《智能仪器课程设计报告---基于1N4007的温度测量电路设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能仪器课程设计报告---基于1N4007的温度测量电路设计（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、智能仪器原理与设计课 程 设 计 报 告论文题目： 基于 1N4007 的温度测量电路设计 学院（系）： 应用电子技术 班 级： 0921 - 1 -基于 PN 结的温度测量系统设计摘要：本文给出了一种基于 PN 结的温度测量系统方案。利用 PN 结正向压降的温度特性测量环境温度。文章详细介绍了电路中恒流源、放大电路、AD 采样电路、LCD 液晶的设计方法、硬件连接电路以及软件的编写思路，其中，数据处理部分详细介绍了线性插值的数据处理方法。关键字：二极管 温度 非线性校正 正文：一、原理与总体方案1.1、二极管（PN 结）特性：晶 体 二 极 管 为 一 个 由 p 型 半 导 体 和 n 型
2、 半 导 体 形 成 的 p-n 结 ， 在 其 界 面处 两 侧 形 互 相 抑 消 作 用 使 载 流 子 的 扩 散 电 流 增 加 引 起 了 正 向 电 流 ， 并 且 和电 压 成 指 数 关 系 。1.1.1 电 流 -电 压 特 性 ：理想 PN 结的正向电流 IF 和正向压降 VF 存在如下关系:IF= Is*exp【-e*Vf/(k*T)】式中,-e 为电子电量;k 为玻耳兹曼常数;T 为绝对温度;Is 为反向饱和电流,与 PN 结材料的禁带宽度及温度有关.在此基础上得出 PN 结的正向电压 Vf 与热力学温度 T 之间的关系,从而证明半导体 PN 结在某个温度范围内是性能
3、优良的温度传感器。1.1.2 温度特性：温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加 8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加 12，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降 VD 大约减小 2 mV，即具有负的温度系数。这些可以从下图所示二极管的伏安特性曲线上看出。据资料介绍:在恒流模式下，If=If0,1n=If/If0=0,有:S=(Vg0-Vf0)/T0-(kB/q)*(1+1nT/T0).因 1nT/T0 是 T的缓变函数, S 的模随着 T 增加而上升,但在不宽的温度范围内,S 近似常数。1
4、.2 主要电路方案分析：半导体二极管的温度特性曲线- 2 -1.2.1 恒流源：为保证整个温度测量范围内 PN 结的正向电流恒定，PN 结的正向偏置采用恒流源驱动。采用三极管的特性和特殊电路，让通过二极管的电流始终在 100uA 左右。1.2.2 电桥的设置：采用电桥连接方式使放大器放大传感器变化电压的差值。电桥通过两个电阻和二极管并联构成，从而向放大器正负两端输入电压。通过理论分析及仿真实验研究选择合适的电桥电路参数。1.2.3 放大电路的设置：PN 结的结电压变化是一个微弱信号，结电压在温度每变化 1 度时大约变化 2mv 左右，所以需要进行放大后才能被后续电路处理。采用三运放高共模抑制比
5、放大电路，放大电桥两端的差模信号。设计中可采用三个独立的运放来构成放大电路，也可采用仪用放大器 AD620，根据电路实际情况来设置。（AD620 的电源提供范围为正负 2.3V 到正负 18V，低功耗，精确度高） 。1.2.4 滤波电路：采用一阶无源 RC 低通滤波器,截至频率为 50HZ。1.2.5AD 转换：采用 8 位的 AD 转换元件 AD0809，这样可以使用其 8 位数据线与 CPU 进行并口通信。因为 AD0809 对于本设计来说，精度已经达到，所以未用采用SPI 通信的 12 位 AD7841 等多位的 AD 转换器件。1.2.6 处理器：采用单片机 STC89C52（32 个
6、 IO 口，8KB 的 Flash 等） 。而未用本身带有10 位 AD 的 ARM 处理器，因为其对本设计而言会有很多硬件资源剩余，而且不熟悉其操作更会增加程序设计难度。所以综合考虑，对本设计而言，一般单片机的性价比更高。1.2.7 显示部分：采用液晶 LCD1602，可设置 8 位数据端口,2 行显示,5*7 点阵等。1.3 DS18B20 介绍：DS18B20 为一款单总线测温器件，它具有线路简单，体积小的特点。由于 DS18B20 采用的是 1Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 STC89C51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，必须采用软件的方法
7、来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 1.4 实验原理：设计整体思路：当通过 PN 结（以后用二极管表示）的电流恒定后，二极管两端的电压变化就主要与其感受的环境温度有关，所以以此来研究二极管的电压和温度特性。通过电桥设置，将温度选择一个基准
8、，即电压随温度变化的基准，当温度变化时，电压就会相对基准有个差值。将差值信号放大，滤波，输入单片机处理和采用温度传感器 18B20 标定温度值，得到一个 AD 值和温度对应的表，然后用二极管测温度，得到 AD 值采用查表非线性处理得到- 3 -温度值，结果和 18B20 测温结果对比显示在液晶上。非线性处理方法原理：将非线性的图形取一些采样点，通过这些采样点相邻之间直线相连就近似得到该曲线。我们的实验目的之一就是得到二极管电压-温度特性曲线。二极管测温原理：由文献资料我们已知了 PN 结的温度电压变化特性是指数关系。现假设我们测得 N 个温度值（可用 18b20 测得）y1，y2，yn以及的对
