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温度传感器
温度传感
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。
温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。
温度传感器主要可分为三种:
传统分立传感器,如热电偶、热敏电阻、热敏二极管等;模拟集成传感器,如AD590、SG590、LM94022、LM35等;数字温度传感器,如DS18B20、DS1624、DS1629、DS1722、MAX6575、MAX6636、TMP275、AD7187等。
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、激光传感器、红外传感器和微波传感器。
一、传统分立传感器1、热敏电阻传感器Pt100
1.1传感器简介
Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器,主要技术参数如下:
测量范围:
—200℃~+850℃;
允许电流:
≤5mA;
热响应时间:
<30s。
另外,Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
铂热电阻的线性较好,在之间变化时,最大非线性偏差小于0.5℃。
铂热电阻阻值与温度关系为:
(1)—200℃<t<0℃时,RPt100=100*[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]
(2)0℃≤t≤850℃时,RPt100=100*(1+At+Bt2)
式中,A=0.00390802;B=-0.000000580;C=0.0000000000042735。
可见Pt100在常温0℃~100℃变化时线性度非常好,其阻值表达式可近似简化为:
PRt=100(1+At),当温度变化1℃,PRt100阻值近似变化为0.39Ω。
表1.1为PRt100在0℃~100℃的分度表。
表1.1PRt100的分度表(0℃~100℃)
1.2传感器电路
传感器电路包括测量电桥和放大电路两部分,如图1.2所示。
图中,R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥,为了保证电桥输出电压信号的稳定,电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。
从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。
电桥的一个桥臂采用可调电阻R3,通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小,通常用于调整零点。
放大电路采用LM358集成运算放大器,为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差,放大电路采用两级放大。
温度在0℃~100℃变化,当温度上升时,Pt100阻值变大,输入放大电路的差分信号变大,放大电路的输出电压Av对应升高。
注意:
虽然电桥部分已经经过TL431稳压,但是整个模拟的电压VCC一定要稳定,否则随着VCC的波动,运放LM358的工作电压波动,输出电压Av随之波动,最后导致A/D转换的结果波动,测量结果上下跳变。
二、模拟集成传感器
1、电流输出型传感器AD590
AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。
实际上,中国也开发出了同类型的产品SG590。
这种器件在被测温度一定时,相当于一个恒流源。
该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。
即使电源在5~15V之间变化,其电流只是在1μA以下作微小变化。
1.1AD590简介
AD590是电流型温度传感器,通过对电流的测量可得到所需要的温度值。
根据特性分挡,AD590的后缀以I,J,K,L,M表示。
AD590L,AD590M一般用于精密温度测量电路,其电路外形如图1所示,它采用金属壳3脚封装,其中1脚为电源正端V+;2脚为电流输出端I0;3脚为管壳,一般不用。
集成温度传感器的电路符号如图2所示。
AD590的主特性参数如下:
工作电压:
4~30V;
工作温度:
-55~+150℃;
保存温度:
-65~+175℃;
正向电压:
+44V;
反向电压:
-20V;
焊接温度(10秒):
300℃;
灵敏度:
1μA/K。
1.2AD590的工作原理
在被测温度一定时,AD590相当于一个恒流源,把它和5~30V的直流电源相连,并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻,那么,此电阻上流过的电流将和被测温度成正比,此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。
其基本电路如图3所示。
图3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。
其中T1、T2起恒流作用,可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等;T3、T4是感温用的晶体管,两个管的材质和工艺完全相同,但T3实质上是由n个晶体管并联而成,因而其结面积是T4的n倍。
T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上,所以R上端电压为ΔUBE。
因此,电流I1为:
I1=ΔUBE/R=(KT/q)(lnn)/R
对于AD590,n=8,这样,电路的总电流将与热力学温度T成正比,将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。
由于利用了恒流特性,所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。
