微型温度测量的数字化方案

微型温度测量的数字化方案（精选3篇）

微型温度测量的数字化方案 篇1

摘要：在各种传感器的设计中，温度是影响其性能指标的一个重要因素。在对体积限制很严格的条件下，解决了硅微加速度计设计中的内部温度测量问题。主要讨论了内嵌于加速度计的微型数字温度传感器DS18B20U的功能特点和使用要点，并且介绍了“一线”网关的硬件及软件设计。此项技术已有后续的软件开发实例。

关键词：数字温度传感器DS18B20U“一线”总线网关

随着技术的发展，各种惯性器件的性能在不断提高，体积也在不断小型化。对于惯性器件(如加速度计、陀螺)性能的提高，温度补偿作为一种重要的修正方式越来越引起人们的注意，因此如何在惯性器件极小的空间内精确地测量、传输、处理温度信息，成了能否使其性能和体积优势进一步提高的关键问题。

1DS18B20U和“一线”总线

在研制新一代的微型MMS加速度计时，温度测量的难题以一次摆在人们的面前。在3～4cm3的空间内放置一个传统的SO-8或TO-92封装的器件都显得拥挤，更何况还要旋转一个非主要功能的温度传感器了。

纵观国际上现有的温度传感器的变化，总的趋势是从模拟向数字转变，相应的体积也在不断减小。在体积非常苛刻的惯性器件中使用高精度、数字输出型的温度传感器，MAXIM公司的DS18B20U最为符合要求。DS1820U是DS18B20系列产品中的一种。与以往模拟温度信号的输出不同，DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线(1-Wire是被MAXIM公司收购的DALLAS公司新拥有的一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线;每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线)这种独特的方式，使多个DS18B20U方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。

DS18B20真正令人惊奇的是其μSOP封装，这种封装只有3.0mm×6.4mm的水平尺寸，高度小于1.2mm。这样可以节省更多的印刷电路板空间，非常适合于集成度高、对尺寸要求严格的惯性器件电路。因此在本加速度计的狭窄空间中使用，它是最为合适的内嵌式温度传感器件。

DS18B20温度传感器的主要性能指标为：

*“一线”总线接口令需一个端口进行通讯。

*简单的多点分布应用。

*可通过数据线供电。

*测温范围为-55～+125℃，在-10～+85℃的范围内，精度为±0.5℃。

*温度以9～12位数字量读出，分辨率为0.0625℃。

*U型产品采用超小型的μSOP封装，大大减小了体积。

以下介绍DS18B20U的一些使用要点，更详细的信息可以参考MAXIM公司网站提供的DS18B20的Datasheet(英文版)。

1.1DS18B20U的温度测量时间

DS18B20U作为温度传感器。

1.2DS18B20U的“一线”总线标识序号

每一个DS18B20U都有一个唯一的64位的“一线”总线标识序号，存放在DS18B20U的内部ROM(只读存储器)中。开始8位是产品类型编码(DS18B20编码均为28H)，接着的48位是每个器件的唯一序号，最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。

1.3DS18B20U的温度数据表示格式

DS18B20U中有用于存储测得温度值的两个8位寄存器，它们存储的温度数据由两个字节组成，分别为LSByte(低字节)和MSByte(高字节)，MSByte的高5位存放温度值的符号，如果温度为负(℃)，则MSByte的高5位全为1，否则全为0。LSByte的8位和MSByte的低3位用于存放温度值的补码，LSB(最低位)为0.0625℃。将寄存器中的二进制数求补，就得到了被测温度值(-55℃～+125℃)。

1.4DS18B20U的供电方式

DS18B20可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但由此带来的缺点是完成温度测量的时间较长;而采取外部供电方式则多用一根导

线，但测量速度较快。注意：采用超小型μSOP封装的DS18B20U不适合使用数据总线供电方式。

1.5DS18B20U的多路同步测量

每一片DS18B20在其ROM中都存在唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。

如图1所示，当主机需要对众多在线DS18B20中的某一个进行操作时，首先发出匹配ROM命令(命令代号55h)，紧接着主机提供64位序列号(包括该DS18B20的48位序列号)，之后的操作就是针对该DS18B20的。但是DS18B20的命令中允许对所有在线节点进行统一操作，利用的是跳过ROM命令(命令代号CCh)。而所谓路过ROM命令即可：之后的操作是面对总线上所有DS18B20的。命令序列先跳过ROM，启动总线上所有DS18B20进行温度测量，然后通过匹配ROM再逐一地读回每个DS18B20的温度数据。这种方式使采集的温度数据具有很好的同步性，而且节省时间。

