【正文】 采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路 ， 放大 電橋兩端的差模信號(hào)。 通過(guò)理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)研究選擇合適的電橋電路參數(shù)。 ： 采用電橋連接方式使放大器放大傳感器變化電壓的差值。 主要 電路 方案分析 ： ： 為保證整個(gè)溫度測(cè)量范圍內(nèi) PN結(jié)的正向電流恒定， PN結(jié)的正向偏置采半導(dǎo)體二極管的溫度特 性曲線(xiàn) 2 用恒流源驅(qū)動(dòng)。這些可以從 下 圖所示二極管的伏安特性曲線(xiàn)上看出。 溫度 特性： 溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，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。T 為絕對(duì)溫度 。 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 。文章詳細(xì)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(jì)方法、硬件連接電路以及軟件的編寫(xiě)思路，其中，數(shù)據(jù)處理部分詳細(xì)介紹了線(xiàn)性插值的數(shù)據(jù)處理方法。 《 智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 論文題目： 基于 1N4007 的溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 基于 PN 結(jié)的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 摘要 ： 本文給出了一種基于 PN 結(jié)的溫度測(cè)量系統(tǒng)方案。利用 PN 結(jié)正向壓降的溫度特性 測(cè)量環(huán)境溫 度。 關(guān)鍵字 ： 二極管 溫度 非線(xiàn)性校正 正文 ： 一、 原理與總體方案 、 二極管（ PN 結(jié)） 特性 ： 晶體二極管為一個(gè)由 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體形成的 pn 結(jié)，在其界面處兩側(cè)形互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流 ，并且和電壓成指數(shù)關(guān)系。k 為玻耳茲曼常數(shù) 。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(xué)溫度 T之間的關(guān)系 ,從而證明半導(dǎo)體 PN結(jié)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)是性能優(yōu)良的溫度傳感器 。另外，溫度升高時(shí)，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(fù)的溫度系數(shù)。 據(jù)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(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)。 采用三極管的特性和特殊電路，讓通過(guò)二極管的電流始終在100uA 左右。 電橋通過(guò)兩個(gè)電阻和二極管并聯(lián)構(gòu)成，從而向放大器正負(fù)兩端輸入電壓。 ： PN結(jié)的結(jié)電壓變化是一個(gè)微弱信號(hào)，結(jié)電壓在溫度每變化 1度時(shí)大約變化 2mv 左右，所以需要進(jìn)行放大后才能被后續(xù)電路處理。設(shè)計(jì)中 可 采用三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放來(lái)構(gòu)成放大電路， 也可 采用儀用放大器 AD620， 根據(jù)電路實(shí)際情況來(lái)設(shè)置。 ： 采用一階無(wú)源 RC低通濾 波器 ,截至頻率為 50HZ。因?yàn)?AD0809 對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，精度已經(jīng)達(dá)到，所以未用采用 SPI通信的 12 位 AD7841 等 多位的 AD 轉(zhuǎn)換器件 。而未用本身帶有10 位 AD的 ARM 處理器 ，因?yàn)槠鋵?duì)本設(shè)計(jì)而言會(huì)有很多硬件資源剩 余， 而且 不熟悉其操作更 會(huì)增加 程序設(shè)計(jì)難度 。 ： 采用液晶 LCD1602， 可設(shè)置 8 位數(shù)據(jù)端口 ,2 行顯示 ,5*7 點(diǎn)陣 等。由于DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線(xiàn)協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì) STC89C51 單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線(xiàn)協(xié)議，因此，必須采用軟件的方法來(lái)模擬單總線(xiàn)的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì) DS18B20 芯片的訪(fǎng)問(wèn)。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線(xiàn)器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。 