图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻,该电阻已用激光修正了其电阻值,因而在基准温度下可得到1μA/K的I值。
图4所示是AD590的内部电路,图中的T1~T4相当于图3中的T1、T2,而T9,T11相当于图3中的T3、T4。
R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻,供出厂前调整之用。
T7、T8,T10为对称的Wilson电路,用来提高阻抗。
T5、T12和T10为启动电路,其中T5为恒定偏置二极管。
T6可用来防止电源反接时损坏电路,同时也可使左右两支路对称。
R1,R2为发射极反馈电阻,可用于进一步提高阻抗。
T1~T4是为热效应而设计的连接方式。
而C1和R4则可用来防止寄生振荡。
该电路的设计使得T9,T10,T11三者的发射极电流相等,并
同为整个电路总电流I的1/3。
T9和T11的发射结面积比为8:
1,T10和T11的发射结面积相等。
T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上,因此可以写出:
ΔUBE=(R6-2R5)I/3
R6上只有T9的发射极电流,而R5上除了来自T10的发射极电流外,还有来自T11的发射极电流,所以R5上的压降是R5的2/3。
根据上式不难看出,要想改变ΔUBE,可以在调整R5后再调整R6,而增大R5的效果和减小R6是一样的,其结果都会使ΔUBE减小,不过,改变R5对ΔUBE的影响更为显著,因为它前面的系数较大。
实际上就是利用激光修正R5以进行粗调,修正R6以实现细调,最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA/K。
1.3测温电路的设计
在设计测温电路时,首先应将电流转换成电压。
由于AD590为电流输出元件,它的温度每升高1K,电流就增加1μA。
当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时,这个电阻上的压降为10mV,即转换成10mV/K,为了使此电阻精确(0.1%),可用一个9.6kΩ的电阻与一个1kΩ电位器串联,然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ。
图5所示是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路,其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式,以增加信号的输入阻抗。
而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标,给A2的同相输入端输入一个恒定的电压(如1.235V),然后将此电压放大到2.73V。
这样,A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。
将AD590放入0℃的冰水混合溶液中,A1同相输入端的电压应为2.73V,同样使A2的输出电压也为2.73V,因此A1与A2两输出端之间的电压:
2.73-2.73=0V即对应于0℃。
图2.1为简单的测温电路。
AD590在25℃(298.2K)时,理想输出电流为298.2μA,但实际上存在一定误差,可以在外电路中进行修正。
将AD590串联一个可调电阻,在已知温度下调整电阻值,是输出电压U0满足1mV/K的关系(如25℃时,U0应为298.2mV)。
调整好以后,固定可调电阻,即可由输出电压U0读出AD590所处的热力学温度。
图
2.2为简单的控温电路。
LM311为比较器,它的输出控制加热器电流,调节RT可改变比较电压,从而改变了控制温度。
AD581是稳压器,为AD590提供一个合理的稳定电压。
1.4A/D转换和显示电路的设计
设计A/D转换和显示电路具有两种方案。
分述如下:
(1)用A/D转换器MC14433实现
首先将AD590的输出电流转换成电压,由于此信号为模拟信号,因此,要进行数码显示,还需将此信号转换成数字信号。
采用MC14433的转换电路如图6所示。
此电路的作用是通过A/D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号,以控制显示电路。
其中MC14511为译码/锁存/驱动电路,它的输入为BCD码,输出为七段译码。
LED数码显示由MC14433的位选信号DS1~DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动,并由MC14433的DS1、Q2端来控制“+”、“-”温度的显示。
当DS1=1,Q2=1时,显示为正;Q2=0时,显示为负。
(2)用ICL7106来实现
采用ICL7106的A/D转换及LCD显示电路框图如图7所示。
其中,ICL7106是3位半显示的A/D转换电路,它内含液晶显示驱动电路,可用来进行A/D转换和LCD显示驱动。
2、电压输出型传感器LM35
2.1LM35简介
LM35为电压输出型传感器,主要技术参数如下:
电源电压:
4~30V;
测温范围:
-55℃~+150℃。
图2.3为LM35的两种不同封装的外形图。
2.2LM35的工作原理
LM35的输出电压与摄氏温度的线形关系可用下面公式表示:
V=0.01T
0℃时输出为0V,每升高1℃,输出电压增加10mV。
设计A/D转换电路,有两种形式:
串行输出和并行输出。
其转换电路分别如图2.4和2.5所示。
3、LM94022
3.1LM94022简介
LM94022是一种模拟输出的集成温度传感器,主要应用于手机、无线收发器、电池管理、汽车、办公室设备及家用电器等。
该传感器主要特点包括工作电压低,可在1.5V电压下工作;工作电压范围宽—1.5~5.5V;末级为推挽输出,有±50μA输出电流的能力;有四种灵敏度供用户选择;测量范围为-50~+150℃;静态电流低,典型值为5.4μA;精度(与测量范围有关):
20~40℃为±1.5℃;-70~-50℃为±1.8℃;-50~90℃为±2.1℃;-50~150℃为±2.7℃;采用小尺寸SO70封装。
