PN結(jié)溫度傳感器及測(cè)溫電路原理

1、PN結(jié)溫度傳感器及測(cè)溫電路原理溫度傳感器是通過(guò)物體隨溫度變化而改變某種特性來(lái)間接測(cè)量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化,所以能作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動(dòng)勢(shì)、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會(huì)不斷涌現(xiàn)。圖1F疇溫度傳屈器的遍度曲線由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度測(cè)量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內(nèi)使用。具體可參考本站文章:常用的測(cè)溫傳感器的種類與測(cè)溫范圍及常用溫度傳感器的比較及選型。溫度傳感器的種類較多，我們主要介紹PN結(jié)溫度傳感器及應(yīng)用電路。P

2、N結(jié)溫度傳感器工作原理晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1C時(shí)，下降-2mV,利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開(kāi)關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來(lái)做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時(shí)間常數(shù)為0.22秒，靈敏度高。測(cè)溫范圍為-50+150C。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號(hào)的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。應(yīng)用電路（一）圖（2）是采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)，測(cè)溫范圍-50150C,分辨率為0.1C,在0100C范圍內(nèi)精度可達(dá)土1C。圖中的

3、R1,R2,D，W1組成測(cè)溫電橋，其輸出信號(hào)接差動(dòng)放大器A1,經(jīng)放大后的信號(hào)輸入02.000V數(shù)字式電壓表（DVM）顯示。放大后的靈敏度10mV/C。A2接成電壓跟隨器。與W2配合可調(diào)節(jié)放大器A1的增益。通過(guò)PN結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過(guò)大，以免二極管自身的溫升影響測(cè)量精度。一般工作電流為100300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復(fù)雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩(wěn)壓精度。MeCl占E31HriJVccVccR1叫.2KIPl.1F1.0K2丄13外搔EC的A/D轉(zhuǎn)換電路精確的電路調(diào)整非常重要，可以采用廣口瓶裝入碎冰渣（帶水）作為0C的標(biāo)準(zhǔn)，采用恒溫水槽或油槽及標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作為

4、100C或其它溫度標(biāo)準(zhǔn)。在沒(méi)有恒水槽時(shí)，可用沸水作為100C的標(biāo)準(zhǔn)（由于各地的氣壓不同，其沸點(diǎn)不一定是100C，可用0100C的水銀溫度計(jì)來(lái)校準(zhǔn)）。將PN結(jié)傳感器插入碎冰渣廣口瓶中，等溫度平衡，調(diào)整W1,使DVM顯示為0V,將PN結(jié)傳感器插入沸水中（設(shè)沸水為100C），調(diào)整W2,使DVM實(shí)現(xiàn)為100.0V,若沸水溫度不是100C時(shí)，可按照水銀溫度計(jì)上的讀數(shù)調(diào)整W2,使DVM顯示值與水銀溫度計(jì)的數(shù)值相等。再將傳感器插入0C環(huán)境中，等平衡后看顯示是否仍為0V,必要時(shí)再調(diào)整W1使之為0V,然后再插入沸水，看是否與水銀溫度計(jì)計(jì)數(shù)相等，經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)調(diào)整即可。圖中的DVM是通用3位半數(shù)字電壓表模塊MC14

5、433，可以裝入儀表及控制系統(tǒng)中作顯示器。MC14433的應(yīng)用電路可參考本網(wǎng)站的常用A/D轉(zhuǎn)換器中的技術(shù)手冊(cè)。它的主要技術(shù)指標(biāo)如下:基本量程：1.999V（2V）線性誤差：該讀數(shù)的0.05%1字電源：57.5V單電源平均功耗：300mW過(guò)量程時(shí)：數(shù)字閃爍DU腳接地時(shí)：數(shù)據(jù)可保持應(yīng)用電路（二）下面我們來(lái)看看利用不帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的應(yīng)用電路。這里我們選用內(nèi)帶一個(gè)模擬比較放大器的AT89C2051單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位單片機(jī)，內(nèi)帶2k的Flash程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM,具有15個(gè)I/O口,6個(gè)中斷源，只有20個(gè)引腳

6、，價(jià)格也相當(dāng)便宜，可謂價(jià)廉物美的單片機(jī)。詳細(xì)的資料可參見(jiàn)本網(wǎng)站的“ATMEL單片機(jī)”中的AT89C2051。其中內(nèi)含一個(gè)模擬比較放大器，P1.0是比較放大器的同相輸入端，P1.1是比較放大器的反相輸入端，這兩個(gè)輸入輸出口內(nèi)部并沒(méi)有上拉電阻，比較放大器的輸出端連至P3.6,也沒(méi)有引出，但可用指令訪問(wèn)該引腳。在該單片機(jī)外接RC元件即可構(gòu)成簡(jiǎn)單的，低精度的A/D轉(zhuǎn)換電路，電路如圖3所示，P1.0（同相端）接上RC充放電阻和電容，P1.1（反相端）作為外部被測(cè)溫度電壓的輸入端，作為PN結(jié)溫度傳感器，本身輸出電壓較低，可參照上一節(jié)我們給出的放大電路，溫度傳感電壓經(jīng)放大后再引至單片機(jī)的輸入端。P1.2充放

7、電控制端通過(guò)一個(gè)數(shù)kQ的電阻接正電源Vcc,因?yàn)镽1遠(yuǎn)小于R2,可以認(rèn)為在P1.2輸出邏輯高電平時(shí)，電壓是相當(dāng)接近Vcc高電平的。電路工作過(guò)程如下：程序開(kāi)始時(shí)，先置P1.2為邏輯低電平，并延時(shí)一小段時(shí)間，使P1.2為低電平，電容C經(jīng)R2放完電，此時(shí)，P1.0=0V,而P1.10V,比較放大器輸出“0”電平，接著置P1.2為高電平，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)電容C上的電壓Vc充到Vc=Vx時(shí)，P1.0與P1.1的電位相等，比較放大器的同相端和反相端電平相等時(shí)，輸出端P3.6輸出高電平，當(dāng)掃描查詢到P3.6為高電平時(shí)即停止計(jì)時(shí)，那么只要測(cè)得開(kāi)始對(duì)電容充電到P3.6輸出高電平的時(shí)間，通過(guò)換算即可得到外部被測(cè)溫度電壓的值。這里需要指出，從圖5中我們可