PN结温度传感器原理及应用图文.docx

PN结温度传感器原理及应用图文.docx

《PN结温度传感器原理及应用图文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PN结温度传感器原理及应用图文.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

PN结温度传感器原理及应用图文

第３２卷第７期２００６年７月

电子工囊师

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＥＮＧＩＮＥＥＲ

Ｖ０１．３２Ｎｏ．７

Ｊｕｌ．２００６

ＰＮ结温度传感器原理及应用

赵洪涛

（淮安信息职业技术学院，江苏省淮安市２２３００１）

摘要：

介绍了采用ＰＮ结温度传感器进行温度测量的原理，在此基础上给出了ＰＮ结的信号调理电路，分析了各部分电路的特性，给出了由ＳＴＣ８９系列单片机组成的测温电路系统及其程序流程，

并指出了减小测量误差的方法。

关键词：

温度传感器；ＰＮ结；信号调理电路；单片机

中图分类号：

ＴＰ２１２．１１

０

引言

随着测温技术的迅速发展，新的测温传感器不断

出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器、核磁共振温度传感器、ＰＮ结温度传感器等在一些领域获得了广泛的应用。

本系统充分利用温度传感器测量温度快速、使用简便的特点，同时结合单片机的使用对数据进行实时处理，从而做到了对温度的

实时控制。

１

ＰＮ结温度传感器工作原理

二极管、三极管的特性与温度有很大关系，因此，

利用电压对温度的依赖关系制成ＰＮ结温度传感器。

已知ＰＮ结的电流．电压方程为：

．，＝（警＋警）Ｈ券）一・］（１）

设

卜警＋警

则

．，＝Ｊｓ（ｅｘｐ（券）一・）

（２）

（３）

式中：

．，。

为反向饱和电流密度；Ｄ。

为电子扩散系数；Ｄ。

为空穴扩散系数；￡。

为电子扩散长度；￡。

为空穴扩散

系数。

当ＰＮ结处于正向偏压下，设正向偏压为Ｋ，一般

情况下，Ｋ＝露聊，则

．，钆ｅｘｐ（喾）

（４）睢＝筝ｎ（丢）

（５）

‘

ｑ、．，ｓ，

收稿日期：

２００５—１０一１９；修回日期：

２００６ＪＤ２＿２０。

・６６・

式（５）表明，当电流密度．，保持不变时，ＰＮ结的

正向电压Ｋ与温度ｒ成正比。

对于ＰＮ＋结，ｎ》ｐ，只须考虑式（２）中第１项即可，因Ｄ。

、￡。

、ｎ砷与温度有关（Ｄ。

、己。

均与肛。

及，有关）。

设口。

／丁。

与矿成正比，ｙ

为常数，则有：

厶一警＝ｑ（∥番＝

Ｂｒ以［‰ｐ（＿嘉）】＿

胛。

峙）ｅｘｐ（一备）

（６）

式中：

Ｂ为常数；Ｅ。

为禁带宽度；ＥｑＤ为绝对零度时的禁

带宽度，Ｅｑ０＝ｇ‰；‰为绝对零度时导带底和价顶的

电位差。

将式（６）代人式（４），可得：

．，＝叫３峙）ｅｘｐ（掣）

（７）

两边取对数，整理后得：

Ｋ＝‰一等【ｌｎＢ＋（３＋手）１ｎｒ一１ｎ，】（８）

式中，扎Ｋ、ｇ、‰均为与温度无关的常数。

式（８）表明，当电流密度ｔ，保持不变时，ＰＮ结正向压降Ｋ随着温度丁的上升而下降，近似线性关系。

图１湿示出硅和锗ＰＮ结正向电．压与温度的关系。

图１硅和锗ＰＮ结正向电压与温度的关系

万方数据

第３２卷第７期赵洪涛：

ＰＮ结温度传感器原理及应用・计算机与自动化技术・

对于硅二极管，温度每升高１ｃＣ，正向电压下降约

２

ｍＶ。

二极管温度传感器正是利用ＰＮ结正向电压与

温度关系的特性而制作的。

２整体电路设计

２．１

ＰＮ结的信号调理电路

ＰＮ结的信号调理电路由放大器Ａ１组成恒流源

电路和放大器Ａ２等电路组成。

由前面的分析可知，当流过ＰＮ结的电流密度，

保持不变时，ＰＮ结正向压降Ｋ随温度ｒ的上升而下降，近似为线性关系。

如果ＰＮ结不是工作在恒流状态下，其测量精度会大大下降。

为此采用图２所示电

路。

兰秽糕陛怍

卜————］—。

ｏ

Ｊ一

白；；ｍｃ。

Ｕ

７４１Ｂ莎—早

Ｒ５

ＲＷ３１二）——引

１８０ｋｎ

÷

５０ｋＱ

图２

ＰＮ结的信号调理电路

放大器Ａ１组成恒流源电路，电阻器Ｒ２和可变电阻器ＲＷｌ组成串联分压电路，调整可变电阻器Ｒｗｌ，

使Ａ１的同相端电位为０．７Ｖ。

当二极管的温度发生

变化时，其两端的电压也发生变化，但流过二极管的电

流始终不变。

根据运放虚短和虚断的特性，电流为：

半＝等．１（ｍＡ）

Ｒ，

４．３

～…一７

放大器Ａ２将二极管（ＰＮ结）两端微小变化的电压进行放大，调整可变电阻器Ｒｗ３，使Ａ２的放大倍数

为：

Ａｕ：

一鼍粤：

－４０

』Ｌｄ

设置可变电阻器ＲＷ２，使Ａ２可以调零。

例如在

某一温度下，Ａ１输出为定值。

通过调整ＲＷ２，使Ａ２

两输入端电压相等，则输出电压为０。

另外，选取Ｒ３、

Ｒ４为５ｋＱ是考虑到Ａ１的输出电阻影响，Ｒ３、Ｒ４取

值不能太小。

信号调理后，送单片机带有Ａ／Ｄ转换的

口ＰＯ．７。

２．２控制执行电路

控制执行电路由加温电热丝、双向可控硅、光电耦合器等电路组成见图３。

图３控制执行电路

当Ｐ０．１为低电平时，ＭＯｃ３０４１光耦工作，可控硅自动过零触发导通，电热丝加温工作；当Ｐｏ．１为高电平时，Ｍ０ｃ３０４１光耦不工作，可控硅不导通，电热丝停止加温。

根据需要可以适当选择不同加热功率的电

热丝。

’

