监控温度传感器

监控温度传感器（共11篇）

监控温度传感器 篇1

1 飞机刹车温度监控系统概述

飞机刹车温度监控系统由4个K型温度传感器, 将温度值转换为微弱的电压值。再由两个刹车监控组件, 补偿热电偶冷端的同时, 将来自温度传感器的微弱电压放大, 并发送电压数据至刹车/转弯控制组件 (BSCU) , 刹车/转弯控制组件 (BSCU) 将来自刹车监控组件的电压信号改变为ARINC429信号, 并将这些数据和BRAKE HOT警告送到ECAM DU。

2 刹车温度传感器概述

刹车温度传感器工作原理实质就是热电偶工作原理, 它由外壳 (Housing Assembly) 和连接器 (Connector) 组成, 大致外观图如图1所示;探针附在外壳和两根导线压接的引脚上, 通过它自动检测碳刹车片温度, 提供一个在刹车制动时与热量释放变化相关的电信号;即是说, 当炭刹车被操作时释放热量导致探头温度上升, 温度升高在镍铝-镍铬合金结合处引起“塞贝克效应”———Seebeck热电势。

塞贝克 (Seeback) 效应, 又称作第一热电效应, 它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。 (见图1)

在刹车温度传感器连接器 (Connector) 左侧面提供了3只引脚, 根据CMM手册“描述与操作 (DESCRIPTION AND OPERATION) ”章节得知分为A、B、C命名;其中“A”脚为镍铝合金、“B”脚为黄铜 (在此没有用到) 、“C”脚为镍铬合金;因此该热电偶为镍铝合金和镍铬合金的热电偶, 即K型热电偶。K型热电偶具有线性度好, 测量范围光, 热电动势较大, 灵敏度高, 稳定性和均匀性较好, 抗氧化性能强, 价格便宜等优点。

3 刹车温度传感器的主要性能测试

两种不同的导体 (或半导体) 组成一个闭合回路, 在闭合回路中, A、B导体称为热电极。将两个接点分别置于温度为T和T0的热源中, T端结点称为工作端或热端;T0端结点称为冷端或自由端。两种导体接触时, 自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散, 在接触处失去电子的一侧带正电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触电势。同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量而跑到低温端, 比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场, 该静电场阻止电子继续向低温端迁移, 最后达到动态平衡, 在导体两端便形成温差电势。

刹车温度传感器输出的电压是热端和冷端组件的电势差, 实际应用中, 热电势与温度之间关系可以通过热电偶分度表来确定的, 由此当我们可以获取A、B两端的电动势通过查询分度表便得知温度, 用得到的温度与探针端所给定的温度进行对比。 (见表1)

从分度表上我们可以看到, 当冷端为0℃时, 电势恰好为0V, 因此电压表显示的的压制即是热端的电势值, 查找分度表, 便能查到对应热端的温度, 即炭刹车片的温度。因此, 在测试过程中, 要求将冷端温度控制为0℃, 提供0V电势。实际测试过程是冷端连接一个电子冰点器, 模拟0℃是热电偶的0V电势。当使用热电偶 (T/C) 探头与电压表一起测量温度时, 微型冷端电子冰点器用作自动冷端温度补偿。

测试搭建如图2。

在CMM的测试过程中, 要求连接传感器, 电子冰点器和电压表的导线为K型导线, 即传感器的镍铝端连接导线的镍铝端, 镍铬端连接导线的镍铬端。通过测试比较, 我们还发现, 导线的长短, 不影响测试的结果。这也是K型热电偶的优点之一, 虽然输出的电势信号很微弱, 但是无论中间的传输距离多远, 测试的结果不改变。从分度表上, 我们可以看出K型热电偶的另外一个优点:线性度很好, 10度的温差, 电压的差别大概为0.4m V。

4 结束语

温度传感器广泛运用于民用和工用的各行各业, 而K型热电偶是现在运用最多的廉价金属热电偶。理解K型热电偶的工作以及测试原理, 将更有助于我们的分析故障原因, 排除测试过程中的数据误差。作者希望通过此文以达到抛砖引玉的效果, 希望各位专家给出更多的宝贵意见和见解, 对文章不足之处加以指正。

参考文献

[1]刹车温度传感器CMM维护手册[Z].

监控温度传感器 篇2

当选择一个温度传感器的时候，将不再限制在模拟输出或数字输出装置。与你系统需要相匹配的传感器类型现在又很大的选择空间。市场上供应的所有温度感应器都是模拟输出。热电阻，RTDs和热电偶是另一种输出装置，矽温度感应器。在多数的应用中，这些模拟输出装置在有效输出时需要一个比较器，ADC，或一个扩音器。因此，当更高技术的集成变成可能的时候，有数字接口的温度传感器变成现实。这些集成电路被以多种形式出售，从超过特定的温度时才有信号简单装置，到那些报告远的局部温度提供警告的装置。现在不只是在模拟输出和数字输出传感器之间选择，还有那些应该与你的系统需要相匹配的更广阔的感应器类型的选择，温度传感器的类型：

图一：传感器和集成电路制造商提供的四中温度传感器

在图一中举例说明四种温度感应器类型。一个理想模拟传感器提供一个完全线性的功能输出电压（A）。在传感器（B）的数字I/O类中，温度数据通常通过一个串行总线传给微控制器。沿着相同的总线，数据由温度传感器传到微控制器，通常设定温度界限在引脚得数字输出将下降的时候。当超过温度界限的时候，报警中断微控制器。这个类型的装置也提供风扇控制。

模拟输出温度传感器：

图2 热阻和矽温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较。

热电阻和矽温度传感器被广泛地使用在模拟输出温度感应器上。图2清楚地显示当电压和温度之间为线性关系时，矽温度传感器比热阻体好的多。在狭窄的温度范围之内，热电阻能提供合理的线性和好的敏感特性。许多构成原始电路的热电阻已经被矽温度感应器代替。

矽温度传感器有不同的输出刻度和组合。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部份提供一种组合以便温度能被单端补给得传感器检测。

在最大多数的应用中，这些装置的输出被装入一个比较器或A/D转换器，把温度数据转换成一个数字格式。这些附加的装置，热电阻和矽温度传感器继续被利用是由于在许多情况下它的成本低和使用方便。数字I/O温度传感器： 大约在五年前，一种新类型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器通信的数字接口。接口通常是12C或SMBus序列总线，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。阅读微控制器的温度报告，接口也接受来自温控制器的指令。那些指令通常是温度极限，如果超过，将中断微控制器的温度传感器集成电路上的数字信号。微控制器然后能够调整风扇速度或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制之下。

图3：设计的温度传感器可遥测处理器芯片上的p-n结温度

图4。温度传感器可检测它自己的温度和遥测四个p-n结温度。

图5。风扇控制器/温度传感器集成电路也可使用PWM或一个线性模式的控制方案。

在图4中画是一个类似的装置：而不是检测一个p-n结温度，它检测四个结和它的自己内部的温度。因此内部温度接近周围温度。周围温度的测量给出关于系统风扇是否正在适当地工作的指示。

在图5中显示，控制风扇是在遥测温度时集成电路的主要功能。这个部分的使用能在风扇控制的二个不同的模式之间选择。在PWM模式中，微处理控制风扇速度是通过改变送给风扇的信号周期者测量温度一种功能。它允许电力消耗远少于这个部分的线性模式控制所提供的。因为某些风扇在PWM信号控制它的频率下发出一种听得见的声音，这种线性模式可能是有利的，但是需要较高功率的消耗和附加的电路。额外的功耗是整个系统功耗的一小部分。

