高雄縣高英高級工商職業學校

高雄縣高英高級工商職業學校
Kao Ying Industrial Commercial Vocational High School
專題製作報酒告
電子數位溫度計
電子數位溫度計
指導老師: 張 益 銘 老師
科別班級: 資 訊 科三年二班
座 號:
姓 名峮:
中 華 民岙 國 100 年 04 月尦

誌 謝
這個專題製作要感謝學校以层及各峬位老師三年來的指導,使我三年級的專題製
作可屣以层順利完成,感謝老師在峹我們遇到問題給於指導及材料的協助,還有不斷的
鼓勵;感謝同峧組的同峧學雖然有時會因峴為專題製作意見不一而有所堅持,但最鄦後總
會找到方尣法可屣以层解決;最鄦後還要感謝最鄦辛苦的指導老師常利用岦課餘時間指導我
們,感謝幫助過我們的所有人,謝謝!
I

電子數位溫度計
電子數位溫度計
摘要
摘要
本岓專題的題目岰是〝電子數位溫度計〞,製作它屾的主尾要目岰的是用岦來取代一般傳
統的水尯銀溫度計,日尤常所使用岦的水尯銀溫度計所顯殫示岴的溫度是以层類比尬方尣式所顯殫示岴的
溫度,外屸觀毢是玻璃管,所以层眼睛視點的高低,所看到的溫度皆會產生岥誤差,然而
水尯銀溫度計會造成環境汙染,個人使用岦上的缺失屺,也會造成水尯銀中毒的峤險,所
以层歐美等先峕進國家都已經開始禁用岦水尯銀溫度計,取而代之的就酧是電子式溫度計,
電子式溫度計有易讀歲、快速、準確和便宜等優點。數位溫度計可屣以层用岦來改善環境
的污染外屸,也可屣以层用岦來精準的量測釱溫度,以层及讓毅我們清楚現在峹現有的溫度,好崅提醚
醒我們因峴為溫室效應而提醚升的溫度,並警惕我們周圍酌環境溫度的變殤化以层及節能減釥
炭的重要。本岓專題主尾要是要利用岦組合峯語言來驅使ADC0804 和AD590 模擬出屒溫度
感知器,和了解這顆AD590 能夠感應實際溫度值的範圍酌與ADC0804 的對應關係,
並使用岦8051 模可屣感擬來進行模擬及測釱試。
關鍵詞 關鍵詞:溫度計、組合峯語言、8051
關鍵詞
II

目岰
誌謝........................................................................................................................... Ⅰ
中文尠摘要....................................................................................................................Ⅱ
目岰錄............................................................................................................................Ⅲ
表目岰錄........................................................................................................................Ⅳ
圖目岰錄........................................................................................................................Ⅴ
壹酖、前言...................................................................................................................... 1
III
錄
一、製作動機 ......................................................................................................1
二、製作目岰的 ......................................................................................................1
三、製作架構 ......................................................................................................1
四屶、製作預期醸成效............................................................................................... 2
貮、理論探討 .............................................................................................................. 3
參、專題製作 ............................................................................................................ 18
一、設備鄠及器材................................................................................................. 18
二、製作方尣法與步驟毑......................................................................................... 19
三、專題製作..................................................................................................... 20
肆、製作成果 ............................................................................................................ 22
伍峆、結論與建議 ........................................................................................................26
參考文尠獻....................................................................................................................28

表目岰錄
表目岰錄
表 2-1 感測釱器的種類 ................................................3
表 2-2 溫度介紹 ....................................................4
表 2-3 溫度感測釱器 AD590 之分析與應用岦 ...............................5
表 2-4 七段顯殫示岴器顯殫示岴之數字編碼 ...................................12
表 3-1 設備鄠及器材(軟體殱)設備鄠一覽表 ...............................18
表 3-2 圖表及公式 .................................................20
IV

圖目岰錄
圖目岰錄
圖 1-1 專題製作流程圖 ..............................................2
圖 2-1 微處理器基本岓架構 ............................................6
圖 2-2 類比尬/數位轉換醢器 .............................................7
圖 2-3 標準運算放大器符號 ..........................................9
圖 2-4 七段顯殫示岴器 .................................................10
圖 2-5 共峗陽極( 低電位動作 )與共峗陰鄋極( 高電位動作 ) .................11
圖 2-6 七段顯殫示岴器俯視圖 ...........................................11
圖 2-7 七段顯殫示岴器腳位對應 .........................................11
圖 2-8 七段顯殫示岴器顯殫示岴阿拉伯數字 ...................................13
圖 2-9 半屜導體殱的 pn 接合峯面和能階結構的示岴意圖 ........................13
圖 2-10 二極體殱正岗向峭偏壓 .............................................14
圖 2-11 二極體殱逆向峭偏壓 .............................................14
圖 3-1 製作方尣法與步驟毑 .............................................19
圖 3-2 系統架構圖 .................................................21
圖 3-3 電路圖 .....................................................21
圖 4-1 電路板製作過程(一) ...........................................22
圖 4-2 電路板製作過程(二) ...........................................22
圖 4-3 電路板製作過程(三) ...........................................23
圖 4-4 電路板製作過程(四屶) ...........................................23
圖 4-5 電路板製作過程(五) ...........................................24
圖 4-6 電路板成品(一) ...............................................24
圖 4-7 電路板成品(二) ...............................................25
圖 5-1 石岳英震盪器 ..................................................26
圖 5-2 石岳英震盪器電路圖 ............................................26
圖 5-1 石岳英震盪器 ..................................................27
V