LM94022的管脚排列如图3.1所示,各管脚功能如表3.1所示。
表3.1LM94022引脚功能表
LM94022根据GS0、GS1被施加的不同电平有4种灵敏度供用户选择,如表3.2所示。
用户可根据测温的范围及接口电路的工作电压的条件来合理选择。
灵敏度由GS0及GS1的电平确定:
高电平要求大于(VDD-0.5V);低电平要求小于0.5V。
表3.2LM94022提供的4种灵敏度(典型值)。
表3.2灵敏度参照表
3.2LM94022基本原理
LM9402输出电压随温度升高而下降,其灵敏度为负值。
在VDD为5V时,不同灵敏度的几个特定温度值时的输出电压如表3.3所示(典型值)。
表3VDD为5V,TA为25℃时的输出电压值从图3.2可看出,其线性度极好,这是线性化后的特性。
按表3.3的数据计算出的灵敏度值与表3.2给出的典型灵敏度有一些差值。
例如,在GS=00时,-25℃时的输出电压为1168mV,-50℃时的输出电压为1299mV,则其平均灵敏度为-5.24mV/℃;50℃时的输出电压为760mV,75℃时的输出电压为619mV,则其平均灵敏度为5.64mV/℃。
表3.2中GS=00时,灵敏度为-5.5mV/℃。
表3.3输出电压表
3.3LM94022基本应用电路
图3.3是LM94022的基本应用电路。
在此电路中,GS0、GS1都接地(低电平),所以灵敏度选择的是-5.5mV/℃。
LM94022一般用作精度要求不高的温度测量及控制,其输出端往往与比较器或微控制器等接口。
若温度传感器与控制电路距离较远时,连接线应采用屏蔽线。
接电容负载的电路如图3.4所示。
图3.4(a)与(b)的差别是负载电容容量不同:
当负载电容CLOAD<1100pF时,用图3.4(a)电路,当CLOAD>1100pF时,用图3.4(b)电路,其中RS值与CLOAD大小有关,如表3.4所示。
表3.4CLOAD值与RS的关系
当LM94022直接与ADC(或微处理器中的ADC)接口时,开始工作时,LM94022的推挽输出端能向ADC中的Cin充电,如图3.5所示。
增加关闭控制功能的电路 LM94022是低功耗器件,为实现多路温度测量,可采用关闭控制,在断开VDD时,OUT端呈高阻抗。
可以在LM94022的VDD端接一个反相器(见图3.6)或接一个两输入与门来实现关闭(见图3.7)。
两者的区别是,前者施加高电平时实现关闭;后者是施加低电平时实现关闭。
图3.8是一种数字温度计,其测量温度范围-40~+125℃。
LM94022检测的温度转换成模拟信号电压输出,其输出电压直接与带有ADC的微处理器接口,往ADC变换后的数字信号由微处理器进行处理后转换成相应的七段码,送温度显示(数码管),若采用微处理器对传感器作软件线性补偿,可提高测温精度。
数字键出可输入报警温度给微处理器,若检测到的温度超过报警温度时,微处理器输出信号,使报警电路发出声、光报警。
微处理器的I/O口还可输出开关控制信号,对温度实现简单的开关控制。
图3.9是一种简易的超过阈值温度报警电路。
该电路由温度传感器、比较器、4.1V基准电压源、三极管、蜂鸣器及电阻R1~R5等组成。
电路的工作原理:
若LM94022温度传感器的灵敏度已设定,则设定的阈值温度TTH对应的电压值VT可以从图2(或表3)中求出。
若先不考虑产生滞后作用的R3的影响,则可以根据已知的VT值求出R1、R2值(在先确定R1值后求出R2值),VT=4.1V×R2/(R1+R2)。
为防止温度在阈值温度附近因传感器输出信号中存在噪声电压影响而使比较器输出产生振荡,在比较器电路中加了一个正反馈电阻R3,则产生一滞后电压VHYS,并且VT值也受R3的影响成为VT2,改进的超过阈值温度报警电路温度特性和输出波形如图3.10所示。
VHYS=VT2-VT1,其中VT1、VT2可按下式求出:
VT2=4.1V×R2/(R1+R2//R3) VT1=4.1V×R2/(R2+R1//R3) 上式中4.1V是基准电压值。
为减小R3对VT值的影响,一般R3取值较大(如470kΩ~2MΩ)。
基准电压4.1V经R1、R2分压后的电压VT2加在比较器同相端,LM94022测量温度输出的电压VTEMP加在比较器反相端。
一旦VTEMP 当温度降到(VT2-VHYS)时,比较器输出VOUT才由高电平跳变到低电平,报警声停止。 若要控制图3.9度TTH基本保持稳定(约有±3~±5℃变化),可采用图3.11电路对TTH实现自动 控制。 当温度超过TTH时,比较器的VOUT输出高电平,经反相器后输出低电平,N沟道截止,加热器停止加热;当温度降到(TTH-THYS)时,VOUT由高电平跳变到低电平,N沟道导通,加热器又加热, 使温度上升。 这样温度在TTH上下波浪式变动。 应用LM94022的设计注意事项如下: 为保证传感器输出电压精度,VDD取值为 VDD=VOUT+1V;设计时应尽可能取大的灵敏度,以减少噪声对输出信号电压的影响;减少噪声影响,可在LM94022输出端加一个高频旁路电容器;当传感器与接口电路之间连接较长时,连接线应采用屏蔽线。 三、数字温度传感器 1、DS18B20 1.1DS18B20简介 a.适应电压范围更宽,电压范围: 3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电; b.独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 c.DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温 d.DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 e.温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃ f.可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温 g.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快 h.