實(shí)驗(yàn)原理： 設(shè)計(jì) 整體思路：當(dāng) 通過(guò) 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(lái)研究 二極管 的電壓和溫度特性。將差值信號(hào)放大，濾波，輸入單片機(jī) 處理和采用溫度傳感器 18B20 標(biāo)定溫度值， 得到一個(gè) AD 值和溫度對(duì)應(yīng)的表， 然后 用二極管測(cè)溫度，得到 AD值 采用 查表 非線(xiàn)性處理 得到溫度值 ，結(jié)果和 18B20 測(cè)溫結(jié)果對(duì)比 顯示在液晶上。我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹痪褪堑玫蕉O管電壓溫度特性曲線(xiàn)。現(xiàn)假設(shè)我們測(cè)得 N 個(gè)溫度值（可用 18b20 測(cè)得） y1， y2， ?? ， yn以及的對(duì)應(yīng)的 AD 采樣值 x1， x2， ?? ， xn。根據(jù)圖中所示，我們得到 假設(shè)方程兩邊的值為α ， 那么這個(gè)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。 二、硬件設(shè)計(jì) 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(gè)溫度測(cè)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(dòng)。那么由 Q1 和 Q2 兩個(gè)三極管參數(shù)幾乎一樣，鏡像得到通過(guò)二極管 D1的電流值就為 I，那么就一定了。 ： 采用 LM324 自己搭建三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。根據(jù)電路設(shè)計(jì)方案，當(dāng)差值大于 以上時(shí) U 值不隨 U0U1 變化而變化， U最大值為 。從理論上說(shuō)，我們將 0到 100℃對(duì) 應(yīng)放大后的值為 3V，那么所有值都在其線(xiàn)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(huì)使差值增加 1mv,那么最多變化 200mv，這樣三運(yùn)放放大倍數(shù)為 倍。 、單片機(jī)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(duì)應(yīng)溫度為 15176。） ,根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可得到 AD轉(zhuǎn)換值 x=(255*Vin)/3,通過(guò)比較 取整。寫(xiě) 0 時(shí)序和寫(xiě) 1 時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫(xiě) 0 時(shí)序時(shí)，單總線(xiàn)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(xiàn)上的“ 0”電平，當(dāng)要寫(xiě) 1 時(shí)序時(shí)，單總線(xiàn)被拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線(xiàn) 程序流程圖 開(kāi) 始 初始化液晶 顯示歡迎畫(huà)面 取 12 次 AD 采樣值 進(jìn)行軟件濾波處理 顯示 1N4007 測(cè)出的溫度值 初始化 18b20 讀取 18b20 測(cè)出的溫度值 顯示 18b20 測(cè)出的溫度 結(jié) 束 溫度程序流程圖 進(jìn)行線(xiàn)性插值處理 7 四、 實(shí)驗(yàn)結(jié) 果 記錄 ： 開(kāi) 始 初始化液晶 顯示歡迎畫(huà)面 啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換 讀取 AD 的值 是否已進(jìn)行 12 次AD 轉(zhuǎn)換 對(duì) 12 次 AD 采樣值進(jìn)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(cè)出的溫度值 顯示 18b20 測(cè)出的溫度 結(jié) 束 否 是 標(biāo)定溫度程序流程圖 8 所測(cè)二極管 1N4007 電壓 溫度特性曲線(xiàn)： 二極管兩端電壓 — 溫度基本成指數(shù)關(guān)系 ： 五 、 電路 調(diào)試 與問(wèn)題分析 部分 調(diào)試 ： ： 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(xiàn)是否正確，有無(wú)虛焊、錯(cuò)焊以及漏焊，各電路是否連接正確。通過(guò)對(duì)關(guān)AD 值 18b20 所測(cè)溫度 94 96 16 100 106 112 116 122 129 138 146 155 159 163 168 173 177 181 185 18b20 溫度（ ℃ ） 1N4007 溫度（ ℃ ） 189 192 194 198 200 203 204 205 207 208 208 208 209 同環(huán)境下 1N4007 和 18b20 所測(cè)溫度比較： 在所有電路做好后，我們用 1N4007 測(cè)了一組溫度數(shù)據(jù)，其與溫度傳感器測(cè)溫相比較如上表所示。 9 鍵點(diǎn)的測(cè)試以及各電路的特點(diǎn)，最終很不容易完成電路板。 在確保電路連接無(wú)誤后， 我們開(kāi)始模擬部分調(diào)試。然后輸入一較小電壓差，但是輸出值確是 4V 以上，