【正文】 控制器，典型產(chǎn)品有LM5 AD22105 和 MAX6509。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器 (例如 TC652／ 653)中還包含了 A/D 轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處，但它自成系統(tǒng)，工作時(shí)并不受微處理器的控制，這 是二者的主要區(qū)別。 智能溫度傳感器 智能溫度傳感器 (亦稱數(shù)字溫度傳感器 )是在 20 世紀(jì) 90 年代中期問世的。智能溫度傳感器是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的結(jié)晶，它也是集成溫度傳感器領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。目 前，國(guó)際上許多著名的集成電路生產(chǎn)廠家己開發(fā)出上百種智能溫度傳感器產(chǎn)品。 智能溫度傳感器具有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各微控制器 (MCU)；第二，能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成高性價(jià)比、多功能的智能化溫度測(cè)控系統(tǒng)；第三，它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、 AD 轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器 (或寄存器 )和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器 (CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)和只讀存儲(chǔ)器 (ROM)。 智能溫度控制器 智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。智能溫度控制器無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 9 適配備種微控制器，構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)：它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀，既可以工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，亦可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。智能溫度傳感器／控制器可廣泛用于溫度測(cè)控系絞、計(jì)算機(jī)及家用電器中。 內(nèi)含溫度傳感器的專用集成電路 值得重視的是，目前配置有溫度傳感器的新型專用集成電路也己?jiǎn)柺懒?。例如，美?guó) MAXIM 公司最新研制的 MAXl298 和 MAXl299 型 5 通道 12 位 ADC 芯片，片 內(nèi)就集成了精密溫度傳感器，在 — 40 到 85℃范圍內(nèi)的測(cè)溫精度可達(dá)177。l℃。 MAXl298／ 1299 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部電路如圖 1— 1 所示。芯片中主要包括七部分；內(nèi)部溫度傳感器 (用于測(cè)量本地溫度 )， 遠(yuǎn)程測(cè)溫通道 (外接 2N3904 型NPN 晶體管，利用其發(fā)射結(jié)來測(cè)量遠(yuǎn)程溫度 )，多路轉(zhuǎn)換開關(guān) (即模擬輸入轉(zhuǎn)換器 )， 12 位 ADC，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，時(shí)鐘電路和 3 線串行接口電路。該串行接口能與 SPI 總線、 QSPI 總線及 MICROWIRE 服總線兼容。 MAXl298 和MAXl299 具有兩種輸入方式：差分輸入或單 端輸入。作差分輸入時(shí)可構(gòu)成 3 通道溫控系統(tǒng)，單端輸入時(shí)能構(gòu)成 5 通道溫控系統(tǒng) (不包括本地測(cè)溫通道 )。當(dāng)芯片溫度或遠(yuǎn)程被測(cè)溫度超過最高允許溫度 時(shí)，經(jīng)過串行接口可輸出溫度越限報(bào)警信號(hào)，再通過相應(yīng)的控制電路起到過熱保護(hù)作用。其模擬輸入端既可接電壓信號(hào)，亦可接溫度傳感器。 圖 11 MAX1298／ 1299 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部電路圖 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 10 智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢(shì) 進(jìn)入 21 世紀(jì)之后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 提高測(cè)溫精度和分辨率 在 20 世紀(jì) 90 年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨率只能達(dá)到 1℃。日前，國(guó)外己相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，所用的是 9 到 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率一般可達(dá) 到 ℃。特別是由美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司新研制的 DS1624 型高分辨率智能溫度傳感器，采用 13 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，能夠輸出 13 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨率高達(dá) ℃，測(cè)溫精度為177。 ℃，為實(shí)現(xiàn)精 密測(cè)量溫度創(chuàng)造了有利條件。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高 速逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。以 AD7817 型 5 通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為 27μ s、 9μ s。 不斷增加測(cè)試功能 新型智能溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如， DSl629 型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘 (RTC)，使其功能更加完善。 DS1624 還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部 256 字節(jié)的 E PROM 存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。DSl629 則在片內(nèi)集成了 32 字節(jié)的靜態(tài)存儲(chǔ)器 (RAM)。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。 