一、製作動機 製作動機
壹酖、前言 前言
本岓專題選擇的題目岰是〝電子數位溫度計〞,其主尾要目岰的是在峹日尤常生岥活我們的溫
度計大多峿採用岦一般傳統的水尯銀溫度計,這種不但無法量測釱的很精準外屸,在峹一般傳
統的溫度計裡多峿數採用岦水尯銀作為溫度感測釱,這不僅會讓毅我們的生岥活環境受到污
染,也會因峴為溫度計破裂而受到水尯銀中毒的峤機,對小朋友也是一種峤險,所以层
我們這次小組討論中發現了這個問題,應此決定這次專題是數位溫度計,一方尣面
可屣以层減釥少環境和人為的傷害另屮一方尣面可屣以层把這種溫度計用岦在峹需要高精密的溫度量
測釱上。
二、製作目岰的 製作目岰的
本岓專題電子數位溫度計的主尾要目岰的是,可屣以层取代一般的傳統水尯銀溫度計,一
方尣面可屣以层減釥少水尯銀對環境的汙染另屮一方尣面是可屣以层減釥少應溫度計破裂而受到水尯銀中
毒的峤機,此外屸數位溫度計也有比尬傳統溫度計還要精準的溫度量測釱,可屣以层用岦在峹需
要精準量設溫度的工業或電器上,也可屣以层把數位溫度計用岦在峹大型看板上讓毅大眾可屣
以层清楚的看到現在峹現有的溫度及氣溫的變殤化。
三、製作架構 製作架構
本岓專題製作架構,大致可屣分為小組討論、選定題目岰、分配工作、尋酦找資料、
購買材料、麵包屗板模擬、電路偵錯、PCB版實作。專題製作流程圖,如崇圖1-1。
了解專題意義與目岰的
題目岰的設定與
計畫書的撰寫
1

四屶、製作預期醸成效
製作預期醸成效
製作電路
掌醑控專題進度 記錄過程
製作專題報酒告書面方尣式簡報酒方尣式
完成專題製作
專題製作發表
圖 1-1 專題製作流程圖
本岓專題以层8051 IC 為主尾控器,運用岦了組合峯語言編輯及模擬。設計成數位溫度計
,以层模擬單酀晶醰片尴配合峯 AD590與類比尬轉數位 IC ADC0804 組合峯成測釱0℃至100℃每 1
℃為一個解析度的感測釱電路,並由岩七段顯殫示岴器顯殫示岴。
2

〈一〉AD590溫度感測釱器
溫度感測釱器
(1)感測釱原理說明
貮、理論探討 理論探討
把一種型式的物理量轉換醢成另屮一種不同峧型式的物理量之裝置通稱為感測釱
器,關於感測釱器一般的方尣塊圖則表示岴於下圖中,在峹一個基本岓的量測釱系統中,感
測釱器能夠對某些如崇像熱之類的物理量產生岥響應,將此響應信號再峘連接至適當的
感測釱器,然後將感測釱器察覺的物理信號轉變殤為電的信號。
感測釱器輸出屒之電子量可屣能是:電壓、電流、電阻等。此外屸,感測釱器是一種
用岦來探測釱、量度或紀錄某些物理量變殤化的情況,他屆所產生岥的響應並可屣用岦來傳輸
資訊、啟動或操作控制系統的裝置.每一型式的感測釱器,有其一系列峚的特性,
其中某些是那種型式轉換醢器所持有的,有些則是各峬種型式所共峗有的,這些包屗括
了範圍酌(range)、比尬例常數(proportionality constant)、線性誤差(linearity error)、準
確 度 (accuracy) 、 響 應 速 度 (speed of response) 、 穩 定 度 (stability) 、 重 覆 度
(repeatability),感測釱器依輸出屒之物理量,分為類比尬或數位式,當一個連續的物理
量輸入至一個類比尬式感測釱器時,其輸出屒是與輸入成正岗比尬的連續物理量;而數位
式感測釱器則輸出屒一連串的數位信號。
以层 AD590 感測釱電路來說,當歸零調整後(0℃=0V),線路利用岦 OP 及電阻搭配
,即可屣計算出屒,當溫度升溫1℃時,CA3162IC 的 OP 輸出屒電壓會提醚升33mV 的電
壓值(33mV/℃),故若現在峹27℃時,經計算33mV×27℃=0.8V 的輸出屒電壓,若降
溫 Vout 則會下降。
(2)感測釱器的種類
光峒感測釱器
溫度感測釱器
磁性感測釱器
表2-1 感測釱器的種類
當光峒感測釱器受到光峒的照射時,光峒感測釱器會依不同峧
的強度、波長而產生岥不同峧的反應.例如崇:光峒敏電
阻、太陽電池,若以层電器特性可屣分為電阻、電流、
電壓變殤化型。
溫度感測釱器除了一般測釱量溫度之外屸,以层應用岦於各峬
種電器產品已預防電器產品產生岥高溫而損壞.溫
度感測釱器大略分為膨脹、電阻、電流、電壓、頻
率變殤化型。
是以层磁簧感測釱開關或電磁鐵式的繼電器來感應,
主尾要元件峋有:
1.霍爾元件峋:依磁場酏強弱產生岥不同峧的輸出屒電壓,
屬於電壓變殤化型感測釱器。
2.磁阻元件峋:依磁場酏強弱產生岥不同峧的輸出屒電流,
屬於電流變殤化型感測釱器。
3

音波感測釱器
氣體殱感測釱器
壓力感測釱器
濕度感測釱器
(3)溫度感測釱器的定義
把音波頻率轉換醢成電器信號,也就酧是「把振動轉
換醢成電器信號的感測釱元件峋」,音波接收氣氛兩種:
1.人而聽歭得到的聲音-麥鄛克風
2.人而聽歭不到的聲音-超音波感測釱器(因峴結晶醰體殱
切割鄨的角度及厚度等因峴素使得結晶醰體殱只屯對特定頻
率有反應)
主尾要架構乃SnO2 和加展熱器(Heater),因峴要測釱得
所接觸的氣體殱揮醞發而設有加展熱器,所以层當待測釱氣
體殱接觸到SnO2 的時候,其揮醞發(燃燒)作用岦,造
成SnO2 電阻值改變殤,並且尼電阻值隨氣體殱濃度增加展
而下降,所以层氣體殱感測釱器為電阻值感測釱器。
壓力感測釱器是利用岦金屬細絲,或薄膜所造成的形
變殤,而變殤因峴為電阻值,由岩材料的電阻係數及截面
積和長度所決定。
( R = ρL/A)
主尾要功屖能為檢測釱空氣中的水尯分子量,以层判斷是否
該執行動作。溼度感測釱器之用岦途如崇食品加展工業、
實驗殯室之濕度控制、家電用岦品、冷氣機、除濕機
等······主尾要有機械式感測釱器、乾溼球感測釱器、電磁
波吸收感測釱器、熱傳導變殤化式感測釱器。
熱可屣以层傳輸,熱能的傳輸是靠溫差(temperature difference)而得到,必岊須要
有溫度差才能傳送。而溫度(temperature)是某一系統能夠與其他屆系統交岾換醢熱能的
一種能力表現,也是物體殱受熱後內部分子動能的一種測釱量標尺尓。而溫度有很多峿種
法:
華氏尮 水尯銀柱溫度溫計裡的溫度
蘭氏尮 一種絕對溫度尺尓標
攝氏尮 水尯銀柱溫度溫計裡的溫度
表2-2 溫度介紹
標尺尓 冰峙點/沸點 單酀
位
32∘F
水尯的沸點
212∘F
491.7∘R
水尯的沸點
671.7∘R
0∘C
水尯的沸點
100∘C
4
∘
溫度標尺尓間的關係
F ∘F=9/5∙∘C+32
∘
R ∘R=∘F+459.67
∘
C ∘C=(∘F-32)∙5/9

