第8章(4)溫度傳感器

第8章溫度傳感器

第一節(jié)概論

第二節(jié)熱電偶溫度傳感器第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器

第四節(jié)IC溫度傳感器第五節(jié)其他溫度傳感器設(shè)計原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。優(yōu)點(diǎn)：輸出線性好、測量精度高,傳感驅(qū)動電路、信號處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價格便宜,故在測溫技術(shù)中越來越得到廣泛應(yīng)用。

本節(jié)簡要介紹IC溫度傳感器的類型、基本原理、主要特性及其應(yīng)用等有關(guān)問題。一、IC溫度傳感器的分類

電壓型IC溫度傳感器電流型IC溫度傳感器數(shù)字輸出型IC溫度傳感器一、IC溫度傳感器的分類

電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(zhǔn)電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV／℃；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強(qiáng)。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。一、IC溫度傳感器的分類

電流型IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1μA/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達(dá)10MΩ。這為遠(yuǎn)距離傳輸深井測溫提供了一種新型器件。

電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會給電路的調(diào)整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來測量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。IC溫度傳感器就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性，經(jīng)過精心設(shè)計而制造出來的集成化線性較好的溫度傳感器件。利用電流I與Tk的正比關(guān)系，通過電流的變化來測量溫度的大小。二、IC溫度傳感器的測溫原理（一）電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度傳感器，它有四個引腳，三種連線方式：

(a)正電源供電輸出AN6701(a)1243RC5~15V三、IC溫度傳感器的主要特性（一）電壓輸出型集成溫度傳感器(b)負(fù)電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來調(diào)整25℃下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范圍內(nèi)。這時靈敏度可達(dá)109~110mV/℃，在-10~80℃范圍內(nèi)基本誤差不±1℃。AN6701輸出(c)10kΩRC31245~15V

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩ輸出AN6701(b)213輸出4－5~－15VRC三、IC溫度傳感器的主要特性輸出電壓/V024681012－20020406080RC=100kΩRC=10kΩRC=1kΩ溫度/oCAN6701S的輸入特性在-10~80℃范圍內(nèi)，RC的值與輸出特性的關(guān)系如下圖。AN6701S有很好的線性，非線性誤差不超過0.5%。若在25℃時借助RC將輸出電壓調(diào)整到5V，則RC的值約在3~30kΩ間，相應(yīng)的靈敏度為109~110mV/℃。校準(zhǔn)后，在-10~80℃范圍內(nèi)，基本誤差不超過±1℃。這種集成傳感器在靜止空氣中的時間常數(shù)為24s，在流動空氣中為11s。電源電壓在5~15V間變化，所引起的測溫誤差一般不超過±2℃。整個集成電路的電流值一般為0.4mA，最大不超過0.8mA（RL=∞時）。（二）電流型溫度傳感器AD590簡介:AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：

1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。2、AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃。

3、AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V~6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。（二）電流型溫度傳感器4、輸出電阻為710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0℃時輸出為0，溫度25℃時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K。（二）電流型溫度傳感器1．伏安特性工作電壓：4V～30V，I為一恒流值輸出，I∝Tk，即KT——標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1μA/℃I=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲線-55℃+25℃+150℃218298423－550150273.2μAI/μATC/oCAD590溫度特性曲線2．溫度特性其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項式之和，省略非線性項后則有:Tc——攝氏溫度；I的單位為μA。

可見，當(dāng)溫度為0℃時，輸出電流為273.2μA。在常溫25℃時，標(biāo)定輸出電流為298.2μA。I=KT·Tc＋273.23．AD590的非線性150－55△T/oC0.3－0.30在實際應(yīng)用中，ΔT通過硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償校正，使測溫精度達(dá)±0.1℃。其次，AD590恒流輸出，具有較好的抗干擾抑制比和高輸出阻抗。當(dāng)電源電壓由＋5V向＋10V變化時，其電流變化僅為0.2μA/V。長時間漂移最大為±0.1℃，反向基極漏電流小于10pA。–55℃～100℃，ΔT遞增，100℃～150℃則是遞降。ΔT最大可達(dá)±3℃，最小ΔT＜0.3℃，按檔級分等。T/oCAD590非線性誤差曲線美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號，所以在一條總線上可掛接任意多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根口線（單總線接口）。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。（三）數(shù)字輸出型IC溫度傳感器

１、DS1820的特性

單線接口：僅需一根口線與MCU連接；

無需外圍元件；

由總線提供電源；

測溫范圍為-55℃～125℃，精度為0.5℃；

九位溫度讀數(shù)；

A/D變換時間為200ms；

用戶可以任意設(shè)置溫度上、下限報警值，且能夠識別具體報警傳感器。

DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封裝

DS1820的管腳排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封裝NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引腳及功能