2“一线”网关的硬件设计

为了收集DS18B20U器件采集的温度信息，需要控制挂接在“一线”总线网络上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一线”网关。“一线”网关的主要功能就是面对试验人员，把“一线”总线上的DS18B20U的信息转换成异步串口232接口中的信息，这相当于两种类型网络之间的网关，因此叫做“一线”网关。“一线”网关由一个功能强大的8位单片机P89C668组合各种外围芯片构成，各模块之间的关系如图2所示。下面介绍其设计重点。

2.1宽的工作温度范围

为了不仅能够通过“一线”总线采集温度信息，而且能够在工作现场或试验现场可靠工作，需要系统至少能勉够在80℃以上的高温环境下可靠工作，因此在设计时应对工作温度范围予以重视。

2.2强的抗外界电磁干扰性能

工作在现场环境下，总是面对比较强烈的电磁干扰，因而需要采取更有效的措施。

首先，在外部供电的输入接口应加入二极管桥依据电路，防止在一些特殊条件下出现的电流逆向问题，同时也使得内外电路的地线隔离，起到抗干扰作用。

由于系统需要和外部设备进行串口通讯，而232串口的电气接口需要地线作为参考电平(因为外设系统带来的电磁干扰可能通过相连地线传入系统，引起工作异常)，因此必须使用完全光耦隔离的方法来提高抗干扰能力。采用光耦隔离器件可抑制电磁干扰，保护系统电路不受网络影响。串口的二线式通讯需要两个光耦节点，节点两侧需有独立的供电电源。光耦器件应该选择高速类型。例如TLP113，以满足在最高通讯速率(115200bps)下的电气性能。电路中还应采用隔离型DC/DC模块向串口收发器电路供电。

2.3小的`系统体积

设备的小型化是每一个项目所追求的目标之一。为了使得设备便于携带、使用方便，在设计的初期就决定使用I2C等串行接口方式，而不使用速度虽然很快，但是却占用大量PCB面积、连接线路以及IC管脚的并口方式。简单的串行接口可以挂接多种不同功能的芯片。因此系统的主芯片选用了具有I2C接口的Philips公司生产的P89C668单片机。其内带64KBFlash存储器/8KBRAM存储器，Flash存储器既可以并行编程又可以串行在系统编程(ISP)，还可以程序自我编程(IAP)。由于时钟周期为6个时钟，因此速度是传统51结构的两倍。

大量使用串行接口不仅获得了很小的体积，也使得电路的电气连接简单明了。

3“一线”网关的软件设计

由于使用了单片机构成嵌入式系统，因此在完成硬件设计后，需要编制相应的程序在单处机系统中运行，这样才能最终完成“一线”网关的设计。由于采用的单片机是与51系列兼容的P89C668，所以使用流行的C51语言编译软件KeilCV7.07a编制程序。

系统的核心任务是通过“一线”总线采集总线上的温度传感器数据并转发至串口，特点如下：

(1)利用DS18B20的总线特点，同步所有温度采集节点的采集过程。

在一线总线上发送同步采集指令，可以使系统在同一时刻采集到各个温度测量点的温度数据，而避免“一线”总线本身通讯速率低的难题，而且也不用关心总线上挂接传感器的具体数量。流程图如图3所示。

(2)利用EEPROM保存采集节点的历史温度数据，允许脱机运行。

系统自带的EEPROM是掉电数据保存的可靠方式。8K的存储空量和快速的区域写入方式足以实时保存现场采集的测量数据和相应的时间序列信息。

(3)联机运行时间步采集数据，通过串口上传PC机。

在一般的应用方式下，系统通过串口连接现场的PC机或其它上位设备，通过通讯接收上位机的指令，并进行数据采集、保存和传输。这种工作方式即“一线”总线温度传感器网关的原始设计理念。