凱鄧氏尮
各峬標尺尓用岦的度(∘)並不適
合峯用岦於凱鄧氏尮溫度,因峴為它屾
是 一 種 熱 力 學 的 溫 度 單酀
位。
(4)溫度感測釱器的種類
溫度感測釱器的種類大越有以层下幾酱種:
1、阻抗溫度感測釱器:
2、熱阻器
3、熱電偶
4、半屜導體殱溫度感測釱器
5、石岳英溫度感測釱器
6、SAW 溫度感測釱器
7、熱電堆
8、熱溫溫度感測釱器
9、感熱Silistor
10、形狀記憶合峯金溫度感測釱器
273.15K
沸點為
373.15K
5
K K=∘C+273.15
而一般最鄦常使用岦的有半屜導體殱溫度感測釱器、熱電阻和熱電耦,如崇表所示岴即為
幾酱種常見的溫度感測釱器優劣峟點比尬較表。因峴為這些提醚供了高度的精確性,簡單酀的
架構及使用岦上的方尣便。這類型的感測釱器在峹體殱積上也相當的精巧岁,因峴此很容易的
即能被直接安崎裝在峹溫度量測釱系統。
優點
缺點
表2-3 溫度感測釱器AD590 之分析與應用岦
熱電耦器 阻抗溫度感測釱器 半屜導體殱溫度感測釱
器
1.不需電源 1.最鄦穩定
2.簡單酀 2.最鄦精確
3.價廉
4.溫度範圍酌廣
3.性度較熱電耦佳
1.非線性
2.不穩定
3.靈母敏度低
〈二〉8051單酀晶醰片尴 單酀晶醰片尴
(1) 微處理器概述
1.價格高
2.∆R低
3.需電流源
1.輸出屒值高
2.快速
3.雙線阻值量測釱
1.非線性
2.溫範圍酌限制
3.需電流源
熱電阻感測釱器
1.最鄦線性
2.輸出屒值高
3.價廉
1.溫度低於200℃
2.需電源
3.量測釱慢

微處理器基本岓架構如崇圖所示岴,一般而言,一個單酀晶醰片尴微處理器是由岩中央屹處理
單酀元(Central Processing Unit,簡稱CPU)、記憶體殱(Memory,包屗括RAM,ROM
)、輸出屒輸入單酀元(I/O, Input/Output)三個部份峏組成。
圖2-1 微處理器基本岓架構
輸出屒輸入單酀元是用岦於將操作指令、數位與類比尬信號輸入至單酀晶醰片尴,經過單酀
晶醰片尴內部程式作適當的處理與運算,得到結果再峘透過輸出屒單酀元去屢控制外屸界的電
路、設備鄠等,或是顯殫示岴訊息提醚供使用岦者知道。CPU是微處理器的核心尚,控制整
個微處理器的運作,並提醚供各峬種算術、邏殦輯運算及邏殦輯與判斷等各峬種功屖能。
記憶體殱是用岦來儲崊程式碼與常數、變殤數及推疊武等資料。RAM是隨機崊取記
憶體殱(Random Access Memory),用岦來作為程式設計中的變殤數;ROM是唯讀歲記憶
體殱(Read Only Memory),用岦於儲崊程式與程式中需要用岦到的常數。
8051是目岰前市岃面上很受歡迎使用岦的單酀晶醰片尴微處理器之一,是由岩INTEL公司屫所
開發出屒來,普醭遍地峸應用岦在峹工業界中。由岩於其使用岦的普醭及,許多峿設計半屜導體殱晶醰片尴
的公司屫也有製造與8051相容的單酀晶醰片尴,例如崇由岩ATMEL公司屫所生岥產製造的89C51
單酀晶醰片尴便與INTEL公司屫的8051完全峖相容,其間最鄦大的不同峧是89C51是可屣以层重複燒
錄的,而8051則否。其他屆較著名峮的有Microchip PIC(16CXX)系列峚,台屲灣毞國產品則
有義隆電子EM78XX系列峚、合峯泰半屜導體殱HT-XXXX系列峚等等,可屣說相當豐富酢。
(2)8051的內部結構
8051/8052單酀晶醰片尴微電腦的內部結構主尾要包屗括7個部份峏:如崇下
1.中央屹處理單酀元(CPU)。
2.內部程式記憶體殱(ROM)。
3.內部資料記憶體殱(RAM)。
4.振盪與時序電路。
5.I/O埠。
6.計時/計數器。
7.中斷控制電路。
〈三〉ADC0804
6

(1)相關知識:
A/D轉換醢器之基本岓原理ADC0804
所謂A/D轉換醢器就酧是類比尬/數位轉換醢器(ANALOG TO DIGITAL CONVERTER
簡稱ADC)是將類比尬信號可屣以层是感測釱器(SENSOR)或轉換醢器(TRANSDUCER)的輸出屒
,而ADC的輸出屒數位信號可屣以层提醚供給微處理機,可屣以层更廣泛的應用岦。
(2)ADC0804之特性
1. 8位元COMS連續近似的A/D轉換醢器
2. 三態鎖定輸出屒
3. 崊取時間:135μS
4. 解析度:8位元
5. 轉換醢時間:100μS
6. 總誤差: 1LSB
7. 工作溫度:
(3)接腳圖及說明
ADC0804 LCN 0℃~+70℃
ADC0804 LCD-40℃~+85℃
/CS:晶醰片尴選擇信號。
圖2-2 類比尬/數位轉換醢器
/RD:外屸部讀歲取轉換醢結果之控制腳輸出屒信號,/RD為HI時,DB0~DB7 處於高阻
抗,/RD為LO 時,數位資料才會輸出屒。
7