当温度超出指定界限的时候，这个集成电路提供中断微控制器的警告信号。这个被叫做过热温度的信号形式里，安全特征也被提供。如果温度升到一个危险级别的时候温控制器或软件锁上，警告信号就不再有用。然而，温度经由SMBus升高到一个水平，过热在没有微控制器被使用去控制电路。因此，在这个非逻辑控制器高温中，过热能被直接用去关闭这个系统电源，没有为控制器和阻力潜在的灾难性故障。

装置的这个数字I/O普遍使用在服务器，电池组和硬盘磁碟机上。为了增加服务器的可靠性温度在很多的位置中被检测：在主板（本质上是在底盘内部的周围温度），在处理器钢模之内，和在其它发热元件例如图形加速器和硬盘驱动器。出于安全原因电池组结合温度传感器和使其最优化已达到电池最大寿命。

检测依靠中心马达的速度和周围温度的硬盘驱动器的温度有两个号的理由：在驱动器中读取错误增加温度极限。而且硬盘的MTBF大大改善温度控制。通过测量系统里面温度，就能控制马达速度将可靠性和性能最佳化。驱动器也能被关闭。在高端系统中，警告能为系统管理员指出温度极限或数据可能丢失的状况。

图6。温度超过某一界限的时候，集成电路信号能报警和进行简单的ON/OFF风扇控制。

图7.热控制电路部分在绝对温标形式下，频率与被测温度成比例的产生方波的温度传感器

图8。这个温度传感器传送它的周期与被测温度成比例的方波，因为只发送温度数据需要一条单一线，就需要单一光绝缘体隔离信道。

模拟正温度感应器

“模拟正量”传感器通常匹配比较简单的测量应用软件。这些集成电路产生逻辑输出量来自被测温度，而且区别于数字输入/输出传感器。因为他们在一条单线上输出数据，与串行总线相对。

在一个模拟正量传感器的最简单例子中，当特定的温度被超过的时候，逻辑输出出错：其它，是当温度降到一个温度极限的时候。当其它传感器有确定的极限的时候，这些传感器中的一些允许使用电阻去校正温度极限。

在图6中，装置显示购买一个特定的内在温度极限。这三个电路举例说明这个类型装置的使用：提供警告，关闭仪器，或打开风扇。

当需要读实际温度时，微控制器是可以利用的，在单线上传送数据的传感器可能是有用的。用微处理器的内部计数器，来自于这个类型温度感应器的信号很容易地被转换成温度的测量。图7传感器输出频率与周围温度成比例的方波。在图8中的装置是相似的，但是方波周期是与周围温度成比例的。

图9。用一条公共线与8个温度传感器连接的微控制器，而且从同一条线上接收每个传感器传送的温度数据。

图9，在这条公共线上允许连接达到八个温度传感器。当微控制器的I/O端口同时关闭这根线上的所有传感器的时候，开始提取来自这些传感器的温度数据。微控制器很快地重新装载接收来的每个传感器的数据，在传感器关闭期间，数据被编码。在特定时间内每个传感器对闸口脉冲之后的时间编码。分配给每个感应器自己允许的时间范围，这样就避免冲突。

通过这个方法达到的准确性令人惊讶：0.8 是典型的室温，正好与被传送方波频率的电路相匹配，同样适用于方波周期的装置。

这些装置在有线电线应用中同样显著。举例来说，当一个温度传感器被微控制器隔离的时候，成本被保持在一个最小量，因为只需要一个光绝缘体。这些传感器在汽车制造HVAC应用中也是很有效，因为他们减少铜的损耗数量。温度传感器的发展：

集成电路温度传感器提供各式各样的功能和接口。同样地这些装置继续发展，系统设计师将会看见更多特殊应用就像传感器与系统接口连接的新方式一样。最后，在相同的钢模区域内集成更多的电子元件，芯片设计师的能力将确保温度传感器很快将会包括新的功能和特殊接口。

总结

通过这些天的查找资料，我了解了很多关于温度传感器方面的知识。我的大家都知道温度的一些基本知识，温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。利用温度所创造出来的传感器即温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。并且从资料中显示温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，在本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

这些天,我通过许多的资料了解到两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称它为“热电偶”。我查找的资料显示数据:不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。

温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可以用来测量运动物体、小目标还有热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可以用于测量温度场的温度分布。资料显示，最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体所测温度才是真实温度。如果想测定物体的真实温度，就必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取绝于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关连，因此很难精确测量。在自动化生产中我发现往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，这样才能提高有效发射系数。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即是介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。现在，我通过这些天的努力，了解了很多温度传感器及其相关的一些传感器的知识。他们在我们生活中的应用及其广泛，我们只有加紧的学习加紧的完成自己所学专业的知识，了解相关的最新信息，我们才能跟上科技前进的步伐。

参考文献：

温度传感器的设计与研究 篇3

【关键词】温度传感器；设计；研究

1.概述

随着高速铁路装备的发展，国家铁科院提出了对铁路高速动车装备的一系列标准化要求，针对机车上用的温度传感器也提出了一系列标配化要求，如对热感应元件、安装结构件，应用信号传递线缆等提出了标配化的要求，其中最关键的热感应元件主推Pt100铂热电阻。

铂的电阻/温度关系比较稳定，在较大的温度范围内其化学性质都不显著，即在较大的温度范围内，铂电阻都是比较稳定的。此外，铂电阻还具有很好的延展性，可以拔成细丝。即使在对精度、强度、可靠性、稳定性、复现性要求比较高的环境下，其物理化学性质也是满足相关要求的。正是因为如此，很多温度测量使用的是铂电阻温度传感器。但通常来说，常用的铂电阻温度传感器（Pt100）的0℃阻值为100Ω。典型的pt100温度/电阻特性曲线如图1所示。

图1 pt100温度/电阻特性曲线

2.铂电阻pt100温度传感器

铂电阻的工作原理是基于导体或半导体电阻值随着温度增加而增加的特性。把变化的电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或其它二次仪表上来判定温度变化。铂电阻温度传感器的精度比较高、稳定性比较好。正是因为如此，铂电阻温度传感器被广泛地应用于相关的领域中，尤其是在进行-200℃至850℃的温度测量中，通常我们将这个温度范围定义为中低温区。铂电阻温度传感器不仅被广泛应用于工业生产过程中，同时还被制成标准温度计，用于对其它温度传感器进行计量和校准。

铂电阻温度传感器可以分成两种类型，第一种是装配式铂电阻。装配式铂电阻通常包括四个部分，分别为外保护管、测温电阻、延长导线以及氧化镁。装配式铂电阻产品的整体外形比较小巧，内部结构也比较简单。但是装配式铂电阻具有较快的反应速度，反应比较灵敏，同时还具有防水抗震的功能；第二种是铠装铂电阻。铠装铂电阻同样是由四部分组成的。分别为电阻体、绝缘氧化镁、保护管以及引线。不过铠装铂电阻是将这四部分整体拉制而成的，而装配式铂电阻则是将其主要构件装配在一起。铠装铂电阻产品的内部结构比较复杂。但却具有灵敏性强、抗震性好、测温范围广、可弯曲的优点。铠装铂电阻温度传感器主要应用于环境温度测量、液体温度测量、冷冻冷藏温度测量以及电机轴瓦温度测量等。

3.测量温度原理与主要误差分析

本文中设计的温度传感器属于热电阻式温度传感器。热电阻式温度传感器进行温度测量的主要原理就是利用导体或半导体的电阻值会随温度的变化而变化。而在热电阻式温度传感器中又以铂电阻温度传感器的性能最好。铂电阻温度传感器的稳定性比较好，测量的精度最高。因此，铁路机车最普遍选用铂电阻温度传感器作为机车用温度传感器。