(4)联机运行时保存的历史数据通过串口上传PC机。

由于系统可以保存脱机时采集的温度数据，因此可以在联机工作时接收命令，通过串口把保存在EEPROM中的历史数据上传至上位机，方便了数据的转移、备份和分析。

所以，上位机可以是最普通的PC机(至少具有一个标准232串口)，也可以是具有串行232接口的嵌入式系统。

微型温度测量的数字化方案 篇2

微型热电偶具有测温范围宽、响应快、体积小、适合点温测量的优点, 在医学激光烧蚀、激光切割以及高频电刀手术过程中的生物组织热损伤研究中, 可作为首选温度传感器来跟踪组织内部的温度, 校正数值模型模拟结果[1～3]。根据光热效应研究的特点, 需要了解激光照射下组织温度的空间和时间分布情况, 一般的温度测量仪表不能达到存储、分析和比对温度数据的要求, 而采用计算机采集数据[4～7], 实现软件在冷端补偿和非线性校正, 简化模拟电路的设计。本文采用集成温度传感器AD590测得冷端温度, 再用计算方法进行热电偶冷端补偿, 该方法电路简单、测量精度高。在600℃时热电偶的非线性误差高达6℃ (1%) , 所以, 非线性校正是大范围温度测量所必须的[8], 一般的非线性校正方法是采用平方电路 (如AD538) 进行[9], 本文采用的在线采集系统非线性校正无需准确调节放大器的增益, 只需准确获取放大倍数, 以便软件进行数据的还原和计算, 即可进行非线性误差的校正。

1 热电偶测温原理

热电偶测温利用的是塞贝克效应, 它是一种热电效应:2种不同成分的导体A和B连接在一起形成一个闭合回路, 当2个接点的温度不同时 (分别为T和T0, 并有T>T0) , 在回路中就产生电动势EAB, 该电势是温差的函数:

式 (1) 中, αs称为塞贝克系数, 只要测出热电势的大小就可间接知道测量端温度。这里存在2个问题: (1) 热电偶分度表中给出的热电势均是以参比端温度为0℃时的值, 而一般的应用都无法将参比端固定在0℃, 所以必须对参比端温度进行补偿。根据热电偶中间温度定律:

因此, 分别知道热电偶相对于参比端温度热电势EAB (T, T0) 和参比端温度相对于0℃热电势EAB (T, 0) , 就可求得测量端相对于0℃热电势EAB (T, 0) , 从而获得温度T。

(2) 塞贝克系数一般不是常数, 使得热电势与温差只是近线性关系, 所以获得热电势后, 还要进行非线性校正才可消除非线性误差。在许多热电偶的温度测量仪表中都采用AD538平方电路进行非线性校正, 这样的校正要以冷端温度补偿为前提, 使得电路调节很复杂。计算机采集系统中计算测量温度的公式本身具有线性化效果, 也使冷端补偿电路与测量电路分离, 简化电路调节, 避免相互干扰。

2 系统原理

该系统主要由4部分组成:热电偶测温电路、冷端补偿电路、开关电路和计算机系统 (见图1) 。

该系统采用K型铠装热电偶 (WRNK.1105, 天津中环温度仪表厂) , 外径为0.5mm, 测温范围为0～600℃, 响应时间<0.2s。n路通道选择由模拟开关CD4067实现, 并由计算机控制。放大器A1-A3均采用低失调电压、低噪声、低温漂的OP-07, 适合于热电偶超低电压的检测, 具有高输入阻抗、高共模抑制比CMRR、低噪声、低漂移等特点。放大器A1作差动前置放大器, A2作二级放大, 将输出调节到适当的电压范围。冷端与集成温度传感器AD590尽量靠近。冷端与电路板之间由导线连接, AD590输出电流信号, 所以信号可进行远距离地传输, AD590电流-电压转换在电路板上进行, 并通过A3作增益调节, 2路信号都分别进行低通滤波和A/D转换。计算机接口和采集控制由计算机程序完成。热电偶的灵敏度为41μV/℃, ±0.1℃的检测精度要求电路达到4μV左右的响应精度, 属于微弱信号检测。

本设计中模拟电源为±12V, 数字电压为0～10V, 从0～600℃测量端信号电压约为0~24m V, 总放大倍数<416.67, 所以选A1为8, A2为50。输出为:

温度补偿电路采用集成温度传感器AD590, 用于热电偶冷端的计算法补偿, AD590为标准的线性电流输出1μA/K, ±0.5℃校准误差, 线性度±0.3℃, 工作电源电压范围+4~+30V, 测温范围为-55～+150℃, 适于感受冷端环境温度变化, 输出电流是以绝对零度为起点, 温度为0℃时为273.2μA。本设计从软件消除该电流值, 电流-电压转换电路简单, 而一般的设计要从电路消除273.2μA影响, 电路设计较复杂, 调试不方便[9]。输出电压值为:

T0为环境温度, 范围在0～50℃, 如果R选择为10K, 满度为10V, 则放大倍数A3<3.094, 故选择A3=3.0。

RC低通滤波器截止频率为33.863Hz, 则可滤除50Hz工频干扰以及其他高频噪声。

开关电路设计是基于单脉冲快速激光实验要求, 可准确确定激光开始作用时间, 便于与数据采集取得同步, 开始和结束的触发信号由光电开关产生。

K型热电偶的实测温度近似表达式为[2]:

其中, T对应温度测量值 (℃) , VIN由式 (3) 计算, 单位为m V, 热电偶冷端温度T0由式 (4) 计算。

计算机系统的软件部分除数据采集控制, 还有数据的处理, 包括冷端补偿和非线性校正。其流程图 (见图2) 。

热电偶的热电势与温度之间为非线性关系, 温度在0～600℃之间, 最大的非线性误差为1%。式 (5) 包括非线性校正, 例如, 当温度为300℃, 热电势为12.207m V, 根据式 (3) , 可得VOUT=299.16℃;600℃时, 热电势为24.902m V, 可得VOUT=600.12℃, 可见温度与输出电压较处理前呈良好的线性关系 (见图3) 。

实线:线性计算时的误差;虚线:非线性化处理后的误差

3 实验结果

将该系统用于采集水从室温加热到沸腾的温度 (26～98℃) , 采样频率为10Hz, 将同时采集的水银温度计读数作为标准数据TR (精度为0.2℃) , 记录热偶测得的温度T及误差ER。为简便起见, 选取其中每隔5℃的部分数据作为示例 (见表1) 。

单位:℃

图4a显示采样结果, 图4b显示数据的误差, 其中水银温度计所得数值用实线表示, 热电偶所得数据用虚线表示, 由于温度随时间上升并非线性, 所以横坐标用每上升1℃的计数表示 (1～73) , 可看出图4a中2条曲线基本重合。

a.采样结果;b.数据误差

从图4可以看出在26～98℃范围内, |ER|<0.7℃, ER从负变到正, 实验测量结果符合图3中理论预测的变化规律, 但是除热电势计算本身具有的误差之外, 结果中的误差还包括由于水银温度计的读数、响应迟滞、温度不均匀分布等引起的误差。

4 结束语

采用高精度的集成温度传感器器AD590作冷端补偿, 提高测量精度, 数值计算的冷端补偿和非线性校正技术简化模拟电路的设计和调节, 计算机温度采集系统适合于既要求高精度测量又要求数据存储、比较和分析的激光与组织光热效应理论研究。实验结果在26～98℃范围内符合理论分析结果, 但是还需进一步作全程 (0～600℃) 的校正和实验, 比如采用加热甘油或其他可产生标准温度变化的装置进行实验。水银温度计的精度为0.2℃, 应选择精度更高的温度传感器如热敏电阻测量值作为标准温度。

参考文献

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[3]赵友全, 范世福, 李小霞, 生物组织光热传输和热损伤的研究.中国激光, 2004, 31 (5) :631-634

[4]J Shah, S Park, S Aglyamov, et al.Photoacoustic imaging and temperature measurement for photothermal cancer therapy[J].Journal of Biomedical Optics, 2008, 13 (3) :1-9

[5]牛燕雄, 陈燕, 唐芳, 多脉冲激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究[J].光电子.激光, 2009, 20 (1) :137-142

[6]Fulvio Ratto, Paolo Matteini, Francesca Rossi.Photothermal effects in connective tissues mediated by laser-activated gold nanorods[J].Biology and Medicine, 2009, 5 (2) :143-151

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[8]罗四维, 传感器应用电路详解[M].北京:电子工业出版社, 1993

微型温度测量的数字化方案 篇3

【关键词】温度传感器；无线数传；单片机

随着集成电路技术的发展，单片机的应用已经十分广泛，价格也下降到能够被大多数人接受的范围。使用单片机配合数字温度传感器可以实现温度的实时采集，而且使用SPI通讯协议可以实现与nRF905无线数传模块的通讯，并通过1602液晶显示器将无线传输的结果显示到用户的终端中，从而实现温度数据的无线测量与传输功能。