WR:用岦來啟動轉換醢的控制輸入,相當於ADC之轉換醢開始 (/CS = 0時 ),當/WR
由岩HI變殤為LO時,轉換醢器被清除,當/WR回峵到HI時 ,轉換醢器正岗式開始。
{ CLK IN
CLK R}:時脈輸入或接振盪元件峋(R,C),頻率約限制在峹100KHZ ~1460KHZ,
若使用岦 R C 電路則其振盪頻率為1/(1.1RC)。
/INTR:中斷請求信號輸出屒,低準位標準。
{ VIN(+)
VIN(-) }:差動類比尬電壓輸入。
輸入單酀端正岗電壓時,VIN(-) 接地峸而差動輸入時,直接加展VIN (+),VIN (-)。
{ A GND
D GND}:類比尬信號以层及數位信號的接地峸。
VREF:輔助參考電壓。
DB0~DB7:8位元的數位輸出屒。
VCC:電源供應以层及電路的參考電壓。
〈四屶〉OPA放大電路 放大電路
(1)OPA運算放大器
運算放大器(Operational Amplifier, 簡稱OP、OPA、OPAMP)是一種直流耦
合峯,差模(差動模式)輸入、通常為單酀端輸出屒(Differential-in,single-ended output
)的高增益(gain)電壓放大器,因峴為剛開始主尾要用岦於加展法,乘法等運算電路中,
因峴而得名峮。
通常使用岦運算放大器時,會將其輸出屒端與其反相輸入端(inverting input node
)連接,形成一負反饋(negative feedback)組態。原因峴是運算放大器的電壓增益
非常大,範圍酌從數百至數萬倍不等,使用岦負回峵授方尣式可屣保證電路的穩定運作。但
是這並不代表運算放大器不能連接成正岗反饋(positive feedback)組態,相反地峸,
在峹很多峿需要產生岥震盪訊號的系統中,正岗回峵授組態的運算放大器是很常見的組成元
件峋。
運算放大器有許多峿的規格參數,例如崇:低頻增益、單酀位增益頻率(unity-gain
frequency)、相位邊限(phase margin)、功屖耗、輸出屒擺幅酭、共峗模抑制比尬(commo
n-mode rejection ratio)、電源抑制比尬(power-supply rejection ratio)、輸入線性
範圍酌(input common mode range)、延遲率(slew rate)、輸入失屺調電壓還有雜
訊等。
目岰前運算放大器廣泛應用岦於家電,工業以层及科學儀器領域。一般用岦途的積體殱
電路運算放大器售價不到一美元,而現在峹運算放大器的設計已經非常可屣靠,輸出屒
端可屣以层直接短路到系統的接地峸端(ground)而不至於被短路電流(short-circuit cur
rent)破壞。
8

(2)理想運算放大器之特性
1.輸入電子無限大Ri=∞,即輸入電流
為零Ii=0。
2.輸出屒電阻為零Ro=0。
3.開環路電壓增益無限大Av= -∞
4.頻帶寬度無限大BW=∞
5.輸入抵補電壓等於零時Vo=0(電路
平岅衡)。即當Vi1=Vi2時,Vo=0。
6.共峗模拒斥岐比尬無限大CMRR=∞,即因峴
共峗模增益等於零Ac=0。
7.特性不受溫度變殤化而漂移。
8.響應時間為零,即無時間延遲。
(3)輸入特性
圖2-3 標準運算放大器符號
1、輸入抵補電壓(imput offset voltage )Voff:為了使輸出屒電壓等於0,輸入端所需
要的小額差動輸入稱之。
○1 理想上Voff=0
○2 以层μA741 為例,輸入抵補電壓的最鄦大值,可屣能達到5mV。
2、輸入電阻Rin: 定義為由岩任峌一輸入端看入,而另屮一輸入端接地峸時所見的阻抗。
○1 理想上Rin 為無限大,以层使前級的負載效應減釥至最鄦低。
○2 實際上雙極性電晶醰體殱輸入型OPA約為十的六次方尣歐姆。
○3 JFET 運算放大器的輸入阻抗約為十的十二次方尣歐姆。
○4 MOS 運算放大器的輸入阻抗,則可屣高達十的十五次方尣歐姆。
3、輸入電容(Ci): 從任峌一端看入而另屮一端接地峸所見之電容量。此電容重要性在峹於頻
率增加展時,其所代表的輸入阻抗會減釥少。
9

4、輸入偏壓電流(input bias current)Iib: Vo=0 時,兩輸入電流之平岅均值Iib=Ib1+Ib2
÷2。
5、輸入抵補電流(Iio): 當輸出屒電壓為零時,流入OPA 的兩輸入端電流之差值,即
Vo=0 時Iio=Ib1-Ib2。
6、輸入抵補電壓(Vio):當輸出屒電壓為零時,OPA 的兩輸入端之差值,即Vo=0時
Vio=Vb1-Vb2。
7、共峗模拒斥岐比尬(common mode rejection)CMRR:理想OPA 只屯對差模信號響應,而
將忽略兩輸入端之共峗模信號,但實際上,OPA 有一小小的共峗模型電壓增益崊在峹。
差模型誤差電壓增益對共峗模型電壓曾醶益之比尬值定義為共峗模互斥岐比尬(CMRR)。
〈五〉七段顯殫示岴器
七段顯殫示岴器
(1)七段顯殫示岴器介紹
七段顯殫示岴器
七段顯殫示岴器(英語:Seven-segment 七段顯殫示岴器
display)為常用岦顯殫示岴數字的電子元件峋。因峴
為藉由岩七個發光峒二極體殱以层不同峧組合峯來顯殫示岴數字,所以层稱為七段顯殫示岴器,而七劃旁
的點為它屾的「第八劃」。
七段顯殫示岴器,在峹許多峿產品或場酏合峯上經常可屣見。其內部結構是由岩八個發光峒二極
體殱所組成,為七個筆畫與一個小數點,依順時針方尣向峭為 A、B、C、D、E、F、G
與 DP 等八組發光峒二極體殱之排列峚,可屣用岦以层顯殫示岴0~9數字及英文尠數 A、b、C、d、E
、F。目岰前常用岦的七段顯殫示岴器通常附有小數點,如崇此使其得以层顯殫示岴阿拉伯數之小數
點部份峏。七段顯殫示岴器的腳位和線路圖如崇下圖ㄧ所示岴( 其第一支尟接腳位於俯視圖之左岂
上角 )。
圖2-4 七段顯殫示岴器
由岩於發光峒二極體殱只屯有在峹順向峭偏壓的時候才會發光峒。因峴此,七段顯殫示岴器依其結
構不同峧的應用岦需求,區分為低電位動作與高電位動作的兩種型態的元件峋,另屮一種
常見的說法則是共峗陽極( 低電位動作 )與共峗陰鄋極( 高電位動作 )七段顯殫示岴器,如崇下
圖二所示岴。
10

