【正文】 材料、元件的特 性都隨溫度的變化而變化，所以能做溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器的發(fā)展很快，種類很多，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會(huì)不斷的涌現(xiàn)。 溫度傳感器的發(fā)展歷史 人們研究溫度測(cè)量的歷史已相當(dāng)久遠(yuǎn)，所使用的傳感器也種類很多。 分立式溫度傳感器 傳統(tǒng)的熱電偶、熱 電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器，均屬于分立式溫度傳感器，傳感器本身就是一個(gè)完整的、獨(dú)立的感溫元件。使用時(shí)還需配上二次儀表，才能完成溫度測(cè)量及控制功能。因此，分立式溫度傳感器將逐漸被淘汰。模擬集成溫度傳感器是在 20 世紀(jì) 80 年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用 IC，它屬于最簡(jiǎn)單的一種集成溫度傳感器。外圍電路簡(jiǎn)單，它是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用員為普遍的一種集成傳感器。 模擬集成溫度控制器 模擬集成溫度控 制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM5 AD22105 和 MAX6509。 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。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。 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。例如，美國(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。 MAXl298／ 1299 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部電路如圖 1— 1 所示。該串行接口能與 SPI 總線、 QSPI 總線及 MICROWIRE 服總線兼容。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 )。其模擬輸入端既可接電壓信號(hào)，亦可接溫度傳感器。 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℃。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。 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)。 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。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。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)。典 型產(chǎn)品有 DSl6 DS162 TCN7 LM7 MAX6625。 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。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。 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。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。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)。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。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。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。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。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。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。 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。 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。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 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。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)。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。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。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)。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。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。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。根據(jù)溫度控制的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)。 AT89C51 單片機(jī)是美國(guó) Intel 公司的 8 位高檔單片機(jī)系列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖如圖 2— 1 所示。 中央處理器 CPU 中央處理器 CPU 是單片機(jī)的核心。同一般微機(jī)的CPU類似。如圖 21AT89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖。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。運(yùn)算結(jié)果的 狀態(tài)由程序寄存器 PSW 保存。而且還能對(duì) 8 位變量進(jìn)行邏輯“與”“或”“異或”循環(huán)位移等邏輯運(yùn)算。專門存放操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果。用于存放標(biāo)志寄存器。 PSW 各位的狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程中自動(dòng)設(shè)置的。狀態(tài)寄存器共有進(jìn)位標(biāo)志位 CY、輔助進(jìn)位標(biāo)志位（或稱半進(jìn)位） AC、用戶自定義標(biāo)志位 F0、工作寄存器組選擇位 RS RS0、溢出標(biāo)志位 OV、奇偶標(biāo)志位 P。它包括程序計(jì)數(shù)器 PC、指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID、數(shù)據(jù)指針 DPTR、堆棧指針 SP、緩沖器和定時(shí)器控制電路等。完成一系列定時(shí)控制的微操作。 AT89C51 單片機(jī)引腳功能 AT89C51 系列單片機(jī)的封裝形式有兩種：一種是雙列直插方式封裝；另一種是方形封裝。其 CMOS 工藝制造的低地功耗芯片也有采用方形封裝的。由于 89C51 單片機(jī)是高性能的單片機(jī)。如 圖 22 單片機(jī)引腳圖。 XTAL1:接外部石英體和微調(diào)電源的一端。 其中，對(duì)用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī) ,XTAL1 腳接地， XTAL2 腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 16 圖 22 單片機(jī)引腳圖 3. 引腳功能 I\O 引腳共 32 根。 P0 口即可作為地址/數(shù)據(jù)總 線使用，又可作為通用的 I/O 口線。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 時(shí)， P0 口分時(shí)復(fù)用為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線。 ③ P2 口： 統(tǒng)稱為 P2 口。 P2 口即可作為通用的 I/O 口使用。與 P0 口組成 16位片外存儲(chǔ)器單元地址。是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線。每個(gè)引腳還具有第二功能。 ① ALE/PROG 地址鎖存有效信號(hào)輸出率。 ③ RST/VPD 復(fù)位信號(hào)備用電源輸入信號(hào)。 AT89C51 單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) AT89C51 單片機(jī)的存儲(chǔ)器物 理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器 4 個(gè)存儲(chǔ)空間。 各端口的功能不同，結(jié)構(gòu)上也有差異，但是每個(gè)端口的 8 位結(jié)構(gòu)是完全相同的。 口。 口。無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 18 其輸出驅(qū)動(dòng)部分由場(chǎng)效應(yīng)管 V1 與內(nèi)部上拉電阻組成，當(dāng)某某位輸出高電平時(shí)，可以提供上拉電流負(fù)載，不必像 P0 口上那樣需要外接上拉電阻。 P2 口也為準(zhǔn)雙向口。 P3 口的輸出驅(qū)動(dòng)由與非門 3 和 V1 組成，比 P0、 P P2 口結(jié)構(gòu)多了一個(gè)緩沖器 口除了可為通用準(zhǔn)雙向 I/O 接口外，每一根線還具有第二功能。圖 2 25 所示。即單字節(jié)單機(jī) 器周期指令、單字節(jié)雙機(jī)器周期指令、單字節(jié)四機(jī)器周期指令，雙字節(jié)單機(jī)器指令、雙字節(jié)雙機(jī)器周期指令和三字節(jié)雙機(jī)器周期指令。復(fù)位分為上電復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。計(jì)算機(jī)只能識(shí)別和執(zhí)行機(jī)器語言指令。 3 DS18B20 溫度傳感器 DS18B20 溫度傳感器的性能特點(diǎn) DS18B20 溫度傳感器是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通 過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)９～１２位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 I/O C 64 位 ROM 和 單 線 接 口 高速緩存 存儲(chǔ)器與控制邏 輯 溫度傳感器 高溫 觸發(fā)器TH 低溫觸發(fā)器 TL 配置寄存器 8位 CRC發(fā)生器 Vdd 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 21 圖 31 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 64 位 ROM 的結(jié)構(gòu)開始８位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè) DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存ＲＡＭ和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EERAM。頭２個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第 ３和第４字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。 DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。低５位一直為１，ＴＭ是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式， DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為０，用戶要去改動(dòng)， R1 和Ｒ 0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第１、２字節(jié)。 當(dāng)符號(hào)位Ｓ＝０時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位Ｓ＝１時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。 表 31 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表 溫度 LSB 溫度 MSB TH 用戶字節(jié) 1 TL用戶字節(jié) 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 23 R0R1000101119101112分辨率/位 溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ms93 .7518 37 575 0.... DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TＬ字節(jié)內(nèi)容作比較。因 此，可用多只 DS18B20 同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。主機(jī) ROM 的前 56 位來計(jì)算 CRC 值，并和存入 DS18B20 的 CRC 值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM 數(shù)據(jù)是否正確。器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振 蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量。 減法計(jì)數(shù)器１對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減