PN结温度传感器实验系统的研制Word文件下载.docx
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TP212・11 文献标识码:
B 文章编号:
1672-4550（200602-0105-04
DevelopmentofthePNental
SystemGAOJie
College Kunming 650031
Abstract:
paperintroducesthePNjunctionsensorexperimentalsystemoftemperaturedevel2opedbytheauthoraccordingtotheneedsofteaching1Studentscanusethesystemtomeasurethetem2perature-voltagecharacteristicofdifferentPNjunctionsandcarryonlinearregressionanalysisoftheda2tameasured1Accordingtothelinearregressionanalysisresult,temperaturesurveycanbetakenwiththesystem1
Keywords:
PNjunction;
sensor;
amplifier;
A/Dconverter;
single-chipcomputer;
display
PN结两端的结电压的变化量与温度之间有很好的线性关系,因此,PN结可作为温度传感器,用来测量温度。
1 系统硬件电路的设计
系统由PN结温度传感器、测量电桥电路、微信号放大电路、A/D转换电路、单片计算机接口电路、结果显示电路等部分组成。
由于温度的变化,导致PN结结电压发生变化,该电压变化量被测量电桥提取出来,经信号放大电路放大后,送入A/D转换器。
A/D转换器将输入的电压信号转换
成数字信号,然后将数字信号送入单片计算机进行处理,并输出结果。
系统电路原理如图1所示。
111 测量电桥
测量电桥由R1、R2、R3、C1、W1、T1、T2和二极管D（PN结组成。
T1、T2、R3、D组成一个恒流源电路[1]
其作用是使流过PN结的电流为
一恒定值:
ID=IR301047
A=91μAC1是0133
μF的钽电容,其作用是滤去来自W1滑动端的噪声信号,提高测量的精度。
当温度变化时,D两端的结电压就会发生相应的变化,此电压变化量经W1的滑动端和D的负端输出到微信号放大电路进行放大。
—
501—
2006年4月
第2期
实 验 科 学 与 技 术
33
3[收稿日期]2005-11-17
[作者简介]高泽利（1967—,男,工学学士,高级实验师,主要从事实验教学工作。
图1 系统电路原理图
112 微信号放大电路
微信号放大电路由INA118P和W1
组成。
INA118P是美国Burr-Brown放大器,具有精度高
Δ（1010ΩμV/的特点[2],其内
部结构如图2所示图2 INA118P内部结构图
INA118P的第1脚、第8脚间外接一放大倍数
控制电阻Rg,放大器的电压放大倍数为
G=1Rg
在实际电路中,W1（即Rg采用一只10kΩ的精密电位器构成放大倍数可调的放大电路（放大器的放大倍数预设为10倍。
放大器的输出端
V
o接到A/D转换器的AIN0端,以便把放大后的电
压信号转换成数字信号。
113 A/D转换电路
模数转换电路由TLC2543、R4、R5、R6、TL431组成。
TLC2543是德州仪器公司开发的串行A/D转
换器,它是一种11通道、12位、高精度（最大线性误差±
1/4096、快速（在工作温度范围内转换时间为10μs的模数转换器。
如图3所示,TLC2543内部由通道选择器、输入地址寄存器、采
样保持电路、12位的模数转换器、输出寄存器、并→串转换器以及控制逻辑电路等7个部分组成
[3]
。
TLC2543的模拟信号输入端AIN0接收来自
INA118P的电压信号Vo,AIN1～AIN10以及负参
考电压端REF-都接地。
的P117脚,当,T输入输出数据,;
DOUT为转据输出端,转换结果输出到单片计算机AT89C2051的P116端,输出方式可由高位到低位
逐位输出,也可由低位到高位逐位输出,具体方式由编程确定;
DIN为串行数据输入端,来自单片机P115脚的命令字（含通道选择、输出数据长度、
输出顺序、极性选择等信息由此端输入,输入方式为先高位后低位。
SCLK为输入输出同步时钟端,该时钟信号来自AT89C2051的P114脚（信号通过软件编程产生;
当数据传送开始后,每个SCLK信号的上升沿,由单片机向TLC2543输入一
位命令字（前8个上升沿,同时由TLC2543向单片机输出一位转换结果（前8、12或16个上升沿。
图3 TLC2543内部结构方框图
TLC2543的正参考电压端REF+接+3103V标
601—ExperimentScience&
Technology 2006年4月
准电压,该电压由R4、R5、R6、TL431组成的电路产生。
由于TL431的第1、2脚间的电压差为215V,而第1脚的工作电流可以忽略,所以TL431的第3脚输出的标准电压为:
U3=
R+RR2×
215V=417
×
215V=3103V本系统中,转换结果采用12位输出的方式:
当TLC2543输入端的模拟电压（对地电压等于（或略低于0V时,TLC2543输出结果为000H,
当模拟电压等于（或略大于3103V时,输出结果为FFFH（为了不损坏TLC2543,应使TLC2543的输入电压在-013～+313V的范围内。
114 单片计算机接口电路
单片计算机选用ATMEL公司生产的AT89C2051。
它是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制芯片,与MCS-51且片内自带的2KB足本系统的需要,器。
如图1所示,2R8构成上电自动复位电路;
K1、R7和R8构成手动复位电路;
X、C3、C4构成单片机的振荡电路,晶振X的振荡频率为1110592MHz;
AT89C2051的P317端用作输入端,
分别处于接地或悬空两种状态,以控制输出结果为被测温度值或电桥电压值。
AT89C2051的串行口工作于0模式,P310脚
为测量结果输出端,P311脚输出同步脉冲到显示电路;
P114脚输出同步时钟信号到TLC2543的SCLK端;
P115脚与TLC2543的DIN端相连,单
片机由此端向TLC2543输入命令字;
P116脚是A/D转换结果输入端,接收来自TLC2543的DOUT
端的转换结果;
P117脚输出TLC2543的片选信号,与TLC2543的CS端相接。
115 结果输出电路
输出电路由四只8段共阳极LED显示器、四片串入并出移位寄存器74LS164和8×
4只1kΩ限流电阻组成。
经AT89C2051处理的测量结果在P311端发出的同步时钟的控制下,通过P310端按
低位在前的顺序依次移位到U5、U6、U7、U8,并在四只LED显示器上显示出来。
LED显示器的结构和74LS164的管脚图如图
4、图5所示。
显示器的a、b、c、d、e、f、g、dp
各端分别与74LS164的Q7～Q0端相接,显示器的各段在低电平时点亮,高电平时熄灭;
小数点dp的位置由编程确定
（也可通过硬件设定;
74LS164的A、B相连,作为显示内容的输入端,CP为同步时钟输入端,MR是清零端,接高电平（+5V;
数字0～9的字形码为C0H,F9H,A4H,B0H,99H,92H,82H,F8H,80H,90H;
带小数点的数字01～91的字形码为40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H,00H,10H
图4
共阳极数码管的结构
图5 74LS164的管脚图
2 系统软件设计
系统主程序框图如图6所示。
TLC2543输出结果设置成12位无符号整型数,
输出顺序为高位在前。
系统主程序设计为一个循环程序,在一个循环中完成以下工作:
（1向A/D转换器发送命令字,同时读取
701—
A/D转换器的转换结果:
单片计算机连续8次读
取TLC2543AIN0端的采样数据并求出8次采样数据的平均值,把它作为一次采样结果存于RAM中。
（2根据P317的状态,对采样结果进行处
理:
当P317悬空（P317=1时,将采样结果转换成十进制的电桥电压值;
当P317接地（P317=0时,将采样结果转换成十进制的被测温度值（对给定的已经校准的PN结。
（3将处理结果送LED显示器,延时015s
图6 系统主程序框图
3 应用
选取二极管1N4007作为PN结温度传感器,将PN结置于逐渐冷却的沸水中,用0～100℃的酒精温度计测水的温度,从实验系统的显示器上读出PN结电压变化量Δu,记录不同温度下的Δu值,
得到如表1所示的测量数据。
表1 不同温度下PN结结电压的变化量
t/℃
8010751070106510601055105010451
0Δu/mV
179111111113
以t为横坐标,Δu为枞坐标,对表1数据进行一元线性回归分析
[4]
得到:
b=2125mV/℃r=019998
其中,b=2125mV/℃表示（当ID=91μA时温度每增加1℃,PN结电压就变化（减少2125mV;
r=019998,非常接近于1,表示t与
Δu的线性相关性非常好。
如果在实验前,,把PN结放入℃,W1（Rg,使
0,（0℃以
:
将温度传感器（1N4007放入待测物体中,读出显示的Δu值,于是通过下式计算出温度值:
tΔu
b
在本系统中,当选择开关K2接地时,由实验系统根据上式计算出t值,并将其转换成十进制后送显示器。
对于未经校准的PN结,实验系统显示出正确的电桥电压Δu（K2悬空,但显示的温度值（K2接地不一定正确。
参考文献
[1] 王成华,王友仁,胡志忠1电子线路基础教程[M]1
北京:
科学出版社,20001
[2] 李群芳,黄建1单片微型计算机与接口技术[M]1
电子工业出版社,20011
[3] 赵静,但琦1数学建模与数学实验[M]12版1北
京:
高等教育出版社,20041
时间最不偏私,给任何人都是二十四小时;
时间
也最偏私,给任何人都不是二十四小时。
———赫胥黎
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