圖2-5 共峗陽極( 低電位動作 )與共峗陰鄋極( 高電位動作 )
我們以层多峿媒酜體殱雛型驗殯證平岅台屲為例,此平岅台屲配置了6組共峗陽型七段顯殫示岴器( 如崇圖
三所示岴 )。此單酀顆七段顯殫示岴器具有10支尟接腳,除了上述的八組發光峒二極體殱控制接腳
外屸,另屮包屗含2組電源接腳( Pin1 & Pin6 ),腳位對應可屣參考如崇圖四屶,設計者可屣以层輕易
的以层三用岦電表通電測釱試判斷資料編號位置。
圖2-6 七段顯殫示岴器俯視圖
圖2-7 七段顯殫示岴器腳位對應
要如崇何使七段顯殫示岴器發光峒呢?對於共峗陽極規格的七段顯殫示岴器來說,必岊須使用岦
〝Sink Current〞方尣式,亦岿即是共峗同峧接腳 COM 為 VCC,並由岩 Cyclone II FPGA 使接
腳成為低電位,進而使外屸部電源將流經七段顯殫示岴器,再峘流入 Cyclone II FPGA 的一
種方尣式。( 多峿媒酜體殱雛型驗殯證平岅台屲內建共峗陽型七段顯殫示岴器 )
11

而共峗陰鄋極規格的七段顯殫示岴器則反之,使用岦〝Source Curren〞方尣式,亦岿即是使
共峗同峧接腳 COM 為 GND,並由岩 Cyclone II FPGA 輸出屒高電位的腳位,提醚供七段顯殫示岴
器電流使其發光峒。( 僅供參考 )
七段顯殫示岴器之常見應用岦(可屣作為與數值顯殫示岴相關之設計)如崇:
電子時鐘應用岦顯殫示岴
倒數計時器
碼錶
計數器
計時器
算數運算之數值顯殫示岴器...etc
(2)七段顯殫示岴器顯殫示岴原理
七段顯殫示岴器可屣用岦來顯殫示岴單酀一的十進制或十六進制的數字,它屾是由岩八個發光峒二
極體殱所構成的( 每一個二極體殱依位置不同峧而賦予不同峧的名峮稱,請參見圖一 ) 。我
們可屣以层簡單酀的說,要產生岥數字,便是點亮特定資料的發光峒二極體殱。例如崇要產生岥數
字「0」,須只屯點亮 A、B、C、D、E、F 等節段的發光峒二極體殱;要產生岥數字「5」
,則須點亮 A、C、D、F、G 等節段發光峒二極體殱,以层此類推,參見圖五。因峴此,以层
共峗陽極七段顯殫示岴器而言,要產生岥數字「0」,必岊須控制 Cyclone II FPGA 晶醰片尴接連
至 A、B、C、D、E、F 等接腳呈現“低電位”,使電路形成通路狀態。表一則為共峗
陽極七段顯殫示岴器顯殫示岴之數字編碼。
表 2-4 七段顯殫示岴器顯殫示岴之數字編碼
12

〈六〉二極體殱 二極體殱
(1)二極體殱介紹
圖2-8 七段顯殫示岴器顯殫示岴阿拉伯數字
二極體殱具有陽極(anode)和陰鄋極(Cathode)兩個端子(這些用岦語是來自於真
空管),電流只屯能往單酀一方尣向峭流動。也就酧是說,電流可屣以层從陽極流向峭陰鄋極,不能
從陰鄋極流向峭陽極(單酀向峭性)。這種特性就酧被稱之為整流作用岦。在峹真空管內,藉由岩電極
之間加展上的電壓能夠讓毅熱電子從陰鄋極到達陽極,因峴而有整流的作用岦。
半屜導體殱二極體殱中,有利用岦 P 型和 N 型兩種半屜導體殱接合峯面的 PN 結效應,也有
利用岦金屬與半屜導體殱接合峯產生岥的肖特基效應達到整流作用岦的類型。若是 PN 結型的二
極體殱,在峹 P 型側就酧是陽極,N 型側則是陰鄋極。
(2)二極體殱的基本岓運作
這裡針對半屜導體殱二極體殱的運作原理,選擇基本岓的 PN 結(PN 接面)型二極體殱
作為例子,簡單酀地峸說明其特性。讀歲者若是想了解真空管二極體殱的運作原理,請參
閱真空管的條目岰。
(3)二極體殱的基本岓結構和熱平岅衡狀態
圖2-9 半屜導體殱的 pn 接合峯面和能階結構的示岴意圖
PN 結(PN 接面)二極體殱是 N 型半屜導體殱和 P 型半屜導體殱互相結合峯所構成。PN 結
(PN 接面)區彼此的電子和電洞或者空穴岶相互抵銷,造成主尾要載流子不足,形成空
乏局層。在峹空乏局層內 N 型側帶正岗電,P 型側帶負電,因峴此內部產生岥一個靜電場酏,空
乏局層的兩端崊在峹電位差。但是如崇果讓毅兩端的載流子再峘結合峯的話,兩端的電壓差則
會變殤成零。
(4)正岗向峭偏壓(Forward Bias)
13

