基于pn結的溫度測量系統設計論文c語言(已修改)

　

【正文】 《 智能儀器設計基礎 》 課 程 設 計 報 告 論文題目： 基于 1N4007 的溫度測量電路設計 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 結的溫度測量系統設計 1 摘要 ： 本文給出了一種基于 PN 結的溫度測量系統方案。利用 PN 結正向壓降的溫度特性 測量環境溫 度。文章詳細介紹了電路中恒流源、放大電路、 AD 采樣電路、LCD 液晶的設計方法、硬件連接電路以及軟件的編寫思路，其中，數據處理部分詳細介紹了線性插值的數據處理方法。 關鍵字 ： 二極管 溫度 非線性校正 正文 ： 一、 原理與總體方案 、 二極管（ PN 結） 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 pn 結，在其界面處兩側形互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流 ，并且和電壓成指數關系。 電流 電壓特性 ： 理想 PN 結的正向電流 IF 和正向壓降 VF 存在如下關系 :IF= Is*exp【 e*Vf/(k*T)】 式中 ,e 為電子電量 。k 為玻耳茲曼常數 。T 為絕對溫度 。Is 為反向飽和電流 ,與 PN結材料的禁帶寬度及溫度有關 .在此基礎上得出 PN結的正向電壓 Vf 與熱力學溫度 T之間的關系 ,從而證明半導體 PN結在某個溫度范圍內是性能優良的溫度傳感器 。 溫度 特性： 溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數規律增加，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 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。這些可以從 下 圖所示二極管的伏安特性曲線上看出。 據資料介紹 :在恒流 模式下 ， If=If0,1n=If/If0=0,有 :S=(Vg0Vf0)/T0(kB/q)*(1+1nT/T0).因 1nT/T0 是 T 的緩變函數 , S 的模隨著 T 增加而上升 ,但在不寬的溫度范圍內 ,S 近似常數。 主要 電路 方案分析 ： ： 為保證整個溫度測量范圍內 PN結的正向電流恒定， PN結的正向偏置采半導體二極管的溫度特 性曲線 2 用恒流源驅動。 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。 ： 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構成，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。 ： PN結的結電壓變化是一個微弱信號，結電壓在溫度每變化 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。設計中 可 采用三個獨立的運放來構成放大電路， 也可 采用儀用放大器 AD620， 根據電路實際情況來設置。（ AD620 的 電源提供范圍為正負 到正負 18V，低功耗，精確度高 ） 。 ： 采用一階無源 RC低通濾 波器 ,截至頻率為 50HZ。 ： 采用 8 位的 AD 轉換元件 AD0809，這樣可以使用其 8位數據線與 CPU 進行并口通信。因為 AD0809 對于本設計來說，精度已經達到，所以未用采用 SPI通信的 12 位 AD7841 等 多位的 AD 轉換器件 。 ： 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 程序設計難度 。所以綜合考慮，對本設計而言，一般單片機的性價比更高 。 ： 采用液晶 LCD1602， 可設置 8 位數據端口 ,2 行顯示 ,5*7 點陣 等。 DS18B20 介紹： DS18B20 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 1－ Wire 總線協議方式，即在一根數據線實現數據的雙向傳輸，而對 STC89C51 單片機來說，硬件上并不支持單總線協議，因此，必須采用軟件的方法來模擬單總線的協議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。 DS18B20 有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。該協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備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數據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據，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。 實驗原理： 設計 整體思路：當 通過 PN 結（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境溫度有關，所以以此來研究 二極管 的電壓和溫度特性。 通過電橋設置 ， 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 ，結果和 18B20 測溫結果對比 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 3 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 結的溫度電壓變化特性是指數關 系?，F假設我們測得 N 個溫度值（可用 18b20 測得） y1， y2， ?? ， yn以及的對應的 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系，因此，具體某測量點對應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，然后根據我們已知坐標 (x0,y0)與 (x1,y1)，要得到 [x0,x1]區間內某一位置 x在直線上的值。根據圖中所示，我們得到 假設方程兩邊的值為α ， 那么這個值就是插值系數 — 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 α 的值 。 二、硬件設計 電源部分： 4 電橋和放大部分 567411U 1 : BL M 3 2 4R11 0 kR21 0 kR31 0 kR41 0 kR51 0 kR61 0 k+ 5 v+ 5 V+ 5 VI N T 050%R V 51 0 k121314411U 1 : DL M 3 2 4321411U 1 : AL M 3 2 4C10 .1 u fR73 0 k24%R V 41 0 k+ 5 vQ3N P NQ4N P NR83kD2D I O D ER94 0 kR 1 02 0 kC20 .1 u FC34 7 0 u 恒流源 分析 ： 為 保證整個溫度測量范圍內二極管的正向電流恒定，其正向偏置采用恒流源驅動。當三極管 Q1正常工作時，其 Ube=，通過三極管集電極端的電流 I=（ ） /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。 分析 ： 通過 R3 和 R4 在 R4兩端產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。 ： 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 所測 電路 輸出值與輸入值的關系，在差值為 到 范圍內，輸出放大 5倍，在差值為 以上就有一些非線性關系。根據電路設計方案，當差值大于 以上時 U 值不隨 U0U1 變化而變化， U最大值為 。 能夠滿足設計要求。從理論上說，我們將 0到 100℃對 應放大后的值為 3V，那么所有值都在其線性區域內， 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為 倍。 由差模增益： 5 3 211U1U0d RV RRUK ????調節硬件電路得到。 、單片機及顯示部分 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1AT89C52X11 2 M H zC12 2 p FC22 2 p FC32 0 u FR11k+ 5 V+ 5 V+ 5 V234567891R P 11 0 K+5VD714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCDL M 0 1 6 LA D 0A D 1A D 2A D 3A D 4A D 5A D 6A D 7A D 7A D 6A D 5A D 4A D 3A D 2A D 1A D 0+ 5 VA L ES T A RTOEA L ES T A RTOEE O CE O CO UT 121A DD B24A DD A25A DD C23V RE F ( + )12V RE F ( )16I N31I N42I N53I N64I N75S T A RT6O UT 58E O C7OE9CLO C K10O UT 220O UT 714O UT 615O UT 817O UT 418O UT 319I N228I N127I N026A L E22U2A DC 0 8 0 8A D_C L K1 6 . 0DQ2V C C3G ND1U3DS 1 8 B 2 01 8 B 2 01 8 b 2 0A D_C L KA D_I NR V 11k ： 由于采用 8位的 ADC0809，其參考電壓為 3v, 理論上 輸入的電壓為 到 3v（對應溫度為 15176。 ~100176。） ,根據轉換原理可得到 AD轉換值 x=(255*Vin)/3,通過比較 取整。 三、 程序 設計： 6 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 之內就得釋放單總線 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