9、应的 AD 采样值 x1，x2，xn。在 N 值足够大的情况下，我们认为相邻两点是线性的关系，因此，具体某测量点对应的温度值可用以下方法获得： 首先，我们需要知道未知值 x 那两个 x 值的中间，然后根据我们已知坐标(x0,y0)与(x1,y1)，要得到x0,x1区间内某一位置 x 在直线上的值。根据图中所示，我们得到 假设方程两边的值为 ，那么这个值就是插值系数从 x0 到 x 的距离与从 x0 到 x1 距离的比值。由于 x 值已知，所以可以从公式得到 的值 。二、硬件设计2.1 电源部分：- 4 -2.2 电桥和放大部分56 741U1:BLM324R110kR210kR310kR410
10、kR510kR610k+5v+5V+5V INT050%RV510k1213 1441U1:DLM32432 141U1:ALM324 C10.1ufR730k24%RV410k+5vQ3NPNQ4NPN R83kD2DIODER940k R1020kC20.1uFC3470u2.2.1 恒 流 源 分 析 ：为 保证整个温度测量范围内二极管的正向电流恒定，其正向偏置采用恒流源驱动。当三极管 Q1 正常工作时，其 Ube=0.7V，通过三极管集电极端的电流I=（VDD-0.7v）/R1,只要 VDD 和 R1 恒定，I 就一定。那么由 Q1 和 Q2 两个三极管参数几乎一样，镜像得到通过二极管
11、 D1 的电流值就为 I，那么就一定了。2.2.2 电桥分析：通过 R3 和 R4 在 R4 两端产生一个恒定基准电压（比如 15 度时 VDD 减去二极管的电压值） ，从而当温度变化时，电桥两端就会有一电压差。2.2.3 放大分析：采用 LM324 自己搭建三运放高共模抑制比放大电路。从下表我们可以看出所测电路输出值与输入值的关系，在差值为 0.1V 到 0.50V 范围内，输出放大 5倍，在差值为 0.6V 以上就有一些非线性关系。根据电路设计方案，当差值大于0.90V 以上时 U 值不随 U0-U1 变化而变化，U 最大值为 3.23V。能够满足设计要求。从理论上说，我们将 0 到 10
12、0对应放大后的值为 0.5V 到 3V，那么所有值都在其线性区域内，由资料介绍二极管的温度特性分析，每变化 1就会使差值增加 1mv,那么最多变化 200mv，这样三运放放大倍数为 12.5 倍。由差模增益：- 5 -调节硬件电路得到。321U-0dRVK2.3AD 采样、单片机及显示部分XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0./AD039P0.1/A138P0.2/AD237P0.3/A336P0.4/AD435P0.5/A534P0.6/AD63P0.7/A732P1.0/T21P1./T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P
13、3.0/RXD10P3.1/TX1P3.2/INT012P3./IT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/W16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2./A1023P2.3/A124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C52X112MHzC12pFC22pFC320uFR11k+5V+5V+5V 234567891RP110K+5VD714613D51241D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCDLM016LAD0A1AD2A3AD4A5AD6A7AD7A6AD5A4AD3A2AD1A0+
14、5VALESTARTOEALESTARTOEEOCECOUT121AD B24A A25A C23VREF(+)12VEF(-)16IN31I42IN53I64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK10T220OUT714T615T817T418OUT319I228IN127I026ALE2U2ADC08AD_CLK16.0DQ2VC3GND1U3DS18B2018B2018b20AD_CLKAD_INRV11k2.3.1AD 转换原理：由于采用 8 位的 ADC0809，其参考电压为 3v, 理论上输入的电压为0.875v 到 3v（对应温度为 15100）,根据转换原理可得
15、到 AD 转换值x=(255*Vin)/3,通过比较取整。三、程序设计：- 6 -3.1 温度传感器 18B20 标定温度：注意：DS18B20 在完成一个读时序过程，至少需要 60us 才能完成。写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉低至少 60us，保证DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的“0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线3.2 程序流程图开 始初始化液晶显示欢迎画面取 12 次 AD 采样值进行软件滤波处理显示 1N4007 测出的温度值初始化 18b20读取 1
16、8b20 测出的温度值显示 18b20 测出的温度结 束温度程序流程图进行线性插值处理- 7 -开 始初始化液晶显示欢迎画面启动 AD转换读取 AD 的值是否已进行 12 次AD 转换对 12 次 AD 采样值进行冒泡法排序去掉最大最小值取 10 次采样值的平均值显示 AD 采样值初始化 18b20读取 18b20 测出的温度值显示 18b20 测出的温度结 束否是标定温度程序流程图程序代码：- 8 -#include #include LCD1602.hsbit AL=P23;sbit START=P24;sbit EOC=P26;sbit OUTE=P25;sbit AD_CLK=P27;sbit DQ =P30; /定 义 通 信 端 口unsigned char TempBuffer10; / unsigned char