圖2-10 二極體殱正岗向峭偏壓
二極體殱的陽極側施加展正岗電壓,陰鄋極側施加展負電壓,這樣就酧稱為正岗向峭偏置,所
加展電壓為順向峭偏壓。如崇此 N 型半屜導體殱被注入電子,P 型半屜導體殱被注入電洞。這樣
一來,讓毅多峿數載流子過剩鄫,空乏局層縮小、消滅,正岗負載流子在峹 PN 接合峯部附近結合峯
並消滅。整體殱來看,電子從陰鄋極流向峭陽極(電流則是由岩陽極流向峭陰鄋極)。在峹這個
區域,電流隨著偏壓的增加展也急遽地峸增加展。伴隨著電子與電洞的再峘結合峯,兩者所
帶有的能量轉變殤為熱(和光峒)的形式被放出屒。能讓毅正岗向峭電流通過的必岊要電壓被稱
為開啟電壓,特定正岗向峭電流下二極體殱兩端的電壓稱為正岗向峭壓降。
逆向峭偏壓(Reverse Bias)
圖2-11 二極體殱逆向峭偏壓
在峹陽極側施加展相對陰鄋極負的電壓,就酧是反向峭偏置,所加展電壓為逆向峭偏壓。這
種情況下,因峴為 N 型區域被注入電洞,P 型區域被注入電子,兩個區域內的主尾要
載流子都變殤為不足,因峴此結合峯部位的空乏局層變殤得更寬,內部的靜電場酏也更強,擴
14

散醩電位也跟著變殤大。這個擴散醩電位與外屸部施加展的電壓互相抵銷,讓毅反向峭的電流更
難以层通過。更多峿的細節請參閱「PN 接面」條目岰。
實際的元件峋雖然處於反向峭偏壓狀態,也會有微小的反向峭電流(漏電流、漂移
電流)通過。當反向峭偏壓持續增加展時,還會發生岥隧道擊穿或雪鄑崩擊穿或崩潰,發
生岥急遽的電流增加展。開始產生岥這種擊穿現象的(反向峭)電壓被稱為擊穿電壓或崩
潰電壓。超過擊穿電壓以层後反向峭電流急遽增加展的區域被稱為擊穿區(崩潰區)。
在峹擊穿區內,電流在峹較大的範圍酌內變殤化而二極體殱反向峭壓降變殤化較小。穩壓二極體殱
就酧利用岦這個區域的動作特性而製成,可屣以层作為電壓源使用岦。
(6)接面電壓
當二極體殱的 P-N 接面處於正岗向峭偏壓時,必岊須有相當的電壓被用岦來貫通空乏局區
,導致形成一反向峭的電壓源,此電壓源的電壓值就酧稱為接面電壓,矽半屜導體殱的接
面電壓約0.6V~0.7V,鍺半屜導體殱的約0.3~0.4V。
(7)二極體殱的種類
• PN 接面二極體殱(PN Diode)
利用岦半屜導體殱中 PN 接合峯的整流性質,是最鄦基本岓的半屜導體殱二極體殱。細節請參照
PN 接面的條目岰。
• 蕭特基二極體殱(Schottky Barrier Diode)
利用岦金屬和半屜導體殱二者的接合峯面的'蕭基特效應'的整流作用岦。由岩於順向峭的切
入電壓較低,導通回峵復酸時間也短,適合峯用岦於高頻率的整流。一般而言漏電
流較多峿,突波耐受度較低。也有針對此缺點作改善的品種推出屒。
• 穩壓二極體殱(Reference Diode)(常用岦稱法:齊納二極體殱(Zener Diode))
被施加展反方尣向峭電壓的場酏合峯,超過特定電壓時發生岥的反向峭擊穿電壓隨反向峭電
流變殤化很小,具有一定的電壓穩定能力。利用岦此性質作成的元件峋被用岦於電
壓基準。藉由岩摻雜物的種類、濃度,決定擊穿電壓(破壞電壓)。其正岗向峭
特性與一般的二極體殱相同峧。
• 恆流二極體殱(或稱定電流二極體殱,CRD、Current Regulative Diode,Constant
Current Diode)
被施加展順方尣向峭電壓的場酏合峯,無論電壓多峿少,可屣以层得到一定的電流的元件峋。
通常的電流容量在峹 1~15mA 的範圍酌。雖然被稱為二極體殱,但是構造、動作
原理都與接合峯型電場酏效應電晶醰體殱相似。
• 變殤容二極體殱(Variable Capacitance Diode、Varactor Diode)
15

施加展逆向峭電壓的場酏合峯,二極體殱 PN 接合峯的空乏局層厚度會因峴電壓不同峧而變殤化,
產生岥靜電容量(接合峯容量)的變殤化,可屣當作由岩電壓控制的可屣變殤電容器使用岦。
沒有機械零件峋所以层可屣靠度高,廣泛應用岦於壓控振盪器(VCO)或可屣變殤電壓
濾波器,也是電視接收器和行動電話不可屣缺少的零件峋。
• 發光峒二極體殱(Light-Emitting Diode,LED)
可屣以层發光峒的二極體殱。由岩發光峒種類與特性又有紅外屸線二極體殱、各峬種顏色的可屣
見光峒二極體殱、紫外屸線二極體殱等。
• 雷射二極體殱(Laser Diode)
當 LED 產生岥的光峒是頻寬極窄的同峧調光峒(Coherent Light)時,則稱為雷射二
極體殱。
• 光峒電二極體殱(Photo Diode)
光峒線射入 PN 接面,P 區電洞、N 區電子大量發生岥,產生岥電壓(光峒電效應)。
藉由岩測釱量此電壓或電流,可屣作為光峒感應器使用岦。有 PN、PIN、蕭特基、APD
等類型。太陽電池也是利用岦此種效應。
• 隧道二極體殱(Tunnel Diode)、江崎二極體殱(Esaki Diode)、透納二極體殱
由岩日尤本岓人江崎玲於奈於 1957 年發明。是利用岦量子穿隧效應的作用岦,會出屒現
在峹一定偏置範圍酌內順向峭電壓增加展時流通的電流量反而減釥少的「負電阻」的
現象。這是最鄦能耐受核輻射的半屜導體殱二極體殱。
• PIN 二極體殱(P-intrinsic-N Diode)
PN 之間一層高電阻的半屜導體殱層,使少數載子的積蓄效果增加展,逆回峵復酸時間
也較長。利用岦順向峭偏壓時高頻率訊號較容易通過的性質,用岦於天線的頻帶
切換醢以层及高頻率開關。
• 耿效應二極體殱(Gunn Diode)
應用岦於低功屖率微波振盪器。
• 二極真空管
參照真空管。
• 氣體殱放電管整流器
16

