基于PN結(jié)的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計論文（C語言）

1、智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)課 程 設(shè) 計 報 告論文題目： 基于1N4007的溫度測量電路設(shè)計 學院（系）： 電子信息與自動化學院 班 級： 學生姓名： 指導教師： 基于PN結(jié)的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計摘要： 本文給出了一種基于PN結(jié)的溫度測量系統(tǒng)方案。利用PN結(jié)正向壓降的溫度特性測量環(huán)境溫度。文章詳細介紹了電路中恒流源、放大電路、AD采樣電路、LCD液晶的設(shè)計方法、硬件連接電路以及軟件的編寫思路，其中，數(shù)據(jù)處理部分詳細介紹了線性插值的數(shù)據(jù)處理方法。關(guān)鍵字：二極管 溫度 非線性校正 正文：一、原理與總體方案1.1、二極管（PN結(jié)）特性：晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形互相

2、抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流，并且和電壓成指數(shù)關(guān)系。1.1.1電流-電壓特性：理想PN結(jié)的正向電流IF和正向壓降VF存在如下關(guān)系:IF= Is*exp【-e*Vf/(k*T)】式中,-e為電子電量;k為玻耳茲曼常數(shù);T為絕對溫度;Is為反向飽和電流,與PN結(jié)材料的禁帶寬度及溫度有關(guān).在此基礎(chǔ)上得出PN結(jié)的正向電壓Vf與熱力學溫度T之間的關(guān)系,從而證明半導體PN結(jié)在某個溫度范圍內(nèi)是性能優(yōu)良的溫度傳感器。1.1.2溫度特性：半導體二極管的溫度特性曲線溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加

3、12，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1，正向壓降VD大約減小2 mV，即具有負的溫度系數(shù)。這些可以從下圖所示二極管的伏安特性曲線上看出。據(jù)資料介紹: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的緩變函數(shù), S的模隨著T增加而上升,但在不寬的溫度范圍內(nèi),S近似常數(shù)。1.2主要電路方案分析：1.2.1恒流源：為保證整個溫度測量范圍內(nèi)PN結(jié)的正向電流恒定，PN結(jié)的正向偏置采用恒流源驅(qū)動。采用三極管的特性和特殊電路，讓通過二極管的電流始終在100uA左右。1.2.2電

4、橋的設(shè)置：采用電橋連接方式使放大器放大傳感器變化電壓的差值。電橋通過兩個電阻和二極管并聯(lián)構(gòu)成，從而向放大器正負兩端輸入電壓。通過理論分析及仿真實驗研究選擇合適的電橋電路參數(shù)。1.2.3放大電路的設(shè)置：PN結(jié)的結(jié)電壓變化是一個微弱信號，結(jié)電壓在溫度每變化1度時大約變化2mv左右，所以需要進行放大后才能被后續(xù)電路處理。采用三運放高共模抑制比放大電路，放大電橋兩端的差模信號。設(shè)計中可采用三個獨立的運放來構(gòu)成放大電路，也可采用儀用放大器AD620，根據(jù)電路實際情況來設(shè)置。（AD620的電源提供范圍為正負2.3V到正負18V，低功耗，精確度高）。1.2.4濾波電路：采用一階無源RC低通濾波器,截至頻率為

5、50HZ。1.2.5AD轉(zhuǎn)換：采用8位的AD轉(zhuǎn)換元件AD0809，這樣可以使用其8位數(shù)據(jù)線與CPU進行并口通信。因為AD0809對于本設(shè)計來說，精度已經(jīng)達到，所以未用采用SPI通信的12位AD7841等多位的AD轉(zhuǎn)換器件。1.2.6處理器：采用單片機STC89C52（32個IO口，8KB的Flash等）。而未用本身帶有10位AD的ARM處理器，因為其對本設(shè)計而言會有很多硬件資源剩余，而且不熟悉其操作更會增加程序設(shè)計難度。所以綜合考慮，對本設(shè)計而言，一般單片機的性價比更高。1.2.7顯示部分：采用液晶LCD1602，可設(shè)置8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣等。1.3 DS18B20介紹：DS18

6、B20為一款單總線測溫器件，它具有線路簡單，體積小的特點。由于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對STC89C51單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。 DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸

7、都是低位在先。 1.4實驗原理：設(shè)計整體思路：當通過PN結(jié)（以后用二極管表示）的電流恒定后，二極管兩端的電壓變化就主要與其感受的環(huán)境溫度有關(guān)，所以以此來研究二極管的電壓和溫度特性。通過電橋設(shè)置，將溫度選擇一個基準，即電壓隨溫度變化的基準，當溫度變化時，電壓就會相對基準有個差值。將差值信號放大，濾波，輸入單片機處理和采用溫度傳感器18B20標定溫度值，得到一個AD值和溫度對應(yīng)的表，然后用二極管測溫度，得到AD值采用查表非線性處理得到溫度值，結(jié)果和18B20測溫結(jié)果對比顯示在液晶上。非線性處理方法原理：將非線性的圖形取一些采樣點，通過這些采樣點相鄰之間直線相連就近似得到該曲線。我們的實驗目的之一就

8、是得到二極管電壓-溫度特性曲線。二極管測溫原理：由文獻資料我們已知了PN結(jié)的溫度電壓變化特性是指數(shù)關(guān)系?，F(xiàn)假設(shè)我們測得N個溫度值（可用18b20測得）y1，y2，yn以及的對應(yīng)的AD采樣值x1，x2，xn。在N值足夠大的情況下，我們認為相鄰兩點是線性的關(guān)系，因此，具體某測量點對應(yīng)的溫度值可用以下方法獲得：首先，我們需要知道未知值x那兩個x值的中間，然后根據(jù)我們已知坐標(x0,y0)與(x1,y1)，要得到x0,x1區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的值。根據(jù)圖中所示，我們得到假設(shè)方程兩邊的值為，那么這個值就是插值系數(shù)從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x值已知，所以可以從公式得到的值。二、硬件

9、設(shè)計 2.1電源部分： 2.2電橋和放大部分2.2.1恒流源分析：為保證整個溫度測量范圍內(nèi)二極管的正向電流恒定，其正向偏置采用恒流源驅(qū)動。當三極管Q1正常工作時，其Ube=0.7V，通過三極管集電極端的電流I=（VDD-0.7v）/R1,只要VDD和R1恒定，I就一定。那么由Q1和Q2兩個三極管參數(shù)幾乎一樣，鏡像得到通過二極管D1的電流值就為I，那么就一定了。2.2.2電橋分析：通過R3和R4在R4兩端產(chǎn)生一個恒定基準電壓（比如15度時VDD減去二極管的電壓值），從而當溫度變化時，電橋兩端就會有一電壓差。2.2.3放大分析：采用LM324自己搭建三運放高共模抑制比放大電路。從下表我們可以看出所

10、測電路輸出值與輸入值的關(guān)系，在差值為0.1V到0.50V范圍內(nèi)，輸出放大5倍，在差值為0.6V以上就有一些非線性關(guān)系。根據(jù)電路設(shè)計方案，當差值大于0.90V以上時 U值不隨U0-U1變化而變化，U最大值為3.23V。能夠滿足設(shè)計要求。從理論上說，我們將0到100對應(yīng)放大后的值為0.5V到3V，那么所有值都在其線性區(qū)域內(nèi)，由資料介紹二極管的溫度特性分析，每變化1就會使差值增加1mv,那么最多變化200mv，這樣三運放放大倍數(shù)為12.5倍。由差模增益：調(diào)節(jié)硬件電路得到。2.3AD采樣、單片機及顯示部分 2.3.1AD轉(zhuǎn)換原理：由于采用8位的ADC0809，其參考電壓為3v, 理論上輸入的電壓為0.

