基于pn结的温度测量系统1

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1、沈阳理工大学课程设计专用纸1一一. .设计原理与总体方案设计原理与总体方案1.11.1 二极管（二极管（PNPN 结）特性结）特性晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的 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。 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

2、间的关系,从而证明 半导体 PN 结在某个温度 范围内是性能优良的温度 传感器。 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

3、随着 T 增加而上升,但 在不宽的温度范围内,S 近似常数。1.21.2 主要电路方案分析主要电路方案分析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。 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。 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 比放大电路，放大

4、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） 。 采用一阶无源 RC 低通滤波器,截至频率为 50HZ。半导体二极管的温度特性曲线沈阳理工大学课程设计专用纸2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。 采用单片机 STC89C52（32 个 IO

5、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。 采用液晶 LCD1602，可设置 8 位数据端口,2 行显示,5*7 点阵等。1.31.3 DS18B20DS18B20 介绍介绍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

6、方法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。 1.41.4 实验原理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

7、电桥设置，将温度选择一个基准，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 18b

8、20 测得）y1，y2，yn 以及 的对应的 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区间内某一沈阳理工大学课程设计专用纸3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。二二. .硬件设计硬件设计2.12.1 电源部分电源部分沈阳理

9、工大学课程设计专用纸42.22.2 电桥和放大部分电桥和放大部分接线图：56 7411U1:BLM324R1 10kR2 10kR310kR410kR510kR610k+5v+5V+5VINT050%RV5 10k121314411U1:DLM32432 1411U1:ALM324C1 0.1ufR730k24%RV410k+5vQ3 NPNQ4NPNR8 3kD2 DIODER9 40kR10 20kC2 0.1uFC3 470u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-

10、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 D1 的电流值就为 I，那么就一定了。 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。 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

11、-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 100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： 调节硬件电路得到。 3211U1-U0dRVRRUK电路输出值与输入值的关系如下图：沈阳理工大学课程设计专用纸52.32.3 ADAD 采样及显示部分采样及显示部分XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD23

12、7P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C52X112MHzC1 22pFC2 22pFC320uFR11k+5V+5

13、V+5V2 3 4 5 6 7 8 91RP110K+5VD714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCDLM016LAD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0+5VALESTARTOEALE START OEEOCEOCOUT121ADD B24ADD A25ADD C23VREF(+)12VREF(-)16IN31IN42IN53IN64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK10OUT220OUT714OUT615OUT817OUT418

14、OUT319IN228IN127IN026ALE22U2ADC0808AD_CLK16.0DQ2VCC3GND1U3DS18B2018B2018b20AD_CLKAD_INRV11k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）,根据转换原理可得到 AD 转换值 x=(255*Vin) /3,通过比较取整。三三. .程序设计程序设计3.13.1 温度传感器温度传感器 18B2018B20 标定温度标定温度当 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，

15、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。沈阳理工大学课程设计专用纸63.23.2 流程图及程序代码流程图及程序代码开 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 18b20 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沈阳理工大学课程设计专用纸7开 始初始化液晶显示欢迎画面启动 AD 转换读取 AD 的值

16、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沈阳理工大学课程设计专用纸8程序代码： #include #include “LCD1602.h“ sbit 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 ADBuffer10;/存显示的字符 /*T0 中断服务程序 */ void t0(void) interrupt 1 using 0 AD_CLK=AD_CLK; void IntToT(unsigned int t, unsig