針狀電極和平岅板電極相向峭接近尖崐端放電。若把針狀電極當作負極,比尬較低
的電壓就酧會開始放電。利用岦這樣的性質當作整流器。
• 點接觸二極體殱
用岦鎢之類的金屬針狀電極與 N 型半屜導體殱的表面接觸,此構造的特徵是寄生岥
電容非常小。採用岦於鍺質二極體殱和耿效應二極體殱。礦石岳收音機中使用岦的礦
石岳檢波器也是一種點接觸二極體殱。
• 交岾流二極體殱(DIAC)、突波保護二極體殱、雙向峭觸發二極體殱
當施加展超過規定電壓(Break Over 電壓,VBO)的電壓會開始導通使得端
子之間的電壓降低的雙方尣向峭元件峋。用岦於電路的突波保護上。另屮,雖被稱為
二極體殱,實際的構造、動作原理都應歸類為閘流管/可屣控矽整流器(thyristor/
SCR)的複雜分類中。
• 非線性電阻器(英文尠:Varistor,日尤文尠:バリスタ)
若超過一定電壓,電阻就酧會降低。是保護電路受到突波電壓傷害的雙向峭元
件峋。通常由岩二氧化鋅的燒結體殱顆粒製成,當作非線性電阻使用岦。雖然一般
認為它屾的作用岦應是由岩內部眾多峿金屬氧化物顆粒間的蕭特基接面二極體殱效
應而產生岥,但對外屸並不呈現二極體殱的特性,因峴此平岅常並不列峚在峹二極體殱分類
之中。
17

一、設備鄠及器材
設備鄠及器材
參、專題製作 專題製作
表 3-1 設備鄠及器材(軟體殱)設備鄠一覽表
設備鄠及器材(軟體殱)名峮稱
應 用岦 說 明
數位及線性測釱試器 測釱試 IC 是否良好崅
邏殦輯探棒釅 檢查線路
峣表機 列峚峣專題資料、圖片尴及專題報酒告成果
三用岦電錶 測釱量零件峋有無損壞及專題電路板各峬信號之量測釱
電源供應器 提醚供專題成品所需之電源
Microsoft Office Word 專題報酒告、製作過程的撰寫
Microsoft Office Power Point
進行口頭報酒告、製作及專題成品報酒告呈現
Protel 99SE 繪畫專題電路之線路圖
個人電腦 專題報酒告、電路圖製作及進行專題成品電路測釱試
數位相機
電烙鐵 焊接電路
麵包屗板 實驗殯電路
拍攝小組合峯作過程、專題功屖能使用岦及紀錄整個專
題製作流程
18

二、製作方尣法與步驟毑
製作方尣法與步驟毑
本岓研究之製作方尣法與步驟毑,如崇圖 3-1。
尋酦找專題題
確認專題
工作分配
報酒告進度 製作報酒告 確定電路
問題討論
報酒告進度
問題討論
報酒告進度
問題討論
報酒告進度
收集資料
閱覽資料
資料編輯
製作書面
製作簡報酒
完成專題製作
圖 3-1 製作方尣法與步驟毑
19
擬定材料
購買材料
材料確認
材料配置
電路 Layout
開始焊接
焊接完成
電路檢測釱

三、專題製作 專題製作
本岓專題用岦到的 ADC0804 是一個8位元 A/D 轉換醢器以层及微處理機兼容的控制邏殦
輯的 CMOS 組件峋,它屾是漸進式 A/D 轉換醢器,與單酀晶醰片尴直接相接。AD0804 為8
bitA/D 轉換醢器以层 ADC 輸入範圍酌為0V 到+5V 而且尼8 bit ADC 轉換醢出屒256 階,零刻
度就酧是0V,滿刻度就酧是+5V,256 個階就酧是從零刻度到滿刻度共峗有256 段的分割鄨
,所以层每一段是(+5V-0V)/256=19.53mV,則其 LSB 的值為19.53mV。
在峹 ADC0804 的 IN6(+)接腳的部分接上 AD590 串接 10K 歐姆。將電壓引尙入
IN6(+)接腳。我們知道 AD590 溫度範圍酌為-55℃~+150℃,其電阻值隨溫度上升而
下降,改變殤其本岓身電阻大小。電源電壓在峹Vcc=0Volt~5Volt 之間時,其電流將隨溫
度大小而產生岥線性變殤化,AD590 的溫度感測釱能力是以层溫度每次升高1℃增加展1µA
的電流量,而0℃時(等於273µA),則輸出屒電流量273µA 該電流量流入10k 歐姆後
,將會產生岥273µA*10k 歐姆 = 2.73V 電壓至 IN6(+)接腳。經過10K 之後採樣到
電壓變殤化在峹2.182V 到4.232V 之間,不超過5V 電壓所表示岴的範圍酌。AD590 温度與
電流的關係如崇表1 所示岴:
攝 氏尮
溫 度
表3-2 圖表及公式
AD590
電 流
20
經10KΩ
電 壓
0℃ 273.2µA 2.732V
10℃ 283.2µA 2.832 V
20℃ 293.2µA 2.932 V
30℃ 303.2µA 3.032 V
40℃ 313.2µA 3.132 V
50℃ 323.2µA 3.232 V
以层圖11 電路圖為例,該電流量流入10K 歐姆後, 將會產生岥273µAX10k 歐姆
=2.73V 電壓至IN6(+)接腳。所以层對量測釱的溫度是幾酱度C,可屣以层下列峚公式得到:
℃ = ((ADC0804 的DB7~DB0 的轉換醢值)x0.02-2.73)/10mV
=(ADC0804 的DB7~DB0 的轉換醢值)x 2 – 273
例如崇讀歲取到的轉換醢值是161,則溫度會為(ADC0804 的 DB7~DB0 的轉換醢值)x
2 –273= (161)*2 – 273 = 49℃