3.1测量原理

铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器。Pt100铂电阻的温度传感器的温度测量范围为-200℃～850℃，电阻值与温度的关系如下所示：

（1）-200℃Rt=Ro[1+At+Bt2+（t-100）t3]

监控温度传感器 篇4

DALLAS公司推出的DS1620是一种具有温度传感、温度控制、温度数据转换等功能的专用集成芯片。与少量外部单元 (如显示、控制器件) 结合可构成温度自动测量和控制系统。测温范围为-55 ℃～125 ℃, 分辨率为0.5 ℃, 转换后的温度值采用9位数字量表示。DS1620可用3线串行接口的方式与单片机相连进行数据的读写操作。可广泛用于温度控制、温度测量及热敏感系统等领域。

1 DS1620简介

DS1620 为8脚DIP或SOIC封装, 表1列出其引脚功能。

DS1620读入温度值为9位二进制数 (补码形式) , 且通过3线串行接口实现数据的读写操作, 在1 s时间内能直接将温度值转换为数字量, 其上下限温度可自定义, 且恒定存储, 工作频率最大为2 MHz。

DS1620通过其专用的片载温度测量技术进行温度测量。原理大致为:对低温系统振荡器的脉冲个数进行计数, 计数脉冲的周期由高温系统振荡器决定。计数器和温度寄存器预先设置为-55 ℃, 如果计数器在脉冲周期结束之前到达0, 则温度寄存器开始增数, 表明温度值在-55 ℃之上, 如此循环增值, 最终温度寄存器中的数字量即为所测温度值。图1为单次转换方式和连续转换方式的工作流程图。

读温度数据 (AAH) :该指令是读取温度寄存器所存储的最后转换的温度数据, 指令输入后的9个移位脉冲将输出寄存器的数据。

写TH (01H) :给高温临界寄存器写入TH数据。指令输入后的9个移位脉冲将9位上限温度值TH写入高温临界寄存器, 用来改变THIGH的输出操作。

写TL (02H) :给低温临界寄存器写入TL数据。指令输入后接下来的9个移位脉冲将9位下限温度值写入寄存器, 用来改变TLOW的输出操作。

读TH (A1H) :读高温临界寄存器TH数据。指令输入后接下来的9个移位脉冲, 9位用来改变THIGH输出操作的上限值将从DS1620输出。

读TL (A2H) :读低温临界寄存器TL数据。指令输入后接下来的9个移位脉冲, 9位用来改变TLOW输出操作的下限值将从DS1620输出。

开始转换T (EEH) :该指令输入后, 很快可将温度转换为可读数据。在单次方式, 本命令将启动一次温度转换, 然后进入空闲状态;在连续方式, 本命令将启动连续的温度转换。

停止转换T (22H) :停止转换温度指令。此指令输入后, DS1620将最后一次转换任务完成并将数据存入温度寄存器后闲置起来, 直至再次输入新的开始转换指令。

写config (OCH) :用来写控制寄存器。该指令输入后的8个时钟周期, 命令字将写入控制寄存器。

读config (ACH) :用来读状态寄存器的值。该指令输入后的8个时钟周期, 状态/控制寄存器的内容将从DS1620输出。

常温下每次写入DS1620存储器需要近10 ms, 所以在写指令之后不能立即对DS1620进行读写操作, 通常加10 ms的延时。

2 由DS1620构成的温度监控系统设计

2.1 温度控制系统结构

温度控制系统结构如图2所示。

2.2 温度控制系统原理

预先写入DS1620控制寄存器操作模式和TH、TL寄存器的温度设定值, CLK/CONV用做转换开始控制端。其中, 状态/控制寄存器的CPU标志位必须设为“0”, 为了使CLK/CONV作转换控制, RST必须为低电平。CLK/CONV被拉低, 且在10 ms以内置高, 则产生一次转换;如果CLK/CONV保持低, 则DS1620连续进行转换。CPU为“0”时, 转换由CLK/CONV控制, 而不受1HOST控制位的限制。

当DS1620的温度高于或等于TH寄存器设定值时, TH输出为高电平;当温度低于或等于TL寄存器设定值时, TL输出高电平;当温度高于TH寄存器设定值时, TCOM输出为高电平, 直到温度下降到TL寄存器设定值以下时才会变低电平。

利用TH和TL的输出电平可以确定温度是否在系统要求范围内, 如果不在, 利用单片机控制加热电路与降温电路对环境温度进行改变, 一直到系统要求的范围内。

2.3 利用DS1620进行温度修正

DS1620温度值由1位符号位、8位数字位共9位二进制补码形式输出, 所以先进行数据位和符号位的区分。第9位即最高位是符号位, “0”表示正温, “1”表示负温。将读取到的数据求补转换成十进制数并除以2, 即可得到-55 ℃～+125 ℃之间的温度值。表2显示了输出数据与被测温度之间的精确关系。

将DS1620温度传感器输出温度的数字量与测量环境内的温度设定值进行比较, 即可得到实际温度和设定温度的偏差。测量环境内的温度设定值由单片机中程序设定, 并与单片机构成的数字控制器进行比较运算, 经过比较后, 输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对测量环境温度进行调节。

3 结束语

由于DS1620的输出量直接是数字量, 这样就减少了电路中的A/D转换电路, 使得电路更简单, 同时, 整个电路的延时也更加短。如果电路中需要LED (发光二极管) 显示当时温度, 也可直接安装显示驱动电路。

DS1620的外围接口使用灵活, 使用时需要注意它的测量范围及精度能否满足要求。作为继电器使用时必须写入控制寄存器操作模式和TH、TL寄存器的温度设定值。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1990.

[2]李晓荃.单片机原理与应用[M].北京:电子工业出版社, 2000.

[3]刘和平.单片机原理及应用[M].重庆:重庆大学出版社, 2002.

[4]徐爱钧.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京:电子工业出版社, 2002.

[5]谢自美.电子线路设计.实验.测试[M].2版.武汉:华中科技大学出版社, 2000.

监控温度传感器 篇5

关键词 PT100铂热电阻；电桥；NE5532芯片；放大电路；比较电路

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）16-0033-03

Abstract Thermal resistor of PT100 is a common temperature mea-suring tool. Its resistance value is temperature-dependant. Thus it is

widely used in the measurement and control of temperature para-meter in industrial processes. This essay is on the design of tempe-rature sensor based on the thermal resistor of PT100， changing its resistance value according to temperature change of surrounding environment and outputting the corresponding voltage through elec-tric circuits. In the design added a preset comparison circuit which can give an alarm when the temperature is out of range.

