【文章內(nèi)容簡介】 32 傳感器的工作原理 傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件國際電工委員會的定義為傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號按照 Gopel 等的說法是傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件而傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理 模擬或數(shù)字 能力的系統(tǒng)傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口 23 驅(qū) 動 電 路 向傳感器提供177。 15V 電源激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生 400Hz 的方波經(jīng)過TDA2030 功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源通過能源環(huán)形變壓器 T1 從靜止的初級線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到177。 5V 的直流電源該電源做運(yùn)算放大器 AD822 的工作電源由基準(zhǔn)電源 AD589 與雙運(yùn)放 AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生177。 45V的精密直流電源該電源既作為電橋電源又作為放大器及 VF轉(zhuǎn)換器的工作電源當(dāng)彈性軸受扭時應(yīng)變橋檢測得到的 mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器 AD620 放大成 15v177。 1v 的強(qiáng)信號再通過 VF 轉(zhuǎn)換器LM131 變換成頻率信號通過信號環(huán)形變壓器 T2 從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號該信號為 TTL 電平既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機(jī)處理由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動 靜環(huán)之間只有零點(diǎn)幾毫米的間隙加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)形成有效的屏蔽因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力 四原理分析 41DS18B20 的主要特性 1 適應(yīng)電壓范圍更寬電壓范圍 30～ 55V 在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電 2 獨(dú)特的單線 接口方式 DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 3DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能多個 DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫 4DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) 5 溫范圍－ 55℃～＋ 125℃在 10～ 85℃時精度為177。 05℃ 6可編程的分辨率為 9～ 12位對應(yīng)的可分辨溫度分別為 05℃ 025℃ 0125℃和00625℃可實(shí)現(xiàn)高精度測溫 7 在 9 位分辨率時最多在 9375ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字 12 位分辨率時最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字速度更快 8 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號以 一線總線 串行傳送給 CPU 同時可傳送 CRC 校驗(yàn)碼具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力 9 負(fù)壓特性電源極性接反時芯片不會因發(fā)熱而燒毀但不能正常工作 42DS18B20 的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成 64 位光刻 ROM 溫度傳感器非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的外形及管腳排列如下圖 1 DS18B20 引腳定義 1 DQ 為數(shù)字信號輸入輸出端 2 GND 為電源地 3 VDD 為外接供電電源輸入端在寄生電源接線方式時接地 43DS18B20 工作原理 DS18B20的讀寫時序和測溫原理與 DS1820相同只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由 2s 減為 750ms DS18B20 測溫原理如圖 3 所示圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入計數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃所對應(yīng)的一個基數(shù) 值計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)當(dāng)計數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1 計數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時停止溫度寄存器值的累加此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度圖 3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性其輸出用于修正計數(shù)器 1的預(yù)置值 44 DS18B20 有 4 個主要的數(shù)據(jù)部件 1 光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的它可以看作是該 DS18B20的地址序列碼 64 位光刻 ROM 的排列是開始 8 位 28H 是產(chǎn)品類型標(biāo)號接著的 48位是該 DS18B20 自身的序列號最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 CRC X8X5X41 光刻 ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的 2DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量以 12 位轉(zhuǎn)化為例用 16 位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供以 00625℃ LSB 形式表達(dá)其中 S 為符號位 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中二進(jìn)制中的前面 5位是符號位如果測得的溫度大于 0這 5位為 0只 要將測到的數(shù)值乘于 00625即可得到實(shí)際溫度如果溫度小于 0這 5位為 1測到的數(shù)值需要取反加1 再乘于 00625 即可得到實(shí)際溫度 例如 125℃的數(shù)字輸出為 07D0H250625℃的數(shù)字輸出為 0191H250625℃的數(shù)字輸出為 FF6FH55℃的數(shù)字輸出為 FC90H 3DS18B20 溫度傳感器的存儲器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 