GND：地；

VDD：電源電壓

I/O：數(shù)據(jù)輸入／輸出腳(單線接口，可作寄生供電)

3、DS1820的工作原理

圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器等七部分。存儲器控制邏輯64bitROM和單線接口電源檢測溫度傳感器高溫觸發(fā)器低溫觸發(fā)器8位CRC觸發(fā)器存儲器DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖寄生電源由兩個二極管和寄生電容組成。電源檢測電路用于判定供電方式。寄生電源供電時,電源端接地，器件從總線上獲取電源。在I/O線呈低電平時，改由寄生電容上的電壓繼續(xù)向器件供電。寄生電源兩個優(yōu)點(diǎn)：檢測遠(yuǎn)程溫度時無需本地電源；缺少正常電源時也能讀ROM。若采用外部電源,則通過二極管向器件供電。(1)寄生電源DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當(dāng)計數(shù)門打開時，DS1820對f0計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以補(bǔ)償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號點(diǎn)1位），但因符號位擴(kuò)展成高8位，故以16位補(bǔ)碼形式讀出，表給出了DS1820溫度和數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系。溫度/℃輸出的二進(jìn)制碼對應(yīng)的十六進(jìn)制碼+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820溫度與數(shù)字量對應(yīng)關(guān)系表

溫度測量電路斜率累加器計數(shù)器1計數(shù)器2低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振=0=0預(yù)置溫度寄存器預(yù)置比較停止置位/清零加1(2)溫度測量原理DS1820測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)，如圖。64位ROM的結(jié)構(gòu)如下：

開始8位是產(chǎn)品類型的編號（DS1820為10H），接著是每個器件的唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS1820可以采用一線進(jìn)行通信的原因。主機(jī)操作ROM的命令有五種，如表所列指

令說

明讀ROM（33H）讀DS1820的序列號匹配ROM（55H）繼讀完64位序列號的一個命令，用于多個DS1820時定位跳過ROM（CCH）此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有DS1820搜ROM（F0H）識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準(zhǔn)備報警搜索（ECH）僅溫度越限的器件對此命令作出響應(yīng)(3)64位激光ROM由便箋式RAM和非易失性電擦寫EERAM組成，后者用于存儲TH、TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給EERAM。便箋式RAM占9個字節(jié)，包括溫度信息（第1、2字節(jié)）、TH和TL值（3、4字節(jié)）、計數(shù)寄存器（7、8字節(jié)）、CRC（第9字節(jié)）等，第5、6字節(jié)不用。暫存器的命令共6條，見表3.4-3所列。在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨力為0.5℃，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測實際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值Cs和每度計數(shù)值CD。考慮到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實際溫度Ts可用下式計算：Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD(4)高速暫存器

DS1820存貯控制命令指

令說

明溫度轉(zhuǎn)換（44H）啟動在線DS1820做溫度A/D轉(zhuǎn)換讀數(shù)據(jù)（BEH）從高速暫存器讀9bits溫度值和CRC值寫數(shù)據(jù)（4EH）將數(shù)據(jù)寫入高速暫存器的第0和第1字節(jié)中復(fù)制（48H）將高速暫存器中第2和第3字節(jié)復(fù)制到EERAM讀EERAM（B8H）將EERAM內(nèi)容寫入高速暫存器中第2和第3字節(jié)讀電源供電方式（B4H）了解DS1820的供電方式

DS1820單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS1820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。DS1820工作工程中的協(xié)議：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令、處理數(shù)據(jù)。４溫度檢測系統(tǒng)原理

由于單線數(shù)字溫度傳感器DS1820具有在一條總線上可同時掛接多片的顯著特點(diǎn)，可同時測量多點(diǎn)的溫度，而且DS1820的連接線可以很長，抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離測量，因而得到了廣泛應(yīng)用。

采用寄生電容供電的溫度檢測系統(tǒng)

89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作輸出口用，相當(dāng)于TxP1.2作輸入口用，相當(dāng)于Rx……89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作輸出口用，相當(dāng)于TxP1.2作輸入口用，相當(dāng)于Rx……溫度檢測系統(tǒng)原理圖如圖所示，采用寄生電源供電方式。為保證在有效的DS1820時鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，用一個MOSFET管和89C51的一個I/O口（P1.0）來完成對DS1820總線的上拉。當(dāng)DS1820處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時間最大為10μs。采用寄生電源供電方式時VDD必須接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，為了操作方便我們用89C51的P1.1口作發(fā)送口Tx，P1.2口作接收口Rx。此種方法可掛接DS1820數(shù)十片，距離可達(dá)到５０米，而用一個口時僅能掛接10片DS1820，距離僅為20米。同時，由于讀寫在操作上是分開的，故不存在信號競爭問題。89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作輸出口用，相當(dāng)于TxP1.2作輸入口用，相當(dāng)于Rx……