Key words thermal resistor of PT100； bridge； NE5532 chip； compa-rison circuit； amplifying circuit

1 引言

温度传感器被广泛应用于工业、农业生产、科学研究等领域[1]，为提高生产效率，对温度参数测量的快速性和准确性提出更高的要求。本文设计基于PT100铂热电阻的温度传感器，具有精度高、线性好、响应时间短等特点。

2 电路设计

基于PT100铂热电阻温度传感器由两部分组成：PT100铂热电阻传感器和信号转换器。通过PT100铂热电阻测量温度，经过NE5532芯片和多个元器件的组合来达到信号转换、放大输出一个模拟电压信号；后面再入加比较电路，对当前值与设定值进行比较，超出时进行报警。设计框图如图1所示。

与普通型热电阻相比，PT100铂热电阻的特点包括：热惯性上测量滞后小；机械性能好、耐振，能弯曲，便于安装；使用寿命长。因此，PT100铂热电阻是研究中比较理想的测温电子元件。

PT100铂电阻RT曲线图如图2所示。当在0 ℃的时候，PT100的阻值为100 Ω，它的阻值会随着温度的上升而匀速增长，在100 ℃时，它的阻值约为138.5 Ω。它的阻值跟温度的变化成正比，但不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线[2]。

NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。本文中将用它来构成电桥电路、放大电路和比较电路。运用NE5532芯片的PT100铂热电阻温度传感器电路图如3所示。

在图3所示电路中，电桥电路由R2、R3、R9和PT100电阻组成。为了防止电路电流过大而导致PT100损坏，为保护电路，R2=R3=13 KΩ。因为PT100的最小电阻值为100 Ω（即0 ℃下的电阻值），为了使A、B两点的电压差小，根据铂热电阻的分度表，取R=96.09 Ω或者92.16 Ω才是合适的，然而现实中最接近的只有R=91 Ω的电阻，所以取R9=91 Ω，这样有利于减小误差。由图可得到A、B两点电压及电桥输出（A、B两点电压差）分别为：

其中UA的值随工作环境温度的变化而变化。UA、UB为后面放大电路的输入电压。利用由R1、R5、R7、R10和NE5532芯片组成求差放大电路，该基本减法电路的输出电压为：

其放大倍数为：

输出C点后面加入电压比较电路，由R4、R11和NE5532芯片组成。比较NE5532运放输入端5脚和6脚间的电压大小，当UC>UD时，即测量温度大于设定温度时，输出电压UE为12 V，此时LED灯亮，进行报警。这里可调电阻R4的作用是设置电压预值，通过改变R4就可以改变D点电压进行电压预设；R6起的是限流和隔离作用，使左右两边的电路不受干扰；C1起的是滤波作用。

3 测试结果

根据设计焊接完成的电路，测量温度30～100 ℃对应的电阻值的数据记录如表1所示。

通过GRAPH软件，根据实测值及利用PT100标准分度表制作的函数图如图4所示。其中，红色线为实际的测量数据，蓝色为标准分度表，两者比较符合（说明：上方为红色线，下方为黑色线）。

在此采用分度表上的数据进行公式计算，得出：

结合式3、4得出通过电路放大后，输出电压UC与温度间的关系式为：

这里输入电源电压VCC=5 V，K=100，R2=R3=13 000 Ω，R9=91 Ω，则式6为：

4 结语

基于PT100铂热电阻的温度传感器结构简单，成本低，性能稳定，是比较理想的温度数据采集器。工业生产过程中结合工控机可达到温度采集、加热冷却等控制功能。

参考文献

[1]朱杰.基于A类铂电阻的弹体温度采集系统研究[J].科学技术与工程，2013（9）.

[2]pt100热电阻[EB/OL].http：//baike.so.com/doc/6742815-6957342.html.

监控温度传感器 篇6

煤层自然发火是煤矿的重大灾害之一,对煤矿的安全生产构成了严重威胁。我国有一半以上的煤层属易自燃煤层,煤层自然发火现象十分严重,其中处于干旱、半干旱地区的侏罗纪煤层自燃现象尤为严重,涉及80余个煤田。煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元[1],尤其是近几年来,随着高产高效综采放顶煤技术的推广,类似于阳泉、太西等开采高变质程度无烟煤(以往认为不自燃)的高瓦斯矿井也频繁出现煤层自燃火灾现象,并多次引起瓦斯燃烧和爆炸事故,造成了巨大的经济损失和矿山人员伤亡。采空区是煤矿煤炭自然发火最易发生的地点之一,特别是随着我国大量采用放顶煤开采技术,采空区发火的次数增多,同时采空区遗煤高温点位置具有隐蔽与不易确定性,易导致发现与采取措施滞后,造成人力、物力浪费,给矿井安全生产带来隐患。准确地预测采空区遗煤自然发火的危险性,即可及早采取防灭火措施,防止采空区遗煤由自热状态向自燃状态转变,这对于减少火灾与瓦斯爆炸等煤矿恶性事故的发生与保证煤矿的安全生产具有重要意义[2,3]。

目前,煤矿环境安全监控系统大多采用有线和固定传感器组成的网络,由于工作面的不断推进,存在着监测盲区,在时间和空间的灵活性上都受到极大的束缚。无线传感器自组网络采用无线通信手段,可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如采空区放顶后的区域)、一些临时场合(如井下发生自然灾害时,固定通信网络被破坏)和一些工作地点经常变换的区域(如矿井采煤附井)等。无线传感器自组网络不需要任何固定网络的支持,具有快速展开、抗毁性强等特点[4,5]。因此,笔者开发了一种煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统,本文重点介绍基于射频芯片CC1020的煤自燃无线温度传感器自组网络节点的设计。

1 系统构成

煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统主要包括总控制中心、地面监控中心、光纤骨干网、无线监控分站。光纤骨干网是系统的主要信息传输载体,将有线监控系统和无线监控系统充分地结合起来:环境复杂和恶劣的区域采用无线监控分站模式,在需要监控的区域,利用传感器节点采集其周围的温度信息,并通过自组网络的方式将采集的温度信息实时地传送到无线监控分站中的网关,网关负责完成数据的收发和网络状态的监控任务,同时还负责数据处理、融合和存储任务;处理后的数据通过光纤骨干网发送到地面监控中心,地面监控中心根据收集到的温度信息实时监控井下温度,随时观察井下各区域温度的变化情况,对突发情况作出迅速的应急反应,根据精确的定位技术,向危险区域发出预警信号,地面监控中心可以通过煤矿内部专用局域网与集团公司的总控制中心互连,实现总控制中心对各个煤矿安全生产的实时监控与调度功能。此外,总控制中心将与互联网连接,使得上级部门能通过互联网实时查询、监控该集团公司的整体安全生产情况。煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统结构如图1所示。

2 节点硬件设计

2.1 节点结构

煤自燃无线温度传感器自组网络节点分为终端节点和网关。终端节点如图2所示,它主要由无线收发芯片CC1020、微处理器MSP430F149、温度传感器DS18B20和电源模块组成。

煤自燃无线温度传感器网关既可以是一个增强功能的传感器节点,也可以是没有监测功能,仅带无线通信接口的特殊网关。网关实现2个通信网络之间的数据交换功能;实现2种协议栈之间的通信协议转换功能;发布管理节点的监测任务,并将收集到的数据转发到外部网络上。如图3所示,网关主要由无线收发芯片CC1020、微处理器MSP430F149、串行接口模块和电源模块组成。各模块之间相对独立,预留接口,便于以后系统的升级和维护,同时也降低了系统成本。由于节点一般采用电池供电,一旦电源耗尽,节点就失效。为了最大限度地节约电源,在硬件设计方面,要尽量选用低功耗、高集成度的器件,在节点空闲时切断CC1020的电源。

CC1020与其它型号的无线数据通信芯片相比,具有接收灵敏度较高、功耗低、发射功率小、体积小、成本低等特点,其载频为433 MHz(也可提供869/915 MHz),特别适合远距离数据通信。在典型的应用系统中,CC1020只需配置1个微处理器和少许外部无源器件、单端口连接天线即可使用[6,7]。MSP430F149是TI公司生产的16位高性能混合信号处理器,具有功耗超低、处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、可靠性能好、性价比高等优点,加强电干扰运行不受影响,适应工业级的运行环境。DS18B20为单总线器件,将温度传感器与A/D转换器集成在1个芯片上,具有结构简单、体积小、功耗低、无需外接元件、用户可自行设定预警上、下限温度等特点,其主要功能特性:测量温度范围为-55~125 ℃,在-10~85 ℃范围内,精度为0.5 ℃。

