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文檔簡介
1、<p> 《智能儀器原理與設計》</p><p> 課 程 設 計 報 告</p><p> 論文題目: 基于1N4007的溫度測量電路設計 </p><p> 學院(系): 應用電子技術(shù) </p><p> 班 級: </p>
2、<p> 基于PN結(jié)的溫度測量系統(tǒng)設計</p><p><b> 摘要:</b></p><p> 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。<
3、/p><p> 關鍵字:二極管 溫度 非線性校正 </p><p><b> 正文:</b></p><p><b> 一、原理與總體方案</b></p><p> 1.1、二極管(PN結(jié))特性:</p><p> 晶體二極管為一個由p型半導體和n型半
4、導體形成的p-n結(jié),在其界面處兩側(cè)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(shù)關系。</p><p> 1.1.1電流-電壓特性:</p><p> 理想PN結(jié)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(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.在此基礎
5、上得出PN結(jié)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(jié)在某個溫度范圍內(nèi)是性能優(yōu)良的溫度傳感器。</p><p> 1.1.2溫度特性:</p><p> 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
6、℃,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。</p><p><b> 據(jù)資料介紹:在恒流</b></p><p> 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)
7、,S近似常數(shù)。</p><p> 1.2主要電路方案分析:</p><p><b> 1.2.1恒流源:</b></p><p> 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。</p><p> 1.2.2電橋的
8、設置:</p><p> 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)。</p><p> 1.2.3放大電路的設置:</p><p> 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)
9、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(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)。</p><p> 1.2.4濾波電路:</p><p> 采用一階無源RC低通濾波器,截至頻率為50HZ。</p><p>
10、 1.2.5AD轉(zhuǎn)換:</p><p> 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。</p><p><b> 1.2.6處理器:</b></p><p> 采用單片機STC89C52(32
11、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。</p><p> 1.2.7顯示部分:</p><p> 采用液晶LCD1602,可設置8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣等。</p><p> 1.3 D
12、S18B20介紹:</p><p> 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(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
13、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(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)和命令的傳輸都是低位在先。 </p><p><b> 1.4實驗原理:</b></p><p> 設計整體思路:當通過PN結(jié)(以后用二極管表示
14、)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,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(jié)果和18B20測溫結(jié)果對比顯示在液晶上。</p><
15、p> 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是得到二極管電壓-溫度特性曲線。</p><p> 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)關系?,F(xiàn)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
16、關系,因此,具體某測量點對應的溫度值可用以下方法</p><p> 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 假設方程兩邊的值為α,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α的值。</p>
17、<p><b> 二、硬件設計</b></p><p><b> 2.1電源部分:</b></p><p> 2.2電橋和放大部分</p><p> 2.2.1恒流源分析:</p><p> 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
18、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。</p><p> 2.2.2電橋分析:</p><p> 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
19、有一電壓差。</p><p> 2.2.3放大分析:</p><p> 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系。根據(jù)電路設計方案,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。能夠滿足設計要求。從理論上說,
20、我們將0到100℃對應放大后的值為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。</p><p> 2.3AD采樣、單片機及顯示部分</p><p> 2.3.1AD轉(zhuǎn)換原理:</p><p> 由于采用8位的AD
21、C0809,其參考電壓為3v, 理論上輸入的電壓為0.875v到3v(對應溫度為15°~100°),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。</p><p><b> 三、程序設計:</b></p><p> 3.1溫度傳感器18B20標定溫度:</p><p> 注意:DS18B20在完
22、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</p><p><b> 3.2程序流程圖</b></p><p><b> 程序代碼:&
23、lt;/b></p><p> #include <reg51.H></p><p> #include "LCD1602.h"</p><p> sbit AL=P2^3;</p><p> sbit START=P2^4;</p><p> sbit EOC=P2^6