11、875v到3v（對應(yīng)溫度為15100）,根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可得到AD轉(zhuǎn)換值x=(255*Vin)/3,通過比較取整。三、程序設(shè)計：3.1溫度傳感器18B20標定溫度：注意：DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線3.2程序流程圖開 始初始化液晶顯示歡迎畫面取12次AD采樣值進行軟件濾波處理顯示1N4007測出的溫度值初始化18b20讀取18b20測出的溫度值顯示

12、18b20測出的溫度結(jié) 束溫度程序流程圖進行線性插值處理開 始初始化液晶顯示歡迎畫面啟動AD轉(zhuǎn)換讀取AD的值是否已進行12次AD轉(zhuǎn)換對12次AD采樣值進行冒泡法排序去掉最大最小值取10次采樣值的平均值顯示AD采樣值初始化18b20讀取18b20測出的溫度值顯示18b20測出的溫度結(jié) 束否是標定溫度程序流程圖四、實驗結(jié)果記錄：所測二極管1N4007電壓-溫度特性曲線：二極管兩端電壓溫度基本成指數(shù)關(guān)系：AD值18b20所測溫度94150610620.411223.1211624.8112227.6312931.8413833.2714636.2315540.9315942

13、.3816344.7416846.4317347.2417749.32同環(huán)境下1N4007和18b20所測溫度比較：18150.1218552.518b20溫度（）1N4007溫度（）18953.1818.9318.2219255.3126.8127.1419457.8730.3831.2219858.2532.6833.2720059.3733.5634.0120359.6164.3765.9120462.964.3765.9120567.8在所有電路做好后，我們用1N4007測了一組溫度數(shù)據(jù)，其與溫度傳感器測溫相比較如上表所示。兩者的差值基本上在1內(nèi)。20772.620876.920880

14、.6320888.7220995.46五、電路調(diào)試與問題分析5.1.電路部分調(diào)試：5.1.1模擬部分硬件調(diào)試及分析：首先必須保證電路原理正確，然后根據(jù)原理檢查電路板的接線是否正確，有無虛焊、錯焊以及漏焊，各電路是否連接正確。我們在制作電路過程中就有焊錯焊漏的現(xiàn)象，比如7805輸入輸出腳接反，導致電源輸出為7V以上。通過對關(guān)鍵點的測試以及各電路的特點，最終很不容易完成電路板。但是只要細心一點，還是不會出什么錯的。在確保電路連接無誤后，我們開始模擬部分調(diào)試。調(diào)節(jié)滑動變阻器設(shè)定AD620的放大倍數(shù)到設(shè)定值。然后輸入一較小電壓差，但是輸出值確是4V以上，調(diào)節(jié)滑動變阻器就是下不來。反復分析電路連接，輸入

15、電壓差值，以及濾波電路都查不出問題所在。所以我們將問題集中在AD620上，但是Proteus和multisim軟件仿真都沒有錯啊。查看資料和詢問老師后，單電源其線性工作區(qū)大楷在-Vs+1.6v和+Vs-1.6v，可能是輸入的共模電壓值太大，或是采用單電源的原因。二極管電橋輸出電壓高于3.5v，于是我們串聯(lián)了一個30歐/2W的電阻欲將其共模降下來，但是連上電路后居然降低到1.5v左右了，但是另一個電橋輸出最低在2.3V左右，這樣無法調(diào)零。懷疑是不是電阻的功率太大了，我們把電阻值換后，而且電阻小于30歐都使其值在原來位置。最后我們考慮將另外一電橋的電阻比例換了，使其輸出電壓調(diào)節(jié)能力更大。這樣我們就

16、將共模電壓降了下來，輸入AD620后，其輸出值有一點變化，但是調(diào)節(jié)滑動變阻器還是不能得到理想值，甚至調(diào)而無用，輸入電壓為0v時輸出超過了1.5v， 所以我們認為其放大后沒在線性區(qū)工作所致。后來我們將單電源改為正負10v的雙電源調(diào)試，輸入100mv的差值，輸出確達到8V以上，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)也無濟于事。最終考慮換為用LM324自己搭建一個三運放高共模抑制比放大電路。通過對所連放大電路的測量，知道其工作線性區(qū)大概在0.5V到3V，計算調(diào)節(jié)好放大倍數(shù)后，輸入電壓差值（共模電壓在2.5v左右），能夠看到輸出值，也能夠調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，但是但是輸出值不穩(wěn)定。是否是干擾太大了？通過老師指導測量，我們發(fā)現(xiàn)恒流源也有

