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  • 智能温度传感器DS18B20的原理与应用

    千次阅读 2014-04-22 08:36:34
    文章详细的介绍了单线数字温度传感器DS18B20的测量原理、特性以及在温度测量中的硬件和软件设计,具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点。  关键词:DS18B20;单线制;温度传感器;单片机  ...

    作者:赵海兰 赵祥    文章来源:现代电子技术


        摘  要DS18B20是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器,他具有独特的单线总线接口方式。文章详细的介绍了单线数字温度传感器DS18B20的测量原理、特性以及在温度测量中的硬件和软件设计,具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点。
        
    关键词DS18B20;单线制;温度传感器;单片机

        DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量,并且DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

    1.DS18B20简介
        
    1)独特的单线接口方式:DS18B20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。
        
    2)在使用中不需要任何外围元件。
        
    3)可用数据线供电,电压范围:+3.0~+5.5 V。
        
    4)测温范围:-55 ~+125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。
        
    5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
        
    6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
        
    7)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点测温。
        
    8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
    2.DS18B20的内部结构
        DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图1所示。

        (1) 64 b闪速ROM的结构如下:

        开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
        (2) 非易市失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。
        (3) 高速暂存存储器
        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E2RAM。后者用于存储TH,TL值。数据先写入RAM,经校验后再传给E2RAM。
    而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节,他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下:


        5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决定温度转换的精度位数,即是来设置分辨率,如表1所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。

        由表1可见,设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时间就越长。因此,在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
        
    高速暂存存储器除了配置寄存器外,还有其他8个字节组成,其分配如下所示。其中温度信息(第1,2字节)、TH和TL值第3,4字节、第6~8字节未用,表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。

        DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2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,数据格式以0062 5 ℃/LSB形式表示。温度值格式如下:

        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,先将补码变换为原码,再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。

        DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与TH,TL作比较,若T>THT<TL,则将该器件内的告警标志置位,并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。
        (4) CRC的产生
        
    64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。

    3.DS18B20的测温原理
        DS18B20的测温原理如图2所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小[1
    ,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 ℃所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器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2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。

        另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为:初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同,可参看文献[2]。

    4.DS18B20与单片机的典型接口设计
       
    MCS51单片机为例,图3中采用寄生电源供电方式, P11口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管和89C51的P10来完成对总线的上拉2]。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10 μs。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线,因此发送接收口必须是三态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经3个步骤:初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。假设单片机系统所用的晶振频率为12 MHz,根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序,分别编写3个子程序:INIT为初始化子程序,WRITE为写(命令或数据)子程序,READ为读数据子程序,所有的数据读写均由最低位开始,实际在实验中不用这种方式,只要在数据线上加一个上拉电阻4.7 kΩ,另外2个脚分别接电源和地。

    5.DS18B20的精确延时问题
        
    虽然DS18B20有诸多优点,但使用起来并非易事,由于采用单总线数据传输方式,DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。因此,对读写的操作时序要求严格。为保证DS18B20的严格I/O时序,需要做较精确的延时。在DS18B20操作中,用到的延时有15 μs,90 μs,270 μs,540 μs等。因这些延时均为15 μs的整数倍,因此可编写一个DELAY15(n)函数,源码如下:

        
    只要用该函数进行大约15 μs×N的延时即可。有了比较精确的延时保证,就可以对DS18B20进行读写操作、温度转换及显示等操作。
    6.结语
        
    我们已成功地将DS18B20应用于所开发的“LCD显示气温”的控制系统中,其测温系统简单,测温精度高,连接方便,占用口线少,转换速度快,与微处理器的接口简单,给硬件设计工作带来了极大的方便,能有效地降低成本,缩短开发周期。

    参考文献

    1]胡振宇,刘鲁源,杜振辉DS18B20接口的C语言程序设计[J]单片机与嵌入式系统应用,2002,(7)
    2]金伟正单线数字温度传感器的原理与应用[J].电子技术应用,2000,(6):6668

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    千次阅读 2012-10-22 08:38:56
    1 、应变片压力传感器原理与应用  力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式 压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传 感器等...
    1 、应变片压力传感器原理与应用
    

        力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式
    压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传
    感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好
    的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

        在了解压阻式力传感器时,我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种
    将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成
    部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片
    又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产
    生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的
    阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通
    常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处
    理电路(通常是A/D 转换和CPU )显示或执行机构。

    电阻应变片的工作原理

        金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的
    现象,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示:

        式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω。cm2/m )

        S ——导体的截面积(cm2 )

        L ——导体的长度(m )

        我们以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,
    从上式中可很容易看出,其电阻值即会发生改变,假如金属丝受外力作用而伸长时,其长度
    增加,而截面积减少,电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时,长度减小而截面增
    加,电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压),即可获得
    应变金属丝的应变情

        2 、陶瓷压力传感器原理及应用

        抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片
    产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥(闭桥),由于
    压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电
    压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等,可以和应变式传
    感器相兼容。通过激光标定,传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性,传感器自带温度
    补偿0 ~70℃,并可以和绝大多数介质直接接触。

        陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性
    及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ~135 ℃,而且具有测量的高精度、高稳
    定性。电气绝缘程度>2kV,输出信号强,长期稳定性好。高特性,低价格的陶瓷传感器将是
    压力传感器的发展方向,在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势,在中国也越来越多
    的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

        3 、扩散硅压力传感器原理及应用

        工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与
    介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,和用电子线路检测这一变化,并转
    换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

     4 、蓝宝石压力传感器原理与应用

        利用应变电阻式工作原理,采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量
    特性。

        蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成,不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;蓝宝石比硅要坚
    固,硬度更高,不怕形变;蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性(1000 OC 以内),因此,
    利用硅- 蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很
    好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外,硅- 蓝宝石半导体敏感元件,无p-n 漂移,
    因此,从根本上简化了制造工艺,提高了重复性,确保了高成品率。

        用硅- 蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器,可在最恶劣的工作条件下正
    常工作,并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

        表压压力传感器和变送器由双膜片构成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异
    质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片,被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接
    收膜片上(接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起)。在压力的作用下,钛合金
    接收膜片产生形变,该形变被硅- 蓝宝石敏感元件感知后,其电桥输出会发生变化,变化的
    幅度与被测压力成正比。

        传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电,并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电
    信号输出(0-5 ,4-20mA或0-5V)。在绝压压力传感器和变送器中,蓝宝石薄片,与陶瓷基
    极玻璃焊料连接在一起,起到了弹性元件的作用,将被测压力转换为应变片形变,从而达到
    压力测量的目的。

        5 、压电压力传感器原理与应用

        压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英
    (二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,
    压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的
    “居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低),所以石英逐
    渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能
    在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体,能够承受高温和相当
    高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。

        现在压电效应也应用在多晶体上,比如现在的压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷、PZT 、
    铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

        压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力
    作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,
    所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

        压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用
    的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度
    传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别
    是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力
    的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬
    间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力,也可以用来测量微小的
    压力。

        压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中,比如说心室导管式微音器就是由压电传感
    器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广泛.

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半导体传感器原理与应用