2.2 节点接口电路设计

CC1020与MSP430F149通过SPI连接,MSP430F149处于主模式,CC1020处于从模式。CC1020与MSP430F149的连接包括结构配置接口和信号接收接口2个部分,两者连接如图4所示。MSP430F149使用引脚P3.0~P3.3与CC1020的结构配置接口PSEL、PDI、PDO、PCLK连接。PDO与MSP430F149的1个输入端连接,PDI、PCLK和PSEL连接到MSP430F149的输出端。当PSEL引脚无效(保持高电平)时(PSEL引脚低电平有效),PCLK、PDI和PDO为高阻抗输入状态。PSEL有1个内部上拉电阻,在低功耗模式下,该电阻必须断开(由MSP430F149三态控制)或者设为高电平,以阻止电流流入上拉电阻。

CC1020通过简单的四串行SPI接口进行编程,其中结构配置寄存器为8位,每一位结构配置寄存器的地址为7位,1位作为读/写位,用于初始化读或写的操作。CC1020一次完整的配置要求发送33个数据帧,每帧16位(7位Address,1位R/W,

8位Data),1次完整配置所需时间取决于PCLK的频率。如果PCLK的频率为10 MHz,完成1次完整配置的时间少于53 ms,将CC1020设为低功耗模式,只需发送1帧数据,因此,所需的时间不到2 ms,且所有的寄存器都是可读的。当结构配置接口不使用时,连接到PSEL、PCLK、PDI和PDO引脚端的MSP430F149的引脚可作它用。

MSP430F149通过引脚P3.6和P3.7与CC1020的双向同步数据接口引脚DIO、DCLK连接,数据输出可以选择使用单独的引脚,这时要设置CC1020的INTERFACE寄存器SEP_DI_DO=1。在同步模式下,CC1020的LOCK引脚用作数据输出,而DCLK引脚用作异步模式的数据输出,DIO引脚则只用于数据输入。MSP430F149的1个引脚可用来监视锁相环的锁定信号,即LOCK引脚信号。当锁相环锁定时,LOCK引脚为逻辑低电平。LOCK引脚还可以用于载波检测及监视其它内部测试信号[8]。

3 节点软件设计

煤自燃无线温度传感器自组网络节点软件采用专门为MSP430F149设计的C语言开发,并针对MSP430F149进行优化,能够为MSP430F149产生优质高效的代码。由于MSP430F149要实现与用户以及CC1020的通信和数据打包功能,因此,该软件具有程序清晰、可扩展性强、可移植性好等特点。

困扰无线通信的一个主要问题就是无线通信的误码率较高。针对该问题,笔者在煤自燃无线温度传感器自组网络节点软件设计中分别从以下几个方面进行改进:在物理层,CC1020采用的是差分曼彻斯特编码方式传输数据,从而保证了通信中的同步问题;基于FSK的调制方式和采用高效前向纠错信道编码技术,大大提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力;在数据链路层,使用CRC循环冗入编码进行数据帧校验,用以保证数据到达用户应用层后的可靠性;在应用层,MSP430F149软件采取对要发送的数据打包以及增加校验码等方式来提高通信的可靠性[9]。图5为煤自燃无线温度传感器自组网络节点的程序流程图。

4 实验测试结果分析

以基于CC1020的煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统和基于ZigBee技术的无线温度传感器自组网络监控系统(2.4 G频段)为例,在两者基本技术参数相同的情况下,在不同的环境状况下,笔者通过多次实验测试,发现前者在通信性能方面明显优于后者,前者通信距离较远、穿透性和绕射性较强,这个结论同时也表明低频段的无线温度传感器自组网络监控系统比高频段的无线温度传感器自组网络监控系统更适用于煤矿井下存在障碍物、巷道空间狭小、巷道弯曲等复杂多变的环境。综上所述,在煤矿井下采空区、工作面或者掘进巷等工作环境复杂的区段部署无线传感器节点时,采用433 MHz频段的无线传感器节点在穿透性和绕射性方面比2.4 GHz频段的效果好[10,11]。

5 结语

(1) 提出了一种基于射频技术的煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统,并采用无线通信技术,结合嵌入式系统的软、硬件技术,实现了煤自燃无线温度传感器自组网络节点的硬件和软件设计。

(2) 煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统能有效地解决传统煤矿安全监控系统中有线数据传输方式连线多、可扩展性差、不兼容、需要复杂的施工要求、不能提供实时预警等问题,具有通信可靠、投资少、利于扩展、工作量小等优点。

(3) 煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统主要具有数据采集与传送、数据分析与处理、数据存储与检索、数据表格显示与打印输出、实时控制以及报警等功能,可以提高国内煤矿安全监测监控系统的水平,也可以使煤矿优选安全生产方案,科学、合理地进行生产管理和事故预防工作。

(4) 煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统具有很好的适应性,稍加改造也可应用于其它需要近距离无线监控的场合,因此,本研究不仅具有实践意义,而且也能为未来无线监控节点的智能化和多功能化提供一些参考和借鉴。

摘要：针对采空区遗煤自然发火问题,文章提出了一种基于CC1020的煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统的设计方案,给出了系统总体结构,详细介绍了基于CC1020煤自燃无线温度传感器自组网络节点的硬件及软件设计。实验测试结果表明,基于CC1020的煤自燃无线温度传感器自组网络监控系统具有通信距离较远、穿透性和绕射性较强等特点,更适用于煤矿井下存在障碍物、巷道空间狭小、巷道弯曲等复杂多变的环境。

关键词：煤矿,自燃,无线温度传感器,自组网络,CC1020,MSP430F149

参考文献

[1]鲍庆国,文虎,王秀林,等.煤自燃理论及防治技术[M].北京:煤炭工业出版社,2002.

[2]何启林.综放面采空区遗煤自然发火过程动态数值模拟[J].中国矿业大学学报,2004(1):11~14.

[3]何启林,袁树杰,王新建,等.徐庄煤矿综放面采空区“三带”宽度的确定[J].煤矿安全,2001(2):6~7.

[4]童敏明,谢金成,戴新联,等.煤矿监测系统无线传感器网络的设计[J].煤矿安全,2007(1):5~8.

[5]何思远.基于无线传感器网络的瓦斯监测系统的研究[D].昆明:昆明理工大学,2007.

[6]吴嘉澍,郭寒军,王志强.基于无线收发芯片CC1020的电子公交站牌设计[J].电子技术应用,2007(12):51~53.

[7]冯改玲.基于M2M的低功耗无线传感网络组网技术的研究[D].上海:东华大学,2006.

[8]李丽,王代华,张志杰.基于射频芯片CC1020的无线数传系统的设计[J].应用天地,2008(5):71~74.

[9]夏芸.CC1010芯片在无线传感器网络节点设计中的应用[J].电子工程师,2005,31(5):66~68.

[10]吕睿,阳宪惠.减少无线传感器网络节点定位误差的方法[J].清华大学学报:自然科学版,2008,48(s2):1 839~1 843.

