PN結(jié)溫度傳感器及測溫電路原理

1、PN結(jié)溫度傳感器及測溫電路原理溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。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、而電動勢、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:常用的測溫傳感器的種類與測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，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，其熱時間常數(shù)為0.22秒，靈敏度高。測溫范圍為-50+150C。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號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組成測溫電橋，其輸出信號接差動放大器A1,經(jīng)放大后的信號輸入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PN結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。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)。在沒有恒水槽時，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，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。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過量程時：數(shù)字閃爍DU腳接地時：數(shù)據(jù)可保持應(yīng)用電路（二）下面我們來看看利用不帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測溫的應(yīng)用電路。這里我們選用內(nèi)帶一個模擬比較放大器的AT89C2051單片機(jī)來實(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程序存儲器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM,具有15個I/O口,6個中斷源，只有20個引腳

6、，價格也相當(dāng)便宜，可謂價廉物美的單片機(jī)。詳細(xì)的資料可參見本網(wǎng)站的“ATMEL單片機(jī)”中的AT89C2051。其中內(nèi)含一個模擬比較放大器，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，這兩個輸入輸出口內(nèi)部并沒有上拉電阻，比較放大器的輸出端連至P3.6,也沒有引出，但可用指令訪問該引腳。在該單片機(jī)外接RC元件即可構(gòu)成簡單的，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、電控制端通過一個數(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，電壓是相當(dāng)接近Vcc高電平的。電路工作過程如下：程序開始時，先置P1.2為邏輯低電平，并延時一小段時間，使P1.2為低電平，電容C經(jīng)R2放完電，此時，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，同時定時器開始計(jì)時，當(dāng)電容C上的電壓Vc充到Vc=Vx時，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，輸出端P3.6輸出高電平，當(dāng)掃描查詢到P3.6為高電平時即停止計(jì)時，那么只要測得開始對電容充電到P3.6輸出高電平的時間，通過換算即可得到外部被測溫度電壓的值。這里需要指出，從圖5中我們可