of Information Engineering,Yixing Technician College,Yixing214206,China)

This paper applies the single-chip microcomputer and voltage/frequency(V/F)transformation to develop the temperature detection system,which can test the temperature in special conditions.It details the process of using heat resistance in detecting environment temperature and using LM331 in transmitting signals.With simple structure,reliable function,the circuit of the system is not only suit for common-temperature control,but also suit for specific environment monitoring and control of temperature.

temperature conversion;V/F conversion;single-chip microcomputer

T P274

A

1008-3782(2011)01-0044-03

2010-06-18

孙 林(1984-),男,江苏宜兴人,宜兴技师学院助理讲师。