17、一定問題，恒流源的值不穩(wěn)定，可能是三極管沒有工作。再通過查資料，發(fā)現(xiàn)恒流源的電流應(yīng)該在幾百UA左右（以前是0到300mA）。于是將以前的30歐/2w的電阻改為40K，而接二極管一端電橋串聯(lián)上20K分壓電阻，最終測量恒流源在100UA左右，比較穩(wěn)定。但是輸入的電壓差還是不是很穩(wěn)定，采用儀器測量二極管的電壓和電源紋波較大，采用470uf和0.1uf并聯(lián)接地后，輸出值終于穩(wěn)定下來。但是紋波還是存在，并且只要動了電路板都會出現(xiàn)其變大的情況，但通過LM324后，其值還是很穩(wěn)定的，可能剛才的紋波就是電源電壓的，因此通過放大器被差掉了，得到了理想的值。調(diào)節(jié)數(shù)字部分電路時，剛開始ADC0809一直不正常工作，

18、反復檢查電路連接和程序都沒多大問題，最終檢查電路原理圖時，發(fā)現(xiàn)單片機的EA腳沒接電源。因為其控制是否訪問外部存儲器，接電源表示從程序從內(nèi)部存儲器開始工作，接好后，ADC0809正常工作。在測量溫度時，發(fā)現(xiàn)IN4007所測溫度不穩(wěn)定，而AD輸入值還是較穩(wěn)定的，示波器測量其參考電壓（我們是用滑動變阻器調(diào)節(jié)5V電源到3V）紋波較大，接了電容后所測溫度比較穩(wěn)定。另外我們在標定溫度是出現(xiàn)溫度下降時，AD值成鋸齒波下降，我想也是由此影響。5.2程序部分調(diào)試：我們采用各個程序模塊單獨調(diào)試，顯示、AD轉(zhuǎn)換、18b20程序依次調(diào)試，各個部分都正常后，再將其全部合成一起，所以程序并未出現(xiàn)大的問題，只是在標定溫度列

19、表后，出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲區(qū)溢出情況。六、總結(jié) 通過對電路的實際測試，電路基本上達到了預定要求，能夠測得15攝氏度到100攝氏度左右的溫度。但由于當溫度高于65攝氏度左右時，電壓值不會隨溫度升高而升高. 通過本次課程設(shè)計，我們學習了實際問題的處理方法。這次課程設(shè)計的實際問題是設(shè)計一個測量PN結(jié)溫度-電壓特性曲線和用PN結(jié)做一個溫度傳感器測量溫度電路，并通過動手和使用所學知識將其實現(xiàn)。我們在制作過程也得到了一些收獲:1.在制作電路前必須把原理搞清楚，確保方案沒有錯誤 ，同時深刻理解，看似簡單的事情，要實際動手做好卻不是很容易。2.實驗也鍛煉了我們分析和解決實際問題的能力，比如從設(shè)計檢測電路的過程中，我們

20、都有步驟并依次一步步進行，確保每一部分正確后在進行下一步。3.我們的基本理論都是采用所學知識，讓我們深刻認識理論與實踐相結(jié)合的重要性以及理論與實踐存在的差異性，同時我們也采用其他途徑查詢所需資料，并認真學習。4. 本次課程設(shè)計過后，我們鞏固了最電器元件的識別和選擇方面的知識，熟悉了各種繪圖仿真軟件及測試儀器的應(yīng)用，編程的經(jīng)驗。5.讓我們最有收獲的是在遇到問題時，能夠有步驟的分析，我們感受解決問題后的樂趣。雖然有少數(shù)理論問題還沒分析清楚，這也跟我們提供了很多繼續(xù)思考學習的空間。參考文獻：【1】智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)/史健芳等編著 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007【2】電路與模擬電子技術(shù)/陳士英，郭炯

21、杰編著 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004 【3】萬文略主編.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用實驗指導書M.重慶：重慶工學院電子信息與自動化學院，2008?！?】放大電路實用設(shè)計手冊/段九州主編 沈陽: 遼寧科學技術(shù)出版社, 2002 【5】液晶顯示器件應(yīng)用技術(shù)/李宏，張家田等編著 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004 【6】張國雄主編. 測控電路M.天津大學：機械工業(yè)出版社，2008。【7】PN結(jié)正向壓降溫度特性的研究和應(yīng)用/陳水橋 物理實驗 第二十卷 第七期附：#include #include LCD1602.hsbit AL=P23;sbit START=P24;sbit EOC=P26;sbit