测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力 e.负压特性: 电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。 DS18B20内部结构主要由四部分组成: 64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。 DS18B20的外形及管脚排列如下图1: DS18B20引脚定义: (1)DQ为数字信号输入/输出端; (2)GND为电源地; (3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。 1.2DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。 高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。 计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。 计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。 DS18B20有4个主要的数据部件: (1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。 64位光刻ROM的排列是: 开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。 光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 (2)DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例: 用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。 这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125℃的数字输出为07D0H,+25.0625℃的数字输出为0191H,-25.0625℃的数字输出为FF6FH,-55℃的数字输出为FC90H。 (3)DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 (4)配置寄存器 该字节各位的意义如下: TM R1 R0 1 1 1 1 1 1 低五位一直都是“1”,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。 在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。 R1和R0用来设置分辨率,如下表所示: (DS18B20出厂时被设置为12位) R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 93.75ms 0 1 10 187.2ms 1 0 11 375ms 1 1 12 750MS 4、高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成,第九个字节是冗余检验字节。 当温度转换命令发布后,经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。 单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后。 对应的温度计算: 当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。 根据DS18B20的通讯协议,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。 2、DS1722 2.1DS1722简介 DS1722为低价、低功耗的三总线温度传感器,主要技术参数如下: 模拟电源电压: 2.65~5.5V; 测温范围: -55℃~+120℃; DS1722的引脚图如图2.1所示。 3、TMP275 3.1TMP275简介 TMP275是TI公司于2006年推出的一款低功耗数字输出温度传感器。 其精确度达±0.5℃,适用于环境、通信、计算机、消费类、工业以及仪表应用等多个领域的温度测量。 TMP275的高度精确性可使散热与电源管理更加高效,而其低功耗能够延长电池使用寿命并最小化自加热(self-heating)。 在-20℃~+100℃范围内,TMP275的精确度为±0.5℃(最大值)。 其双线串行接口与I2C相兼容。 芯片采用小巧的8引脚MSOP封装。 该器件的其他特性包括: 50μA低电流、9至12位可编程分辨率、0.1μA关机电流模式、整个温度范围内出色的稳定性,以及-40℃~+125℃的广泛工作温度范围。 另外,该器件还允许多达8个不同地址,以实现接口总线设计的高灵活性。 TMP275的引脚排列如图1所示。 3.2TMP275的基本原理 TMP275的功能实现和工作方式主要由内部的5个寄存器来确定,分别是: 指针寄存器(pointerregister)、温度寄存器(temperatureregister)、配置寄存器(configura-tionregister)、上限温度寄存器(THIGHregister)和下限温度寄存器(TLOWregister)。 TMP275的内部寄存器结构如图3所示。 TMP275的工作方式主要通过配置寄存器来实现。 配置寄存器的数据格式如下: 各数据位的具体说明如下: SD设置器件是否工作在关断模式。 SD为1时为关断模式,SD为0时为正常模式(包括比较模式和中断模式)。 TM设置器件工作在比较模式还是中断模式。 TM为1时工作在中断模式,TM为0时工作在比较模式。 POLALERT极性位。 通过POL的设置,可以使控制器和ALERT输出极性一致。 F1/F0错误队列配置位。 只有温度连续超限n次后,报警才会输出。 参数n由F1和F0来设置,设置错误队列的目的是防止
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