溫度傳感器

溫度傳感器是通過物體随溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都随溫度的 變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多。溫度傳感器随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。随着生産的發展，新型溫度傳感器還會不 斷湧現。 由于工農業生産中溫度測量的範圍極寬，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 隻能在一定的溫度範圍内使用。常用的測溫傳感器的種類與測溫範圍如下表所示。

溫度傳感器與被測介質的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質 保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN 結溫度 傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質接觸，而是通過被測介質的熱輻射或對流傳到溫度傳感器， 以達到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀态 物質的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉着的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中 的溫度分布）。 溫度傳感器的種類較多，我們介紹幾種主要的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 結的結電壓是随溫度而變化的。例如矽管的 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）或采用矽 三極管（可将集電極和基極短接）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。測溫範圍為-50— 150℃。典型的溫度曲線如圖 1 所示。同型号的 二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。

應用電路(一)

圖（2）是采用 PN 結溫度傳感器的數字式溫度計，測溫範圍-50—150℃，分辨率為 0.1℃,在 0—100℃範 圍内精度可達±1℃。 圖中的 R1，R2，D，W1 組成測溫電橋，其輸出信号接差動放大器 A1，經放大後的信号輸入 0—±2.000V 數字式電壓表（DVM）顯示。放大後的靈敏度 10mV/℃。A2 接成電壓跟随器。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複雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩壓精 度。 精确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℃的标準，采用恒溫水槽或油槽 及标準溫度計作為 100℃或其它溫度标準。在沒有恒水槽時，可用沸水作為 100℃的标準（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）。

将 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，将 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。再将傳感器插入 0℃環境中，等平衡後 看顯示是否仍為 0V，必要時再調整 W1 使之為 0V，然後再插入沸水，看是否與水銀溫度計計數相等，經 過幾次反複調整即可。

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。它的主要技術指标如下：

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。

這裡我們選用内帶一個模拟比較放大器的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，内帶 2k 的 Flash 程序存儲器，128 字節的内部 RAM,具有 15 個 I/O 口， 6 個中斷源，隻有 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。其中内含一個模拟比較放大器，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，這兩個輸入輸出口内部并沒有上拉電阻，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後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，接着置 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，那麼隻要測得開始 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。

這裡需要指出，從圖 4 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：

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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