22、OUTE=P25;sbit AD_CLK=P27;sbit DQ =P30; /定義通信端口unsigned char TempBuffer10; / unsigned char ADBuffer10;/存顯示的字符/*T0中斷服務(wù)程序*/void t0(void) interrupt 1 using 0 AD_CLK=AD_CLK; void IntToT(unsigned int t, unsigned char *str, unsigned char n) unsigned char a5; unsigned char i, j; a0=(t/1000)%10; /取得整數(shù)值到數(shù)組 a1

23、=(t/100)%10; a2=-2;/ a3=(t/10)%10; a4=(t/1)%10; for(i=0; i5; i+) /轉(zhuǎn)成ASCII碼 ai=ai+0; for(i=0; ai=0 & i=3; i+); for(j=5-n; ji; j+) /填充空格 *str= ; str+; for(i=0; i5; i+) *str=ai; str+; /加入有效的數(shù)字 *str=0; void Delay1ms(unsigned int count)unsigned int i,j;for(i=0;icount;i+)for(j=0;j0;i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat

24、=1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; delay(4); return(dat);/寫一個字節(jié)void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay(5); DQ = 1; dat=1; /delay(4);/讀取溫度ReadTemperature(void)unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned int t=0;float tt=0;Init_DS18B20

25、();WriteOneChar(0xCC); / 跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44); / 啟動溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是溫度a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();t=b;t=8;t=t|a;tt=t*0.0625;t=tt*100; /放大10倍輸出并四舍五入-此行沒用return(t);/*/unsigned char ADC(void) /AD采樣函數(shù) unsigned char

26、 temp=0;AL=0;START=0;OUTE=0; AL=1;START=1; AL=0;START=0; while(EOC=0); OUTE=1; temp=P1; OUTE=0; return (temp);unsigned char DATA_GET(void) /AD濾波（均值濾波等） unsigned char AD_DATA12; /存放12次AD采樣值 unsigned char getdata,temp; unsigned int R_DATA=0; unsigned char i,j; for(i=0;i=11;i+) AD_DATAi=ADC(); for(i=0;

27、i=11;i+) for(j=0;jAD_DATAj+1) temp=AD_DATAj; AD_DATAj=AD_DATAj+1; AD_DATAj+1=temp; for(i=1;i=10;i+) R_DATA=AD_DATAi+R_DATA; R_DATA=R_DATA/10; getdata=(unsigned char)R_DATA; return getdata; unsigned int xianxing(unsigned char DATA_IN) /*線性校正函數(shù)*/ float Y16=15.18,20.40,23.12,27.63,33.27,36.23,40.93,44.

28、74,47.24,50.12,52.5,53.18,55.31,57.87,59.61,65.91; unsigned char X16=94,106,112,122,138,146,155,163,173,181,185,189,192,194,203,208; unsigned char m=0; unsigned int R_DATA=0; float temp=0.0; if(DATA_INX15) DATA_IN=X15; for(m=1;m16;m+) if(DATA_IN=Xm) temp=(float)(DATA_IN-Xm-1)/(Xm-Xm-1)*(Ym-Ym-1)+Ym-

29、1; break; temp*=100;R_DATA=(unsigned int)temp;return (R_DATA);main() unsigned char AD_OUT=0; unsigned int T_OUT=0;unsigned int DATA;EA = 1; /開總中斷 TMOD = 0x02; /設(shè)定定時器T0工作方式 TH0=216; /利用T0中斷產(chǎn)生CLK信號 TL0=216; TR0=1; /啟動定時器T0 ET0=1;LCD_Initial();Delay1ms(10);GotoXY(0,0);Print( The temperature );GotoXY(0,

30、1);Print( gather system );while(1)AD_OUT=DATA_GET(); DATA=xianxing(AD_OUT); IntToT(DATA,&ADBuffer0,5);/Delay1ms(1);T_OUT=ReadTemperature(); IntToT(T_OUT,&TempBuffer0,5);GotoXY(0,0); Print( 18b20: C);/Delay1ms(1);GotoXY(8,0);Print(&TempBuffer0);Delay1ms(1);GotoXY(0,1); Print(1N4007: C);Delay1ms(1);Go

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