24、;</p><p> sbit OUTE=P2^5;</p><p> sbit AD_CLK=P2^7;</p><p> sbit DQ =P3^0; //定義通信端口</p><p> unsigned char TempBuffer[10]; // </p><p> unsigned cha
25、r ADBuffer[10];//存顯示的字符</p><p> /***********T0中斷服務程序************/</p><p> void t0(void) interrupt 1 using 0</p><p><b> { </b></p><p> AD_CLK=~AD_CLK;&
26、lt;/p><p> } </p><p> void IntToT(unsigned int t, unsigned char *str, unsigned char n) </p><p><b> {</b></p><p> unsigned char a[5]; </p>
27、<p> unsigned char i, j; </p><p> a[0]=(t/1000)%10; //取得整數(shù)值到數(shù)組 </p><p> a[1]=(t/100)%10; </p>
28、<p> a[2]=-2;// </p><p> a[3]=(t/10)%10; </p><p> a[4]=(t/1)%10; &l
29、t;/p><p> for(i=0; i<5; i++) //轉(zhuǎn)成ASCII碼 </p><p> a[i]=a[i]+'0'; </p><p> for(i=0; a[i]=='0' && i
30、<=3; i++); </p><p> for(j=5-n; j<i; j++) //填充空格 </p><p> { *str=' '; str++; } </p><p> for
31、(i=0; i<5; i++) </p><p> { *str=a[i]; str++; } //加入有效的數(shù)字 </p><p> *str='\0'; </p><p><b> }</b></p>
32、<p> void Delay1ms(unsigned int count)</p><p><b> {</b></p><p> unsigned int i,j;</p><p> for(i=0;i<count;i++)</p><p> for(j=0;j<120;j++);
33、</p><p><b> }</b></p><p> /********************18b20采集溫度程序***********************/</p><p><b> //延時函數(shù)</b></p><p> void delay(unsigned int i)&
34、lt;/p><p><b> {</b></p><p> while(i--);</p><p><b> }</b></p><p><b> //初始化函數(shù)</b></p><p> void Init_DS18B20(void)</p
35、><p><b> {</b></p><p> unsigned char x=0;</p><p> DQ = 1; //DQ復位</p><p> delay(8); //稍做延時</p><p> DQ = 0; //單片機將DQ拉低</p><p&
36、gt; delay(80); //精確延時 大于 480us</p><p> DQ = 1; //拉高總線</p><p> delay(14);</p><p> x=DQ; //稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗</p><p> delay(20);</p><p>
37、;<b> }</b></p><p><b> //讀一個字節(jié)</b></p><p> ReadOneChar(void)</p><p><b> {</b></p><p> unsigned char i=0;</p><p> u
38、nsigned char dat = 0;</p><p> for (i=8;i>0;i--)</p><p><b> {</b></p><p> DQ = 0; // 給脈沖信號</p><p><b> dat>>=1;</b></p><p&
39、gt; DQ = 1; // 給脈沖信號</p><p><b> if(DQ)</b></p><p> dat|=0x80;</p><p><b> delay(4);</b></p><p><b> }</b></p><p> r
40、eturn(dat);</p><p><b> }</b></p><p><b> //寫一個字節(jié)</b></p><p> void WriteOneChar(unsigned char dat)</p><p><b> {</b></p><
41、;p> unsigned char i=0;</p><p> for (i=8; i>0; i--)</p><p><b> {</b></p><p><b> DQ = 0;</b></p><p> DQ = dat&0x01;</p><
42、p><b> delay(5);</b></p><p><b> DQ = 1;</b></p><p><b> dat>>=1;</b></p><p><b> }</b></p><p> //delay(4);<
43、;/p><p><b> }</b></p><p><b> //讀取溫度</b></p><p> ReadTemperature(void)</p><p><b> {</b></p><p> unsigned char a=0;<
44、/p><p> unsigned char b=0;</p><p> unsigned int t=0;</p><p> float tt=0;</p><p> Init_DS18B20();</p><p> WriteOneChar(0xCC); // 跳過讀序號列號的操作</p><
45、;p> WriteOneChar(0x44); // 啟動溫度轉(zhuǎn)換</p><p> Init_DS18B20();</p><p> WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號列號的操作</p><p> 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</p><p&g
46、t; a=ReadOneChar();</p><p> b=ReadOneChar();</p><p><b> t=b;</b></p><p><b> t<<=8;</b></p><p><b> t=t|a;</b></p>&
47、lt;p> tt=t*0.0625;</p><p> t=tt*100; //放大10倍輸出并四舍五入---此行沒用</p><p> return(t);</p><p><b> }</b></p><p> /********************************************
48、****************/</p><p> unsigned char ADC(void) //AD采樣函數(shù)</p><p><b> {</b></p><p> unsigned char temp=0;</p><p> AL=0;START=0;OUTE=0; </p>&l
49、t;p> AL=1;START=1; </p><p> AL=0;START=0; </p><p> while(EOC==0);</p><p><b> OUTE=1;</b></p><p><b> temp=P1;</b></p><p>&l
50、t;b> OUTE=0;</b></p><p> return (temp);</p><p><b> }</b></p><p> unsigned char DATA_GET(void) //AD濾波(均值濾波等)</p><p><b> {</b><
51、;/p><p> unsigned char AD_DATA[12]; //存放12次AD采樣值</p><p> unsigned char getdata,temp;</p><p> unsigned int R_DATA=0;</p><p> unsigned char i,j;</p><p>
52、 for(i=0;i<=11;i++)</p><p><b> {</b></p><p> AD_DATA[i]=ADC();</p><p><b> }</b></p><p> for(i=0;i<=11;i++)</p><p><b&g