DS1820采用了一種單線總線系統(tǒng)，即可用一根線連接主從器件，DS1820作為從屬器件，主控器件一般為微處理器。單線總線僅由一根線組成，與總線相連的器件應(yīng)具有漏極開路或三態(tài)輸出，以保證有足夠負(fù)載能力驅(qū)動該總線。DS1820的I/O端是開漏輸出的，單線總線要求加一只5kΩ左右的上拉電阻。

應(yīng)特別注意：當(dāng)總線上DS1820掛接得比較多時，就要減小上拉電阻的阻值，否則總線拉不成高電平，讀出的數(shù)據(jù)全是0。在測試時，上拉電阻可以換成一個電位器，通過調(diào)整電位器可以使讀出的數(shù)據(jù)正確，當(dāng)總線上有8片DS1820時，電位器調(diào)到阻值為1.25kΩ時就能讀出正確數(shù)據(jù)，在實際應(yīng)用時可根據(jù)具體的傳感器數(shù)量來選擇合適的上拉電阻。

四、IC溫度傳感器的應(yīng)用AD590測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。由于AD590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。N點(diǎn)最低溫度值的測量

將不同測溫點(diǎn)上的數(shù)個AD590相串聯(lián)，可測出所有測量點(diǎn)上的溫度最低值。該方法可應(yīng)用于測量多點(diǎn)最低溫度的場合。

N點(diǎn)溫度平均值的測量

把N個AD590并聯(lián)起來，將電流求和后取平均，則可求出平均溫度。該方法適用于需要多點(diǎn)平均溫度但不需要各點(diǎn)具體溫度的場合。AD590應(yīng)用（一）深井長傳輸線的攝氏溫度測量在實際中，可使用AD590進(jìn)行深井長線傳輸側(cè)溫，并能對測溫曲線的非線性誤差進(jìn)行校正。用AD590為測溫傳感器，傳輸電纜可達(dá)1000m以上，主要是因AD590本身具有恒流、高阻抗輸出特性，輸出阻抗達(dá)10MΩ。1000m的銅質(zhì)電纜。其直流阻值約為150Ω。所以電纜的影響是微乎其微的。實驗證明，接入1000m電纜后的測量值與不接入電纜的側(cè)量值。相差值小于0.1℃。這一變化值是在規(guī)定的測溫精度范圍內(nèi)的。長線傳輸攝氏溫度測量的典型電路如圖。由圖可得設(shè)RT=1k，KT為標(biāo)定因子(1μA/K)，則U1=1mV/K·Tk因BG1為1.25V穩(wěn)壓管，經(jīng)R2,WT分壓,取U2=273.2mV放大倍數(shù)A=10；于是有:

～－+U0ABG1R1R2U2WrRrI1+E9VU1當(dāng)t=–55℃時，U0=–550mV；當(dāng)t=＋150℃時，U0=＋1500mV。此電路只要BG1的運(yùn)放漂移小，性能穩(wěn)定，RT取0.l％精密電阻，加上對AD590的自身非線性補(bǔ)償后，測溫精度在測溫范圍內(nèi)可達(dá)0.1℃。對于標(biāo)定因子KT的離散性，可通過調(diào)節(jié)WT來調(diào)整，WT為多圈線精密電位器。U0=(U1-U2)A=1mV·Tc·A=10mV/℃·Tc攝氏TC－V轉(zhuǎn)換公式（二）測溫曲線的非線性誤差校正.

在實際測溫曲線中,若沒有通過校正,曲線如圖，0℃～100℃溫域曲線是上升的，原因是AD590本身的非線性所致，在–55℃～＋100℃時ΔT是遞增的；在100℃～+150℃的ΔT是遞降的，即ΔU0/ΔT=F(≤1)。式中的F為測溫電路的標(biāo)定因子。

80oC100oCTC標(biāo)準(zhǔn)值T測量值0測量誤差曲線N1為固定值，V標(biāo)是反向積分時所加的標(biāo)準(zhǔn)電壓,實際上N1/V標(biāo)為一常數(shù)，故該公式為N2-V輸入間的線性關(guān)系式。如果由AD590的非線性產(chǎn)生的V輸入值偏高，要使N2保