智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡(jiǎn)便。對(duì)某些智能溫度傳感器而言，主機(jī)（外部微處理器或單片機(jī)）還可通過相應(yīng)的寄存器來設(shè)定其 A/D 轉(zhuǎn)換速率 (典型產(chǎn)品為 MAX6654)，分辨率及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 (典型產(chǎn)品為 DSl624)。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。典 型產(chǎn)品有 DSl6 DS162 TCN7 LM7 MAX6625。智能溫度控制器適配各無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 11 種微控制器，構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)：它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀，既可以工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，亦可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。 總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化 與此同時(shí)，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。目前所采用的總線主要有單線 (1— Wire)總線、 I2 C 總線、 SMBμ s 和 SPI 總線。第一種屬于一線串行總線，第二、三種屬于二線串行總線，第四種則為三線串行總線。上述溫度傳感 器作為從機(jī)，可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信，由于它們的總線接口符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化設(shè)計(jì)，使用戶操作起來更加簡(jiǎn)便。 可靠性及安全性設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的 A／ D 轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)換技術(shù)，其缺點(diǎn)是噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差，分辨率較低、成本較高，線性度也不夠理想。 為了提高傳感器的抗干擾能力，新型智能溫度傳感器 (例如 TMP03／ 0LM7 LM83)。普遍采用了高性能的∑ — ?式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨率將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再利用 過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，來提高有效分辨率?！?— ?式 A/D 轉(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲，而且對(duì)外因元件的精度要求低；由于采用了數(shù)字反饋方式，因此比較器的失調(diào)電壓及零點(diǎn)漂移都不會(huì)影響溫度的轉(zhuǎn)換精度。這種智能溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 為了避免當(dāng)溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象，在 AD7416／7417/781 LM75／ 7 MAX6625／ 6626 等智能溫度傳感器芯片內(nèi)部，都設(shè)置一個(gè)可編程的“故障排隊(duì) (faultqueue)”計(jì)數(shù)器，專門用來設(shè)定允許被 測(cè)溫度值超過溫度上、下限的次數(shù)。僅當(dāng)被測(cè)溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達(dá)到或超過所設(shè)定的次數(shù) n(n=1 至 4)時(shí)，才能觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的，故障計(jì)數(shù)器就復(fù)位而不會(huì)觸發(fā)中斷端。這就意味著假如設(shè)定 n＝ 3 時(shí)，那么偶然受到一次或兩次喚聲干擾，都不會(huì)影響溫控系統(tǒng)的正常工作。 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 12 LM76 型智能溫度傳感器增加了溫度窗口比較器，非常適合設(shè)計(jì)一個(gè)符合 ACPI( Advance Configuration and Power Interface，即“先進(jìn)配置與電源接口” )規(guī)范的溫控 系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護(hù)功能，可用來監(jiān)控筆記本電腦和服務(wù)器中 CPU 及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為 TH ，臺(tái)式計(jì)算機(jī)一般為 75℃，高檔筆記本電腦的專用 CPU 可達(dá) 100℃。一旦 CPU 或主電路的溫度超出所設(shè)定的上、下限時(shí)， INT 端立即使主機(jī)產(chǎn)生中斷，再通過電源控制器發(fā)出信號(hào)，迅速將主電源關(guān)斷起到保護(hù)作用。此外，當(dāng)溫度超過 CPU 的極限溫度時(shí)，嚴(yán)重超溫報(bào)警輸出端 (T_CRIT_T 入 )也能直接關(guān)斷主電 源，并且該端還可以通過獨(dú)立的硬件關(guān)斷電源來切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三 重安全件保護(hù)措施已成為國(guó)際上設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的新觀念。 為防止因人體靜電放電（ ESD）而損壞芯片，一些智能溫度傳感器還增加了ESD 保護(hù)電路，一般可承受 1000 到 4000V 的靜電放電電壓。通常是將人體等效于由 100pF 電容和 電阻串聯(lián)而成的電路模型，當(dāng)人體放電時(shí)， TCN75 型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷 /比較器信號(hào)輸出端和地址輸入端均可承受1000V 的靜電放電電壓， LM83 型智能溫度傳感器則可承受 4000V 的靜電放電電壓。 最新開發(fā)的智能溫度傳感器（例如 MAX665 LM83）還增加了傳感器故障檢測(cè) 功能，能自動(dòng)檢測(cè)外部晶體管溫度傳感器（亦稱遠(yuǎn)程傳感器）的開路或短路故障。 MAX6654 還具有選擇“寄生阻抗抵消”（ Parasitic Resistance Cancellation，英文縮寫為 PRC）模式，能抵消遠(yuǎn)程傳感器引線阻抗所引起的測(cè)溫誤差，即使引線阻抗達(dá)到 100Ω，也不會(huì)影響測(cè)量精度。