监控温度传感器 篇7

为了满足现代工、农业对温度监测和控制的要求, 温度采集器必须朝着小型、高速和高稳定性的方向发展。而传统的温度采集系统一般是基于模拟的温度传感器, 得到模拟信号处理后再经过周A/D转换得到数字信号。一方面, 模拟信号在处理和传输过程中极易受到干扰而影响温度采集的精度和稳定性;另一方面, 高精度A/D转换器价格较高而影响系统的成本, 使得整个温度采集系统的性价比降低。随着现代科学技术的飞速发展, 特别是大规模集成电路设计技术的发展, 微型化、集成化、数字化、智能化正成为温度传感器发展的一个重要方向。针对这种情况, 研究和改进多点温度的监测具有现实的意义。

2. 硬件组成

数字温度传感器可通过串行口, 也可通过其它I/O口线与微机接口, 无须经过其它变换电路, 直接输出被测温度值。因此, 利用数字温度传感器对多点温度进行测量时非常好的解决方案。本设计以AT89S52单片机为控制单元、温度传感器DS18B20为主要检测器件, 实现多路温度的测量、显示、存储和报警。本设计使用C语言进行设计开发, 采用Proteus7.4进行电路的设计并仿真, 实现:八路温度循环检测, 超限自动报警还可固定其中一路检测, 测量温度的同时, 还能记录当时的时间, 并存储到EEPROM中, 温度测量范围为-10℃～+100℃, 精度为±0.5℃。系统设计的总框图如图1所示。

3. 软件设计

系统程序主要包括主程序, 读DS18B20序列号程序, 读出温度子程序, 写温度子程序, 温度换命令子程序, 计算温度子程序, 存储子程序, 液晶显示子程序等。主程序主要是对DS18B20进行匹配, 读取温度, 显示温度, 存储信息以及报警, 系统设计主流程图见图2。

4. 结论

由于温度传感器逐渐向着数字化、智能化的方向发展, 目前基于温度探测的监控或者报警系统也产生了深刻的变化。电路设计得更简单, 也部分简化了软件的编写。另外, 无论是响应速度、系统运行周期、抗干扰能力、支持总线功能等等指标, 都大大优于传统的、基于模拟传感器的测温系统。

参考文献

[1]祁伟, 杨婷.单片机C51程序设计教程与实验[M].北京航空航天大学出版社.2006

[2]赵建领, 薛园园.51单片机开发与应用技术详解[M].电子工业出版社.2009

[3]邓智坚, 倪远平, 基于ARM7和数字温度传感器的多点温度测量系统设计[J], 中国仪器仪表, 2007年第04期

[4]张毅刚, 修林成, 胡振江.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2005.

[5]蒋鸿宇, 王勇, 植涌.由DS18B20构成的多点温度测量系统[J].应用天地.2006.09

监控温度传感器 篇8

单总线技术是美国Dallas半导体公司近年推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线合为1根信号线,允许在这根信号线上挂接数百个单总线器件芯片。基于单总线的每个芯片内部均有1个出厂前被光刻好的64位ROM序列号,它可以看作是该芯片的地址序列码。光刻ROM的作用是使每个“单总线”器件的地址都各不相同,这是定位和寻址器件实现单总线测控功能的前提条件,并以此为依据实现1根总线上挂接多个“单总线”芯片。芯片内部集成有收发控制电路和电源存储电路。与微处理器的接口非常简单,可节省大量的引线和逻辑电路。芯片的耗电量很小,从总线上“偷”一点电(空闲时几μW,工作时几mW)存储在片内的电容中就可正常工作,一般不用另附电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了,因此在单总线上传送的是数字信号,这使得系统的抗干扰性能好,可靠性高,传输距离远。本文介绍单总线芯片DS18B20在多点温度测控系统中的应用。

1 系统框图

系统的硬件结构框图如图一所示。该系统有五部分组成,核心器件是AT89C2051。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机,单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,是一种高效微控制器。温度采集使用的是Dallas公司生产的芯片DS18B20。

1.1 DS18B20的功能结构[1]

DS18B20是美国DALLAS公司推出的新一代单总线式数字温度传感器,测温范围为-55～125℃,在-10～85℃范围内保持±0.5℃的精度;通过编程可实现9～12位的数字直读数方式;在93.75 ms和750 ms内将温度值转化为9位或12位的数字量;自定义、非易失性报警温度值;报警查询命令能使主机辨别、定位超限温度点。

内部结构如图二所示。DS18B20有4个主要的数字部件:(1)64位激光ROM,用于存储器件特有的序列号。开始8位是产品类型标号,DSl8B20为28H,接着的48位是该芯片自身的序列号,用以保证在同类芯片中的唯一性。最后8位是前面56位的循环冗余校验码,以确保数据传输的可靠性;(2)温度传感器DS18B20是直接数字式高精度温度传感器,其内部含有两个温度系数不同的温敏振荡器,其中低温度系数振荡器相当于标尺,高温度系数振荡器相当于测温元件,通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值。根据频率比值和温度的对应曲线得到相应的温度值。这种方式避免了测温过程中的A/D转换,提高了温度测量的精度;(3)非易失性EEPROM存储器;(4)暂存器。暂存器中2字节用于存储温度传感器测得的温度值,2字节用于存储上下限报警温度(当测得的温度值超过这个范围时就会竖起一个报警标记,用于对报警搜索命令产生响应),1字节用于配置寄存器。配置寄存器使用户可以按需要选择9、10、11、12位4种不同的分辨率。TH、TL和配置寄存器中的数据可以存入非易失性EEPROM中,器件断电时数据不会丢失,下次上电时会自动复制到暂存器中。

DS18B20有五条ROM操作命令和六条存储器操作命令,其中存储器操作命令如表一所示。

1.2 DS18B20与微机的链接

DS18B20的管脚排列如图三所示。其中,NC为空引脚,不连接外部信号;VDD为接电源引脚,电源供电3.0～5.5V;GND接地;DQ为数据的输入和输出引脚。

DS18B20与AT89C2051的链接如图四所示,采用的是寄生供电模式,此时Vcc、GND接地,DQ接单片机I/O。这样就省去系统总线中的电源线,由数据线为单总线器件提供电能,从而使系统总线由3根变为2根,方便了现场布线。为了保证单总线的闲置状态为高电平,单总线要求外接一个约4.7kΩ左右的上拉电阻。对于寄生供电模式,一般情况下通过数据线可以为DS18B20正常工作提供充足的电能。然而,当进行EEPROM拷贝或温度转换操作时,电流将会达到1.5mA,这么大的电流会通过上拉电阻引起电压不期望的降低。为保证提供充足的电流,当进行EEPROM拷贝或温度转换操作时,需要给数据线电平提供一个强制上拉,用MOS管把数据线直接拉到电源上就可以实现[2]。

从原理上来说,可以将多个传感器都挂接在一根总线上,但实际上一根总线上挂接的传感器数目超过8个时就要计算总线的驱动能力(指一般驱动能力的总线)。为此,系统采用从单片机的P3.4、P3.5两个引脚连接DS18B20芯片。

2 数字温度传感器DS18B20的软件编程

以数字温度传感器DS18B20为核心的单总线分布式测温系统硬件电路简单,现场安装方便,但它以相对复杂的软件编程为代价。在编写程序的过程中必须严格遵守DS1820的时序与时隙要求,严格遵守主CPU对DS18B20的访问流程[3]。这里的DS18B20编程包含数字温度传感器DS1820的序列号搜索、启动温度转换、读取在线温度。

(1)数字温度传感器DS18B20序号的获取

系统工作之前,应先读出ROM中数字温度传感器DS18B20的序号。每一个DS18B20在其ROM中存有唯一的64位序列号,一个系统中如使用N片(N≥2)的DS18B20,则在使用前必须编一个小的程序识别其序列号,并赋予它在系统中的编号。

