廉价实用的二极管温度计制作

  作者：汪仁里 这款蔬菜大棚温度计不用特殊的温度传感器，不用单片机，显示直观，设定超温报警低温报警简单方便，成本不超过20元。经过适当改动还可以作温／湿度同时显示。这种蔬菜大棚的温度计很有实用价值。
　　
　　一、温度一电压转换原理
　　
　　硅二极管有正向导通电压随温度上升而下降的特性，在恒定电流偏置情况下，变化率约为-2mV／℃，也就是说负温度系数。由于恒流源制作复杂，往往用电阻与硅二极管串联接一个固定电压，形成分压电路。温度升高，硅二极管分得的电压因温度而下降，固定电压一二极管电压=电阻电压随之升高，电流增大。二极管因偏置电流增大而正向导通电压升高，在这种反作用下，温度系数小于恒流偏置。增大偏置电流，二极管动态电阻减小，这种影响会减小。过度增大偏置电流，二极管发热，测出的温度高于环境温度造成误差。两者要兼顾。
　　
　　选择R5=3.9k偏置电流约0.8mA。使用33/4位数字表，下图电路实测电压为0℃:2145mV，100℃:1630mV，估算50℃:(2145+1630)/2=1888mV。A1:LM358是一块双运放，其一半A1_1用作跟随器，另一半A1_2用作反相放大器，其倍数为-11倍。0℃时调整输出为2.15V，50℃时输出为4.97V。在测量中用同一个档位测量，如DC20V为宜。    
　　二、LM3914的分段比较原理
　　
　　用电阻将2145~4972mV细分10等分，分别接比较器和输入电压相比。可以得到11种结果。小于或等于2145mV，大于2145mV（对应0℃），大于2145+283mV（对应5℃）……10个指示灯依次为不亮，1个灯亮，2个灯亮……形成光柱。为了更醒目起见，低于15℃用绿灯显示，高于35℃用红灯显示，中间用黄灯显示。LM3914的Rhi是调整上限，Rlo是调整上限。内部含有9个1kΩ分压电阻。如右图所示。2145mV、4972mV必须很稳定，不能受电源电压波动或环境温度变化影响。LM3914内部有一个基准电压为1.25V的稳压电路，位于7(Uout)，8(Adj)脚之间。Uout由Rl、R2调整，计算式为Uout=(1+Rl/R2)，鉴于测温50℃运算放大器输出近5V，设计Uout为5.3V。用Wl调节Rhi．W2调节Rlo，最好用多圈电位器实施细调。R2兼做灯拄电流控制用，R2为1.2kΩ时每灯电流为10×1.25V/1.2kΩ=10.4mA。LM3914的第9脚Dot/Bar接高，拄形显示，Dot/Bar接低，点状显示。   　　三、上下限温度报警设置
　　
　　用双列金手指接01~010。假如上限温度设45℃，09低电平经过JP2，R9到达U2的第1脚，4001是或非门，1脚输入低，门1等效为反相器，Rl0挂在2脚与3脚之间形成负反馈，2脚电压约等于1/2电源电压位于线性放大的工作点，2脚电压微小变化经过2-3，5-4两级放大，经过电容C2正反馈到2脚，引起自激振荡。频率由Rl0，C2决定。4脚时而高时而低控制4001门3，4的振荡，产生断续的“嘀一嘀”声。压电陶瓷偏发出报警声。这时VT1的基极因02低电平偏置，VT1截止。不影响09回路。~当温度低于5℃时，只有01一个灯不亮，02~010不亮而都输出高电平，02通过JP2，R7，R8使VT1的基极正偏，VT1导通，VT1的C极为低，4001的1脚低电平，产生报警声振荡。在5℃~ 40℃范围，VT1的基极因02-JP1低电平而截止。
　　
　　09-JP2高电平，4001的1脚高电平→3脚低→5脚低→4脚低→12脚低→11脚高→9脚低→10脚低。所有的脚都处于固定电平没有形成振荡。不报警。JP1和JP2可以人为设定，特别方便。 　　四、制作与调整
　　
　　把3个玻璃封装的硅二极管串联焊接，引出两条细线（最好用高温导线），做成Dll~ 13。然后装入一根较粗的空圆珠笔芯中，用704硅胶或装修用的所谓“玻璃胶”封死，等待自然固化。用自来水冻成冰块，和水混合放在保温杯中，保证既有冰又有水，把Dll～13放入冰水混合物中，数字表测量其端电压，等待数字稳定读出为2145mV。将探头放入开水锅中，等待数字稳定读出为1630mV。
　　
　　如果不是平原地区，水的沸点不是100℃，也可以用体温计校准。先去2份不含冰的冰水和一份开水，放在保温杯中，用体温计监视水温，然后一勺一勺加开水，直到正好40℃为止，把Dll～13放人，读出为1835mV；通过计算得到50qC的电压。焊下二极管，用一个lOkΩ多圈电位器替代。首先调到O℃的电压，调Wl，使Rlo正好等于OoC的电压。10个灯全不亮。第二步，调到50℃的电压，调W2使Rhi正好等于500C的电压。9个灯亮，第10个灯刚好在亮与不亮的临界状态，使第10个灯亮。LM358的具体放大倍数已经不太重要了。所以R3，R4不必用精密电阻，也不必调。
　　
　　没有33/4位数字表，可以用一块31/2位数字表+TLV431代替如下图接好。用2V档测测A点到地，如1.251V，再测二极管的时候，黑笔始终接A点，读数如0.896 V，实际电压为1.251+0.896=2.147V．这样就可以取得小数点后3位有效数字。   　　调试中碰到的问题：发光灯电流太大，不但使芯片发热而且输出端01N010的逻辑低电平因内部的限流作用抬得很高，U2无法识别。下图用三种方法试验。①串联一只电阻，问题有：一灯亮和多灯亮得亮度不匀，多灯得灯与灯之间亮度不匀。②串联一只SV玻封稳压管，管子严重发烫③接入8050晶体管降压。效果比较好，也发热。VCC由12V改为9V，发热问题得以改善。
　　
　　五、扩充为千湿温度度计
　　
　　做同样两套温度计，第一套温度计测干温度，第二套测湿温度，湿度越小，两者的差别越大，湿度饱和情况，两者指示相同。由于第一套温度计是5℃一个间隔，而第二套温度计指示的是水蒸发降温后的温度差别，只需1℃一个间隔。，第二个3914的R102接第一块3914的IN1。第二块3914的Rhi用一个二极管抬高0.66V，即Rhi2=R102+0.66。注意挑选6个二极管特性要一致，在室温下的正向压降相同。
　　
　　如有细微差别可以调节R253.9kΩ。水蒸发与空气流动速度有关，测湿温度的探头包一块湿纱布放在通风处。在没有严格的标定情况，只能建立经验。10个灯全亮表示湿度最小，1个或少数灯亮，表示湿度大。