遠(yuǎn)程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。 開發(fā)虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器 （ 1） 虛擬傳感器 自 20 世紀(jì) 90 年代以來，一種全新模念的“虛擬儀器”正獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器（ VI）是測(cè) 量?jī)x器、計(jì)算機(jī)和軟件這三者的有機(jī)結(jié)合。它將儀器硬件（例如數(shù)字采集系統(tǒng)、 A/D、 D/A 裝喚器、數(shù)字 I/O）、計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、存儲(chǔ)器、顯示器）、軟件（如傳感器標(biāo)定、軟面板、圖形界面、數(shù)據(jù)處理、無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 13 信息交換等）有機(jī)的結(jié)合起來，構(gòu)成軟硬結(jié)合、實(shí)虛共體的新一代電子測(cè)量?jī)x器。與此同時(shí)，“虛擬傳感器”的概念也被人們所接受，這種傳感器是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)并且完全通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件來建立傳感器模型、標(biāo)定參數(shù)及標(biāo)定模型，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。 美國(guó) B﹠ K 公司最近已開發(fā)出一種基于軟件設(shè)置的 TEDS 型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn) 是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲(chǔ)著對(duì)該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，傳感器通過數(shù)據(jù)采集接壘計(jì)算機(jī)，首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào)，再?gòu)能洷P上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)完成對(duì)傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取，傳感器設(shè)置和記錄工作。 此外，專供開發(fā)虛擬傳感器產(chǎn)品的軟件工具也已經(jīng)面市了。這樣在以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)元件選擇可以均衡各種性能的要求來決定。 （ 2） 網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器 網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器是包含數(shù)據(jù)傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。這里講的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不限于傳感器總線，還應(yīng) 包括現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)和因特網(wǎng)。數(shù)字傳感器首先將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在傳送給微控制器作數(shù)據(jù)處理，最后將測(cè)量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間，傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享。一個(gè)分布式智能溫度傳感器系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和中央控制器聯(lián)系起來的。其中傳感器節(jié)點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量并將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)則根據(jù)從網(wǎng)絡(luò)讀取的溫度數(shù)據(jù)來確定合適的控制方式。以滿足對(duì)溫度控制的需要。傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)不僅互相獨(dú)立，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要而定，而且能做到“即插 即用”（ Plug﹠ Play） ,在更換傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，也無(wú)需對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，這樣就極大的方便了用戶。 2 簡(jiǎn)介單片機(jī) 單片機(jī) AT89C51 的簡(jiǎn)介 隨著社會(huì)的發(fā)展，單片機(jī)以其體積小、可靠性高、使用方便等特點(diǎn)在社會(huì)生活中達(dá)到廣泛應(yīng)用。根據(jù)溫度控制的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)。以下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。 AT89C51 單片機(jī)是美國(guó) Intel 公司的 8 位高檔單片機(jī)系列。也是目前應(yīng)用最無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 14 為廣泛的一種單片機(jī)系列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖如圖 2— 1 所示。 AT89C51 系列單片機(jī)主要有 CPU、存儲(chǔ)器（包括 RAM 和 ROM）、 I\O 接口電路及時(shí)鐘電路等部分組成。 中央處理器 CPU 中央處理器 CPU 是單片機(jī)的核心。是計(jì)算機(jī)的控制指揮中心。同一般微機(jī)的CPU類似。 AT89C51單片機(jī)內(nèi)部 CPU包括控制器和運(yùn)算器兩部分。如圖 21AT89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖。 運(yùn)算器 AT89C51 運(yùn)算器電路以算術(shù)邏輯單元 ALU 為核心。有累加器 ACC、寄存器 B、暫存器 暫存器 程序狀態(tài)寄存器 PSW 和布爾處理機(jī)共同組成。它主要完成數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌＿\(yùn)算結(jié)果的 狀態(tài)由程序寄存器 PSW 保存。 算術(shù)邏輯單元 ALU 與累加器 ACC、寄存器 B 算術(shù)邏輯單元 ALU 不但能完成 8 位二進(jìn)制的加、減、乘、除等算數(shù)運(yùn)算。而且還能對(duì) 8 位變量進(jìn)行邏輯“與”