53、t; {</b></p><p> for(j=0;j<=10;j++)</p><p> if(AD_DATA[j]>AD_DATA[j+1])</p><p><b> {</b></p><p> temp=AD_DATA[j];</p><p> AD_
54、DATA[j]=AD_DATA[j+1];</p><p> AD_DATA[j+1]=temp;</p><p><b> }</b></p><p><b> }</b></p><p> for(i=1;i<=10;i++)</p><p><b&g
55、t; {</b></p><p> R_DATA=AD_DATA[i]+R_DATA;</p><p><b> }</b></p><p> R_DATA=R_DATA/10;</p><p> getdata=(unsigned char)R_DATA;</p><p>
56、 return getdata;</p><p><b> } </b></p><p> unsigned int xianxing(unsigned char DATA_IN) /*線性校正函數(shù)*/</p><p><b> {</b></p><p> float Y[16]={
57、15.18,20.40,23.12,27.63,33.27,36.23,40.93,44.74,47.24,50.12,52.5,53.18,55.31,57.87,59.61,65.91}; </p><p> unsigned char X[16]={94,106,112,122,138,146,155,163,173,181,185,189,192,194,203,208};</p>&l
58、t;p> unsigned char m=0;</p><p> unsigned int R_DATA=0;</p><p> float temp=0.0;</p><p> if(DATA_IN<X[0])</p><p> DATA_IN=X[0];</p><p> if(DATA_I
59、N>X[15])</p><p> DATA_IN=X[15];</p><p> for(m=1;m<16;m++)</p><p><b> {</b></p><p> if(DATA_IN<=X[m])</p><p> { temp=(float)
60、((DATA_IN-X[m-1])/(X[m]-X[m-1]))*(Y[m]-Y[m-1])+Y[m-1];</p><p><b> break;</b></p><p> } </p><p><b> }</b></p><p> temp*=100;<
61、;/p><p> R_DATA=(unsigned int)temp;</p><p> return (R_DATA);</p><p><b> }</b></p><p><b> main()</b></p><p> {</p>
62、<p> unsigned char AD_OUT=0; </p><p> unsigned int T_OUT=0;</p><p> unsigned int DATA;</p><p> EA = 1; //開總中斷</p><p> TMOD = 0x02;
63、 //設定定時器T0工作方式 </p><p> TH0=216; //利用T0中斷產(chǎn)生CLK信號</p><p><b> TL0=216;</b></p><p> TR0=1; //啟動定時器T0</p><p&
64、gt;<b> ET0=1;</b></p><p> LCD_Initial();</p><p> Delay1ms(10);</p><p> GotoXY(0,0);</p><p> Print(" The temperature ");</p><p>
65、 GotoXY(0,1);</p><p> Print(" gather system ");</p><p><b> while(1)</b></p><p><b> {</b></p><p> AD_OUT=DATA_GET();</p>&l
66、t;p> DATA=xianxing(AD_OUT); </p><p> IntToT(DATA,&ADBuffer[0],5);//Delay1ms(1);</p><p> T_OUT=ReadTemperature();</p><p> IntToT(T_OUT,&TempBuffer[0],5);</p>
67、<p> GotoXY(0,0);</p><p> Print(" 18b20: 'C");//Delay1ms(1);</p><p> GotoXY(8,0);</p><p> Print(&TempBuffer[0]);Delay1ms(1);</p><p>
68、GotoXY(0,1);</p><p> Print("1N4007: 'C");Delay1ms(1);</p><p> GotoXY(8,1);</p><p> Print(&ADBuffer[0]);</p><p> Delay1ms(100);</p>&l
69、t;p><b> }</b></p><p><b> }</b></p><p><b> 四、實驗結(jié)果記錄:</b></p><p> 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)關系:</p><p> 五、電路調(diào)試與問題分析&
70、lt;/p><p> 5.1.電路部分調(diào)試:</p><p> 5.1.1模擬部分硬件調(diào)試及分析:</p><p> 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。通過對關鍵點的測試以及各電路的特點,最終很不容易
71、完成電路板。但是只要細心一點,還是不會出什么錯的。</p><p> 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)滑動變阻器設定AD620的放大倍數(shù)到設定值。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
72、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
73、就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1</p><p> 調(diào)節(jié)數(shù)字部分電路時,剛開始ADC0809一直不正常工作,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
74、表示從程序從內(nèi)部存儲器開始工作,接好后,ADC0809正常工作。</p><p> 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。</p><p> 5.2程序部分調(diào)試:</p>
75、<p> 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,只是在標定溫度列表后,出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲區(qū)溢出情況。</p><p><b> 六、總結(jié)</b></p><p> 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
76、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.</p><p> 通過本次課程設計,我們學習了實際問題的處理方法。本次課程設計過后,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用,編程的經(jīng)驗。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。</p>&
77、lt;p><b> 參考文獻:</b></p><p> 【1】史健芳 智能儀器設計基礎 北京: 電子工業(yè)出版社、 2007</p><p> 【2】童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎 高等教育出版社、2005</p><p> 【3】李宏 張家田 液晶顯示器件應用技術(shù)/等編著 北京: 機械工業(yè)出版社、2004 </p>
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