EEPRAM 后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 THTL 和結(jié)構(gòu)寄存器 4 配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下 低五位一直都是 1TM是測試模式位用于設(shè)置 DS18B20在工作模式還是在測試模式在 DS18B20出廠時該位被設(shè)置為 0用戶不要去改動 R1和 R0用來設(shè)置分辨率如下表所示 DS18B20 出廠時被設(shè)置為 12 位 45 高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由 9個字節(jié)組成其分配如表 5所示當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0和第 1個字節(jié)單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)讀取時低位在前高位在后數(shù)據(jù)格式如表 1 所示對應(yīng)的溫度計算當(dāng)符號位 S 0 時直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制當(dāng) S 1 時先將補(bǔ)碼變?yōu)?原碼再計算十進(jìn)制值表 2 是對應(yīng) 的一部分溫度值第九個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié) 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議主機(jī)單片機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟每一次讀寫之前都要對DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令最后發(fā)送 RAM 指令這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒然后釋放當(dāng)DS18B20 收到信號后等待 16～ 60 微秒左右后發(fā)出 60～ 240 微秒的存在低脈沖主CPU 收到此信號表示復(fù)位成功 五系統(tǒng)硬件設(shè)計 51 硬件電路圖 圖 4 52 原理圖 53 DS18B20 集成溫度傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 結(jié)構(gòu) DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 E2RAM 后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 THTL 和結(jié)構(gòu)寄存器 暫存存儲器包含了 8 個連續(xù)字節(jié)前兩個字節(jié)是測得的溫度信息第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位第二個字節(jié)是溫度的高八位第三個和第四個字節(jié)是 THTL的易失性拷貝第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新第六七八個字節(jié)用于內(nèi)部計算第九個字節(jié)是冗余檢驗(yàn) 字節(jié) 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟每一次讀寫之前都要對 DS18B20進(jìn)行復(fù)位復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM指令最后發(fā)送 RAM 指令這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉500 微秒然后釋放 DS18B20 收到信號后等待 16～ 60 微秒左右后發(fā)出 60～ 240 微秒的存在低脈沖主 CPU 收到此信號表示復(fù)位成功 DS1820 使用中注意事項 DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單測溫精度高連接方便占用口線少等優(yōu)點(diǎn)但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的 問題 1 較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送因此在對 DS1820 進(jìn)行讀寫編程時必須嚴(yán)格的保證讀寫時序否則將無法讀取測溫結(jié)果在使用 PLMC 等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計時對DS1820 操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn) 2 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS1820 在實(shí)際應(yīng)用中并非如此當(dāng)單總線上所掛DS1820 超過 8 個時就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意 3 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的試驗(yàn)中當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離可達(dá) 150m 當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離進(jìn)一步加長這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的因此在用 DS1820 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題 4 在 DS1820 測溫程序設(shè)計中向 DS1820 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后程序總要等待 DS1820 的返回信號一旦某個 DS1820 接觸不好 或斷線當(dāng)程序讀該 DS1820 時將沒有返回信號程序進(jìn)入死循環(huán)這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視 測溫電纜線建議采用屏蔽 4 芯雙絞線其中一對線接地線與信號線另一組接VCC 和地線屏蔽層在源端單點(diǎn)接地 54DS18B20 原理 在生產(chǎn)實(shí)踐中對溫度的多點(diǎn)監(jiān)測有時需要同時檢測多至數(shù)百個測溫點(diǎn) D S18B20 是美國 D A L L A S 半導(dǎo)體公司繼 D S1820 之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀 數(shù)方式可以分別在 9375ms 和750ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?D S18B20的信息僅需要一根口線 單線接口 讀寫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 D S18B20 供電而無需額外電源 559S51 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 主要由以下部分組成 CPURAMROM 四個并行 IO 口 1 個串行口 2個 16 位定時器計數(shù)器中斷系統(tǒng)特殊功能寄存器 9S51 的工作原理 構(gòu)建 CPU 的基石是晶體管可以看成是微型電子開關(guān)代表兩種狀態(tài) ON 開 和OFF 關(guān) 這一開一關(guān) 兩種狀態(tài)正好與二進(jìn)制中的基礎(chǔ)狀態(tài) 0 和 1 對應(yīng) CPU