２．３共阳型４位动态显示电路和键盘电路

图４为由ＰＮＰ型三极管与７４３７７组成的共阳型４

位ＬＥＤ（发光二极管）动态扫描显示电路。

＋５Ｖ

Ｐｌ０删Ｔｏ

Ｐｌ

ｌ

岛Ｐ１２

拖＋５Ｖ

］

唧ｏ

Ｐ１．３粕

Ｐｌ５ｌ

ｌＩ－Ｉ

Ｉ—Ｊ

Ｉ

Ｉ

Ｐ１６广ｌ・Ｉ’１・Ｉ。

－Ｉ・Ｉ—Ｉ－

Ｐ１７Ｐｌ４

手嚆≥Ｈ

ＷＲ

Ｐ２

Ｄ０．Ｄ７

图４动态显示电路和键盘电路

当Ｐ１．０一Ｐ１．３为低电平时，Ｖ哟一ＶＴ３导通，选通相应显示位。

Ｐ２口输出的字段码是低电平有效。

当输出字段码时，每一位将显示相同的内容。

要显示

不同的内容，必须采取轮流的显示方式，即在某一瞬

间，只选通某一位的字位线，显示某一位数字，其他各位的字位线处于断开状态。

同样，可以显示下一位，这样依次循环扫描，轮流显示，由于人眼的视觉效应，可

以看到多位同时稳定显示。

键盘电路采用独立按键接口电路，用来设定参数。

２．４电路框图

电路框图见图５。

譬—Ｊ信号调理电路卜∞型．

ＳＴＣ８９Ｃ５２

最小系统

魉

控制执行电路卜

图５电路框图

３软件设计

单片机软件设计流程如图６所示。

・６７・

万方数据

・计算机与自动化技术・

电子工蠢师２００６年７月

图６单片机软件流程

温度的设定值以及对温度进行监控都是用户通过单片机键盘进行设置的。

需要说明的是，在计算温度测量值中采用了将连续１０次采样值去掉最大值和最小值后求平均作为最终测量值的方法，可以有效地减小Ａ／Ｄ采样过程中随机误差对测量精度造成的影

响，并消除脉冲干扰信号对测量结果造成的影响。

同时，以此平均值与用户设定的温度值进行比较来判断温度是否超标，可以避免单次测量的误差引起的“干

扰虚假信号”。

４结束语

该系统硬件简单，容易实现，测量范围一般为

一５０℃一１５０

ｃ｜Ｃ，测量精度高且电路材料成本低廉，

因此具有一定的应用价值。

参考文献

［１］张志良单片机原理及应用［Ｍ］．北京：

机械工业出版社，

２００５．

［２］李现勇．Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋串口通信技术与工程实践［Ｍ］．北

京：

人民邮电出版社，２００２．

［３］张维新．半导体传感器［Ｍ］．天津：

天津大学出版社，

１９９９．

ＴｈｅＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＡｐｐＨｃａｔｉｏｎｏｆＰＮＪｕｎｃｔｉｏｎ

ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｅｎｓｏｒ

ＺＨＡｏＨｏｎｇｔａｏ

（Ｈｕａｉ７ａｎ

Ｃｏｌｌｅｇｅｏｆ

Ｉ怕ＨＩｌａｔｉｏｎ

ＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇ）ｒ，Ｈｕａｉ’ａｎ

２２３００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

ＰＮ

ｊｕｎｃｔｉｏｎ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ

ｉｓｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｍａｎｙ６ｅｌｄｓ．７ｒｈｉｓａｎｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｈｅｏｒｙ

ｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｙＰＮｊｕｎｃｔｉｏｎ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ，ｏｎ

ｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｉｓ，ｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｍｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ

ｆｏｒＰＮ

ｊｕｎｃｔｉｏｎｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｉｓｃｉｒｃｕｉｔｉｓａｎａｌｙｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．

Ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｉｓａｒｔｉ—

ｃｌｅ，ａｓｙｓｔｅｍｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｐｍｃｅｓｓｏｒｏｆＳＴＣ８９ｉｓｇｉｖｅｎ

ａｓ

ｗｅＵ

ａｓ

ｔｈｅ

ｐｍｇｒａｍｎｏｗｃｈａｒｔ，ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｈｏｗ

ｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅ

ｅｒｒｏｒ

ｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｔｅｍｐｅｒａ士ｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ＰＮ

ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ｓｉｇｎａｌ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｉｎ斟ｅｅｈｉｐ

ｐｍｃｅｓｓｏｒ

垃ｇ遵；噬ｉ遵ｉ显ｉ蛙§蛙§显§噬§监；蝗ｉ遵ｉ蛙§蛙鏊鼗譬噬ｇ遵ｉ遵鏊遵§蛙；蛙墅整§鳖起譬ｉ监蛰啦蕊；滥§篷ｉ遵ｉ盥ｉ滥；啦§鼗交噬ｉ噬§鳖ｉ监ｉ监；监ｌ蛙ｉ蝗ｉ篷ｉ遵§监§磐：

；蛙ｉ遵装

（上接第５６页）

ｌ设置ＴＭＰ的Ｒｏ、Ｒｌ位ｌ

’｝

读取Ｔｈ但温度寄存器的Ｔ１１～Ｔ４（高８位）

＋

Ｉ根据Ｔ１１～Ｔ４的值，读取ＥＥＰＲｏＭ相应地址的温度补偿值

＋

将温度补偿值写入时钟调整寄存器

＋

Ｉ等待４０ｍｓ以ｒ

５结束语

图６

Ｓ－３５１舳Ａ的温度补偿流程

实时钟芯片Ｓ一３５１８０Ａ是一种具有３线串行接口

的芯片，与１２Ｃ接口兼容，同时也是一种低功耗、多功

・６８・

能、高精度的时钟／日历芯片，具有对年、月、日、星期、

时、分、秒的计时以及可编程闹钟、定时、中断功能，有闰年补偿及宽工作电压（２．５

Ｖ～６

Ｖ）、１２ｈ和２４ｈ制

式以及上电复位功能，特别是具备温度补偿功能，可实现高精度计时。

Ｓ一３５１８０Ａ是选用宽温度范围的高精度实时时钟芯片的理想选择，可用于数码产品例如数码相机、数码摄像机、ＤＶＤ录像机、移动电话等方面。

参考文献

［１］高登芳，潘承武，朱英杰．微型计算机实用测控接口技术

［Ｍ］．北京：

北京科学技术出版社，１９９０．

［２］余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用［Ｍ］．

北京：

电子工业出版社，２００３．

万方数据

PN结温度传感器原理及应用

作者：

赵洪涛，ZHAOHongtao

作者单位：

淮安信息职业技术学院,江苏省,淮安市,223001刊名：

电子工程师

英文刊名：

ELECTRONICENGINEER年，卷（期：

2006,32（7被引用次数：

2次

参考文献（3条

1.张维新半导体传感器1999

2.李现勇VisualC++串口通信技术与工程实践20023.张志良单片机原理及应用2005

引证文献（2条

1.邓宏.朱江.刘雪莲.王文杰.梁琨.杨茹.韩德俊BDJ光探测器的温度特性及其温度校准研究[期刊论文]-半导体光电2008（4

2.王红霞.韩存仓汽车离合器分离轴承模拟试验机系统设计[期刊论文]-机电工程技术2007（10

本文链接：