(2)启动DS18B20进行温度转换程序

图五为启动DS18B20进行温度转换的程序流程图。包含三个模块,第一是初始化模块:对单总线上的温度传感器DS18B20的操作是从初始化开始的,初始化时序由主机发出的复位脉冲和一个或多个从机发出的应答脉冲组成。主机接收到从机的应答脉冲后,说明有单总线器件已准备就绪;如果需要对DS18B20的温度报警寄存器(TH、TL)设置,也在初始化模块中以指令字4EH进行。第二模块是跳读ROM[命令字CCH]模块:单片机将要发出的启动温度转换指令是对总线上所有的DS18B20,而不论它的器件序号(此后,匹配ROM指令再逐一读出每个器件的温度数据)。第三模块是启动温度转换[命令字44H]:总线上所有的DS18B20开始进行温度转换,经过200 ms左右,DS18B20将转换结果存于RAM的0号和1号字节中,供单片机读取。

(3)读取在线DS18B20转换温度值

图六为读取在线DS18B20转换温度值的程序流程图,N为在线的DS18B20个数。由于多个数字温度传感器DS18B20在线,在读某一个传感器温度值时,首先要发出匹配ROM指令[命令字55H]。这时,信号线上所有的DS18B20温度传感器都进行编码匹配,只有一致的DS18B20才被激活,可以接受内存访问命令。然后读取温度数据,设定温度报警值。

3 结束语

多点温度检测系统的下位机采用89C2051单片机,温度检测使用基于单总线协议的DS18B20,使得系统硬件简单、可靠,成本低,但软件编程比较复杂、繁琐。本文主要介绍了DS18B20的结构、与单片机的接口及编程流程图,对于系统中的其他部分可以应用其他相关知识。

参考文献

[1]DSl8B20Data Sheet[Z].DALLAS SEM ICONDUCTOR,2001.

[2]董炜,王俊杰,杨士元.单总线测温系统[J].自动化仪表,2005,(6):27-30.

CMOS集成温度传感器 篇9

从空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品直至PC机、服务器、计算机外设、移动电话手机等,都需要具有温度传感功能的器件。集成温度传感器与目前常用的传统的温度传感器,如热电偶、铂电阻、双金属片等相比,具有体积小和高集成等优点,能用于控制电路或计算机接口,更加适合在集成电路系统中应用,为未来温度传感器的发展方向。

本文利用CMOS工艺中寄生PNP晶体管的温度特性,研究和设计了一种全集成的温度传感器,该温度传感器的工作范围为-40oC~120oC,温度误差小于2℃,功耗为0.75m W。

2 总体结构

本文设计的温度传感器的电路结构框图如图1所示,主要包括感温电路、采样比较电路、DAC、逻辑电路等。

集成温度传感器的工作原理:利用带隙基准原理设计获得一个不随温度变化的基准电压Vbg;利用CMOS工艺下的寄生衬底PNP双极型晶体管[1]的温度特性,可以产生一个与温度成反比的Vbe电压。根据两个电压Vbe(三极管be结电压)和Vbg(带隙基准)随温度变化情况,输入到模数转换器(ADC)中,经过模数转换器的处理,输出与温度相关的数字信号存入寄存器。数据处理单元从寄存器中读取温度数据,进行数据拟合,最终得到片内温度。

3关键电路设计

3.1感温电路

有多种传感原理可用于设计CMOS集成温度传感器,比如利用MOS晶体管在弱反型区的温度特性,利用MOS晶体管阈值电压VT的温度特性等[2],其缺点是高温下会产生漏电流、复现能力低、容差大和长期稳定性差,在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作[3]。本次感温电路的设计主要利用在CMOS工艺中寄生双极晶体管作为实现温度传感器功能的器件,其优点是低成本、出色的长期稳定性、可预测性较高、工艺的兼容性较好[4]。其结构如图2所示。

双极型晶体管PNP2的基极-发射级的电压Vbg为:

运算放大器OP、PMOS管P1、电阻R1~R3、双极管PNP1 和PNP2形成基准电压源,产生不随温度变化的电压Vbg为:

电压Vbg和Vbe的仿真结果如图3所示,可以看出,温度范围在-40oC~120oC电压Vbg的电压变化量为2.3m V,电压Vbe与温度成反比,电压变化量为310m V。

3.2采样比较电路

由于温度传感器对ADC的速度要求不高,本设计采用单端结构实现的采样比较器,通过逻辑控制,使比较器在不同的控制逻辑下,分别工作于运算放大、比较器,实现采样、比较的功能。选择这种比较器,可以省略比例放大器,同时能避免一般差分比较器的失调,从而提高传感器的线性度和精确度。其结构如图4所示。

采样电路主要是分别采取与温度成反比的Vbe电压、不随温度变化的基准电压Vbg。工作过程以Vbe为例:

A、采样阶段,控制开关r_h打开、采样开关vdac_h关闭、采样开关vbe_h、rt_sel_h打开,感温电压Vbe输入采样电容c1 的一端,采样电容的另一端VN与基准电压vref相同,采样电容c1的电压差位为

B、比较阶段,控制开关r_h关闭、采样开关vdac_h打开、采样开关vbe_h、rt_sel_h关闭,电压Vdac输入采样电容c1 的一端,由于电容两端的电压不能突变,电容另一端的电压为VN为

比较器比较Vdac与Vbe的大小,若Vbe大于Vdac,比较器输出逻辑高电平VOH;若Vbe小于Vdac,则比较器输出逻辑低电平VOL。Vbg的采样比较过程依次类推。

3.3 DAC电路

DAC电路主要是将逐次逼近型逻辑寄存器的输出值sar_value[9:0]转变为模拟量电压Vdac。DAC主要包括寄存器、电阻网络两部分。结构如图5 所示。寄存器主要实现对sar_value[9:0]的寄存,产生电阻网络的控制信号。

DAC选用加权电阻阵列,采用R-2R与2R电路网络相结合的方式,其结构如图6所示。

输出电压可以表示为:

其中Si代表sar_value<i>的逻辑值,avdd表示输出电压。

3.4 逐次逼近寄存器

逐次逼近寄存器[5]协调DAC比较器共同工作,完成逐次逼近逻辑,主要使用具有复位和置位功能的触发器串行构成的移位寄存器实现逐次逼近寄存器。完成一个数据的转换需要十五个周期,其中启动占用一个周期,对输入的模拟信号进行采样占用二个,逐次逼近转换过程占用十个,逐次逼近寄存器如图7所示,图中EOC表示结束信号,CLK为时钟信号,DVDD、GND表示电源和低电平,R表示复位信号,sar_bit<9:0>表示比较结果,COM表示比较器的比较结果。

10位寄存器首先设置在中间刻度512(即:100000000,MSB位D9=1)。此时,DAC输出(vdac)被设为avdd/2,avdd是提供给ADC的基准电压。然后,比较判断Vbe是小于还是大于Vdac,如果比较器输出逻辑高电平,sar_bit<9>即寄存器的MSB保持为1。相反,如果比较器输出逻辑低电平,sar_bit<9>清为0。随后,逐次逼近控制逻辑移至下一位,并将该位置为高电平,进行下一次比较。这个过程一直持续到最低有效位(LSB)。经过十个周期完成转换,10 位转换结果m1 储存在寄存器内。同理,由Vbg拟合出来的数值m2,与m1不同的是,由于Vbg是带隙基准电压,所以m2基本不随温度的变化而变化。