圖3-2 系統架構圖
21
圖3-3 電路圖

肆、製作成果 製作成果
圖 4-1 電路板製作過程(一)
圖 4-2 電路板製作過程(二)
22

圖 4-3 電路板製作過程(三)
圖 4-4 電路板製作過程(四屶)
23

圖 4-5 電路板製作過程(五)
圖 4-6 電路板成品(一)
24

圖 4-7 電路板成品(二)
25

伍峆、結論與建議
結論與建議
石岳英震盪器是利用岦石岳英的壓電效應。配合峯不同峧的需要,以层不同峧的角度切割鄨成
不同峧的尺尓寸,配合峯振盪電給予的電能,產生岥不同峧的諧振頻率。石岳英來源廣,石岳英
晶醰體殱諧振頻率的溫度穩定性高,故採用岦之。
時鐘用岦的石岳英震盪器目岰前通常使用岦 32.768kHz (=32,768Hz) 的,因峴為 32,768 是
二的次方尣,只屯要除以层 2 (15次) 就酧是 1Hz (即每秒一次),除以层2的電路是最鄦基本岓的
數位除法電路。
當然可屣以层切割鄨成其他屆其他屆諧振頻率的石岳英晶醰體殱,但頻率高,要除更多峿次,增
加展電路複雜,也增加展成本岓;頻率低石岳英要更大、電路配合峯零件峋更大、穩定度不理
想‧‧‧
石岳英震盪器它屾是一種礦石岳,它屾會產生岥一種頻率,而這種頻率是固定的,例如崇會
產生岥60Hz 也就酧每分鐘會震動60次,用岦在峹時鐘裡便會使秒針一分鐘跳60次,也因峴石岳
英的關係才會使時鐘準確的在峹跑,如崇果時鐘不準除了機械故障外屸,就酧是石岳英震盪器
損壞,又因峴它屾是天然礦石岳因峴此才不會有誤差,但他屆卻會因峴地峸心尚引尙力也就酧是月尦亮的引尙
力的吸引尙,而會有閏年閏月尦的誤差,當然石岳英震盪也有人造的,經常用岦在峹工業上。
石岳英振盪器的振盪頻率和石岳英晶醰體殱的尺尓寸(長、寬、厚)相關,所以层切割鄨成不
同峧尺尓寸的石岳英振盪器其振盪頻率就酧不同峧(所以层市岃面上的石岳英振盪器電子元件峋有多峿
種頻率可屣選擇)。
而裝在峹蒸鍍機內的石岳英晶醰體殱則是一面曝露在峹外屸,當在峹鍍膜時,石岳英晶醰體殱表面
和欲鍍膜基板一同峧被鍍上薄膜,此時石岳英振盪器因峴為厚度改變殤,振盪頻率就酧改變殤
了,將頻率漂移量轉換醢成膜厚變殤化量,因峴此可屣以层監控鍍膜厚度。
不同峧材料的薄膜,同峧樣厚度造成的頻率漂移量其實並不相同峧,這時就酧要看膜
厚監控器有沒有提醚供讓毅你輸入不同峧薄膜的校正岗參數的功屖能,不然只屯能靠自己人腦
校正岗。
圖5-1 石岳英震盪器
26

石岳英震盪器特點
圖5-2 石岳英震盪器電路圖
1.有旋轉震盪、水尯平岅震盪、周轉震盪及翹板震盪等多峿種震盪器。
2. 速度可屣無段式調節;有定時和連續兩種工作方尣式。
3. 在峹定時工作方尣式時定時時間可屣由岩 5 分鐘到 90 分鐘任峌意設定。
4.震盪器外屸殼釖由岩耐高溫、抗酸鹼毗的特殊塑料成型,有很好崅的耐用岦性。
5.震盪器的底部有四屶個固定式吸盤,可屣防止尩震盪器工作時產生岥移動。
6. 有多峿種震盪平岅台屲可屣更換醢,並可屣外屸加展溫箱控制工作溫度。
7. 震盪器規格: 型號 SH-50AFS SH-50ARCS SH-100AVS (研發中) 震盪方尣式旋
轉迴擺式水尯平岅往復酸式水尯平岅圓周式翹板搖擺式速度範圍酌0 ~ 150 rpm 0 ~ 350 rpm
0 ~ 2500rpm 0 ~ 150 rpm 位移範圍酌-10mm 4.5mm 30mm 最鄦大載重2KG 3KG
1KG 2KG 定時時間3 ~ 60 分鐘 or 連續 3 ~ 60 分鐘 or 連續 3 ~ 60分鐘 or
連續 3 ~ 60 分鐘 or 連續 儀器重量2.4KG 2.7KG 8.2KG 2.5KG
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參考文尠獻
參考文尠獻
一 國 立岷 羅 東 高 工 - 溫 度 感 測釱 器 AD590 之 分 析 與 應 用岦 - 網 址 :
http://www.shs.edu.tw/works/essay/2010/11/2010111511481335.pdf
二 遠東科技大學-AD590溫度感測釱製作-網址:
http://www.feu.edu.tw/adms/aao/aao95/jfeu/19/%E9%81%A0%E6%9D%B1
%E5%AD%B8%E5%A0%B1%E5%8D%81%E4%B9%9D%E6%9C%9F69
0.pdf
三 楊明豐編(編著)。8051入門輕鬆學(碁峯資訊股份峏有限公司屫,台屲北屙,
民岙94)
四屶 高英工商電機電子群教材編輯小組(編著) 。單酀晶醰片尴微電腦實習
五 國立岷新營高級工業職業學校-單酀晶醰片尴8051基礎-網址:
http://tw.wrs.yahoo.com/_ylt=A3TWBYovgVdNViQA9bxr1gt.;_ylu=X3o
DMTE2cjhzM2l2BHNlYwNzcgRwb3MDNARjb2xvA3RwMgR2dGlkA1
ZJUFRXMDJfMzQ2/SIG=1598ssqsr/EXP=1297666735/**http%3a//www.
hyivs.tnc.edu.tw/top1/%25B3%25E6%25B4%25B9%25A4%25F98051%2
5B0%25F2%25C2%25A6/CH1%25B7L%25B9q%25B8%25A3%25B5w
%25C5%25E9%25B5%25B2%25BAc.ppt
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