1.系统设计构想与结构

温度的测量是最常见的应用之一，本文通过设计一个无线温度测量数字传输系统，能够让用户在传统的测温技术的基础上解决温度传感器线缆布线难度大、不美观以及长距离传输误差较大的难题，让远距离的温度测量成为一个可行的解决方案。

1.1无线温度传输系统的结构

无线温度传输系统主要由发射终端和接收终端两部分组成。发射终端主要有控制芯片、温度传感器、无线数传模块组成，主要的作用通过控制温度传感器来获得远程站点的温度，并通过无线数传方式发射出去；接收终端主要有控制芯片、显示器件以及无线数传模块等组成，主要是用于接收远程站点用无线数传方式发射过来的数据包，经过分析后获得远程站点的温度并显示出来。

1.2技术难点及方案选择

1.2.1采集温度的方式的选择

DS18B20数字温度传感器是一种基于单总线传输协议的温度传感器，它只需要一个元件就能够实现温度的测量，而且得益于采用了单总线协议，这款温度传感器占用的单片机I/O接口只有一个，极大地节省了单片机的端口资源，提高了系统的扩展性能。因此，本设计采用DS18B20数字温度传感器作为温度采集的手段。

1.2.2数据无线发送和接收方法的选择

常见的无线数传模块有433MHz和2.4GHz等频段，其中2.4GHz的频段能做到的数据传输带宽较高，但传输距离非常短，若不配备价格较高的高增益性，传输距离往往只有几十米甚至是十几米，而信号穿越障碍的能力也不好，难以在建筑物密集的区域使用。而433MHz的频段虽然数据传输带宽没有2.4GHz的频段高，但是传输距离和信号穿越障碍的能力比2.4GHz的频段好很多，因此十分适合使用在温度数据的无线传输用途上。因此，本设计使用433MHz频段的nRF905无线数传模块作为无线数据传输的方案。

1.2.3温度显示的选择

本设计的接收终端在接收到远程站点发送回来的温度数据后，最终要将它显示出来。至于具体选用哪一种方式，需要考虑到设计的实际需求。本设计既要降低显示器件的功耗，以尽量节能电能，又要考虑到各种功能的显示需求。

至于液晶显示器，则是一种节能型的显示器件，本设计使用字符型的1602液晶显示器作为显示器件，它可以显示英文、数字等字符，而且功耗低，适合本设计使用。

2.硬件部分设计

2.1单片机最小系统设计

2.1.1电源电路设计

本设计使用了5V的开关电源或电脑USB接口进行供电，因此在电源部分上结构不太复杂。

2.1.2时钟电路设计

至于晶体振荡器电路则是向系统提供标准的时钟震荡信号，以让系统产生节奏从而执行各种指令。

2.1.3复位电路设计

本系统使用STC89C52RC单片机作为控制核心，该款单片机实际上跟AT89C52单片机是完全兼容的，因此控制连接电路设计也可以直接参考传统的51单片机。

2.2 nRF905无线数传模块电路设计

单片机的工作电压为5V，本次设计提供的电源也为5V，而射频芯片nRF905的工作电压在3.3V到3.6V之间，因此必須要进行电压转换，需要用一个电压转换芯片AMS1117—3.3。

2.3报警电路设计

本设计使用有源蜂鸣器实现报警效果。

2.4按键电路设计

对单片机系统而言，实现按键功能主要就是将单片机的某个I/O端口与高电平或低电平连接在一起，如在下面的电路中，使用按键的一端接单片机的I/O口，而按键的另一端接GND即电源的负极，在系统中电源的负极即相当于低电平，所以在按下按键后单片机的相应I/O端口的电平即会被拉到低电平，只需要在后面的程序编写中读取该I/O端口的电平状态，从而判断按键当前的状态到底是按下还是抬起。

3.软件部分设计

3.1系统总体软件设计

对发射板来说，总体的软件设计主要包括了温度的采集、数据包的处理以及无线发送这几个部分。

而对接收板的软件来说，承担了显示、报警处理等职责，因此总体软件设计要稍微复杂一点。

3.2系统各部分模块软件设计

3.2.1温度传感器软件设计

主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。ROM指令与硬件相关，表示单片机对一个或者多个DS18B20元件进行寻址，或者读取其中某个DS18B20器件的地址，而RAM指令用于单片机对DS18B20内部随机存储器RAM的操作。

3.2.2 nRF905无线数传模块软件设计

3.2.3液晶显示软件设计