4 芯片版图和仿真结果

使用tsmc N65 的5X1z工艺文件绘制的CMOS集成温度传感器如图8所示,在版图绘制时,比较器的差分管、DAC的电阻要注意匹配,感温电路要注意隔离。

经过版图参数提取后,本文设计的CMOS集成温度传感器的系统后仿真结果如图9所示,图中的DEC信号表示内部电压Vbe、Vbg的转换结果。

利用恒温箱、开发板、示波器、直流稳压源、温度测量仪等仪器在-40oC~120oC的温度范围内将温度传感器芯片放在恒温箱内,FPGA芯片放在恒温箱外的测试,测量结果如表1 所示,表中T0表示温度传感器放置环境-恒温箱的设定温度,m1、m2分别表示从示波器读取的内部电压Vbe、Vbg的转换结果,T1表示经过数据处理单元得到的片内温度,T’表示温度传感器的温度误差。在-40oC~120oC的温度范围内,不包括数据处理单元,芯片的平均功耗为0.75m W。

5 结论

本文设计了一种CMOS集成温度传感器,感温电路主要利用CMOS工艺下的寄生衬底PNP双极型晶体管的温度特性,产生与温度成反比的电压Vbe和基本不随温度变化的电压Vbg,通过10位逐次逼近型数模转换电路实现温度量的数字信号输出,通过后续的数据处理,实现片内温度的检测。基于65nm CMOS工艺,完成了电路和版图的设计,试验结果表明,该集成温度传感器在-40oC~120oC,温度误差小于2℃,功耗小于0.75mW,满足集成电路系统中温度传感器的需求。

参考文献

[1]江海,吕坚,徐建华,等.基于动态元件匹配的CMOS集成温度传感器设计[J].半导体学报,2007,28(11):1824-1829.

[2]Middelhoek S,Auder S A.Silicon Sensors[M].London:Aca-demic Press,1989.

[3]Szekely V,Rencz M.CMOS temperature sensors and built-intest circuitry for thermal testing of ICs[J].Sensors and Actua-tors,1998,71:10-18.

[4]陈贵灿,程军,张瑞智.模拟CMOS集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2002:309-321.

监控温度传感器 篇10

关键词 DS18B20 NRF2401 无线温度传感器

中图分类号： TP3 文献标识码：A

以传统温度传感器进行多点温度测量时往往存在繁杂的布线问题，为了有效克服这一使用局限，我们基于单片机技术和无线通信技术设计了一种使用便捷的无线温度传感器，本文给予详细介绍。

1 硬件设计框架与基本原理

1.1 总体结构框架

无线温度传感器的总体结构主要包括两部分：一是温度采集电路（图1），包括温度采集模块，单片機和无线发射模块，其作用是测量温度并将测量到的温度数据发射给主机；另外一部分是温度信息处理电路（图2），包括无线接收模块、LCD显示、掉电数据存储、按键和RS232接口，其作用是收集所有的温度信息，处理并显示出这些信息，同时还可以将这些数据传输到PC机上。

1.2 数字温度计DS18B20

DS18B20是一种分辨率可编程设置的单总线数字温度计，用户可以通过程序来控制，将温度转化成12bit的数字字节的最大耗时仅需750ms。每一片DS18B20都有唯一的64位序列码，从而允许多片DS18B20共存于同一根单总线上，因此用一块单片机可以控制一片区域的温度采集。

DS18B20外观和接口如图3和图4所示，它有3个引脚，1脚为GND电源地；2脚为DQ数字信号输入输出引脚，DS18B20通过1根数据总线与单片机进行双向通信；3脚为VDD外接供电电源输入端。

1.3 单片机的选择

本系统中在温度采集电路和温度信息处理电路中都需要用到单片机，而且单片机是做为系统控制核心。在温度采集电路中对单片机的功耗要求较高而在信息处理电路中对单片机的处理速度有一定的要求。基于价格和电路设计方便的考虑，采用华邦W78E052，它的指令和引脚序列与MCS51兼容，编程简单方便。它最大支持40MHz时钟，供电电压范围宽（2.4V～5.5V），采用3.3V供电，它的IO口可以很方便的与DS18B20和NRF2401直接连接。

由于NRF2401模块的无线收发距离与PCB的布局和布线有很大的关系，所以其直流供电电源要尽量的靠近VDD引脚，并且用一个10uF钽电容去耦。布线要注意避免长的电源走线，元器件的地、电源及电源的去耦电容要尽量靠近芯片。VSS直接连接铺铜地，并保证每个VSS至少有一个过孔。

2 软件的设计

2.1 温度采集

DS18B20默认以12位输出，测温分辨率为0.0625，输出二进制补码格式数据，低4位为小数位，最高位为符号位。如果是正温度，读出的数据乘以0.0625便是当前的温度值；负温度得转化为正值再相乘。12位输出的耗时是750ms，如果需要提高转换速度，可以选择减少输出位数。如果是单片的DS18B20工作，在启动温度转换和度暂存存储器操作命令时可以跳过64位ROM地址匹配。

2.2 无线收发

NRF2401有4种工作模式，分别是收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式，这四种模式可由PWR_UP寄存器、PRIM_RX寄存器和CE引脚决定。其中收发模式又有Enhanced ShockBurstTM、ShockBurstTM和直接收发模式3种，收发模式由配置字来决定。配置从4个方面进行：①数据宽度，声明射频数据包中的数据位数；②地址宽度，声明数据包中地址占用位数；③地址，指接收对象的地址；④CRC检测，生成CRC校验码和解码。

2.3 系统软件框架

温度信息处理模块可以工作在两种模式：单机模式和联机模式，这两种模式可以通过按键来设定。单机模式下，将各个温度采集模块上采集过来的温度实时显示出来，与预先设定的数据进行比较，如果某一处超过警界值，则启动相应的处理措施并发出报警。而在联机模式下，模块则将采集到的数据通过RS232发给上位机，并执行上位机发出的命令。

实验测定：该无线温度传感器用板载天线在空旷地的数据传输距离可达40米，如果采用高增益天线可以将控制距离增大到100米以上，温度测量误差在€？.1℃以内。如果在发射端增加功率放大器模块，在接收端加低噪声放大器模块，控制范围还能够进一步扩大。

参考文献

[1] 王飞.基于ZigBee技术的无线温湿度传感器网络设计[J].网络与通信，2008（2）.

[2] 杨林举.基于DASH7技术的温度无线传感器网络设计[J].自动化与信息工程，2011（4）.

[3] 徐治根.基于NRF2401的无线温度传感器的设计[J].科技资讯，2012（9）.

浅谈温度传感器特点及其应用 篇11

1 热电偶传感器。

两种不同材质的导体, 如在某点互相连接在一起, 对这个连接点加热, 在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关, 和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现, 如果精确测量这个电位差, 再测出不加热部位的环境温度, 就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体, 所以称之为"热电偶"。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围, 它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时, 输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言, 这个数值大约在5~40微伏/℃之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷, 它灵敏度比较低, 容易受到环境干扰信号的影响, 也容易受到前置放大器温度漂移的影响, 因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关, 用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性, 这种细微的测温元件有极高的响应速度, 可以测量快速变化的过程。

2 接触式温度传感器。

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触, 又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡, 从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内, 温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差, 常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究, 测量120k以下温度的低温温度计得到了发展, 如蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件, 可用于测量1.6~300k范围内的温度。

3 非接触式温度传感器。非接触式温度传感器

的敏感元件与被测对象互不接触, 又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速 (瞬变) 对象的表面温度, 也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律, 称为辐射测温仪表。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体 (吸收全部辐射并不反射光的物体) 所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度, 则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长, 而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关, 因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度, 如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。