第2章_温度测量 - 集成温度传感器-王威立

1．伏安特性
工作电压：4V～30V，I 为一恒流值输出，I∝Tk， 即： I = KT ·TK
KT——标定因子，AD590的标定因子为1μA/K I/μA
423
298 218 0 30V
+150℃ +25℃ -55℃
4V
U/V
AD590伏安特性曲线
2．温度特性
其温度特性曲线函数是以 Tk为变量的n阶多项式之和， 省略非线性项后则有: I=KT· Tc＋273.2
3.DS18B20的工作原理
3.DS18B20的工作原理
低温度系数晶体振荡器输出周期
低温度系数晶体振荡器输出周期
3.DS18B20的工作原理
So
2.DS18B20的结构
64bit ROM 和单线接 口 电 源 检 测 存储器控制逻辑 温度灵敏元件 存 储 器 高温触发器 低温触发器 8位CRC触发器
寄生电源
DS18B20内部结构图
提供 电流
89C51
P1.0 P1.1
P1.2 Tx Rx
通过试验发现: +5V 可挂接DS18B20 DS18B20 DS18B20 DS18B20 数十片，距离可 达到50m，而用 …… 一个口时仅能挂 接10片DS18B20， GND VDD 距离仅为20m。 同时，由于读写 P1.1作输出口用，相当于Tx 在操作上是分开 P1.2作输入口用，相当于Rx 的，故不存在信 号竞争问题。
采用寄生电容供电的温度检测系统

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（地址： 28H ）是产品类型 标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，并且 每个 DS18B20 的序列号都不相同，因此它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码；最后 8 位则是前面 56 位的循 环冗余校验码（ CRC=X8+X5+X4+1 ）。由于每一个 DS18B20 的 ROM 数据都各不相同，因此微控制器就可 以通过单总线对多个 DS18B20 进行寻址，从而实现一根 总线上挂接多个 DS18B20 的目的。
2.8.1 集成温度传感器基本工作原理 一、工作原理
若三极管的发射结处于正向偏置，并使集电极 电流恒定，则三极管基极与发射极之间的电压和温 度的关系为
---绝对零度时PN结材料的导带和价带的电势差。
2.8.1 集成温度传感器基本工作原理
集成温度器是以晶体管 作为感温元件，并将温敏晶 体管及辅助电路集成在一块 芯片上。单个晶体管基极— 发射极之间的电压在恒定集 电极电流的条件下，可以认
(a) 外形； (b) 电路符号； (c) 内部原理框图
对管VT1、VT2作为恒流 源负载，VT3、VT4作为 感温元件，VT3、VT4发 射结面积之比为γ ，此 时电流源总电流IT为：
2U be 2 KT ln R qR
I T 2 I1
当R、γ 为恒定量时,IT与T成线性关系。若 R=358Ω，γ =8，则电路输出温度系数为1μA/K。
2.8 集成温度传感器




集成温度传感器是把感温元件（常为PN结） 与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装 而成。 集成温度传感器具有体积小、线性好、反应 灵敏等优点，所以应用十分广泛。 由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器 通常测量150℃以下的温度。 集成温度传感器按输出量不同可分为： 电流型、电压型和数字输出型三大类。
3．应用计算
解：∵ 忽略非线性误差。 ∴ 设AD590输出电流I=Kt+t0 当t=25℃时, 298.2=1×25+t0 ∴ t0=273.2 ∴ I=Kt+273.2 电压表对应电压: Vt =IR =(1×t+273.2)×10-6×1.5×103 ∴ V-25 =(-25+273.2)×10-6×1.5×103 =372.3(mV) V120 =(120+273.2)×10-6×1.5×103 =589.8(mV)
（附：）R1、R2不变则U0与T成线性关系。若R1=940Ω，
R2=30KΩ，γ =37，则电路输出温度系数为10mV/K。
电压型集成温度传感器μ PC616A/C
μPC系列的传感器是NEC公司的产品，μPC616 是典型产品之一，μPC616输出电压和温度成正比， 灵敏度为10 mV/K(10 mV/℃)。由于它在温度变化 正电路， 可直接组成绝对温度测量电路。 μPC616有A、C两个型号系列， μPC616A的测量 范围是-40～+125℃，而μPC616C测量范围是-25～ +85℃。
②温度控制 传感器的2脚作温度设定值的输入端,通过调节电位器Rw,使它 的电阻值定在与某一温度相对应的电压值上。当外界温度超过或 低于此温度时,1脚会输出高电平或低电平,完成对温度的判断,进 而实现对温度的控制或进行报警。
二、电流输出型集成温度传感器
电流输出型典型集成温度传感器 有AD590（美国AD公司生产），国内 同类产品SG590。器件电源电压4～30V， 测温范围-50～+150℃。
(3) μPC616电压型集成温度传感器的应用 可用于测温或温度控制 ①测温
电路中的1脚、2脚相连，第3脚与1，2脚之间具有10mV/K的温 度系数，即输出电压V0=(10mV／K)×T，T为绝对温度。 因为第3、4脚之间有一个相当于6.85V的稳压管。为使稳压管能 正常工作，外加电源应大于6.85V并需串入一个电阻，这个电阻 值的大小根据μPC616工作电流(约1mA)和外加电压来确定，例如 外加电压为15V，则： R=(VC-V)/I=(15-6.85)/1×10-3=8.15KΩ
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用 16位二进制形式提供，形式表达，其中S为符号位。
例 如＋125℃的数字输 出为07D0H （正温度 直接把16进制数转成10 进制即得到温度值 ） -55℃的数字输出为 FC90H。 （负温度 把 得到的16进制数 取反后 加1 再转成10进制数）
(1)μPC616电压型集成温度传感器的外形和管脚功能
(2)μPC616电压型集成温度传感器的内部结构
μPC616电路可分为 温度传感器部分、 稳压部分和 运算放大器部分。
μpc616的内部结构
温度传感器部分具有10mV/K的温度 系数，其输出电压的绝对值在T=25℃ 时为2.982V(对应于298.2K)，因此 μPC616可以很方便地把它的输出值 转换成绝对温度值。 稳压部分中具有温度补偿电路，因而使输出电压十分稳定，整 个电路性能具有稳定、可靠和重复性好的优点，这部分电路等效 成一个击穿电压为6.85V的齐纳二极管。 运算放大器在电路中具有两个功能，其一是当μPC616用于测温 时，运算放大器的反相输入端与输出端连接而成为电压跟随器， 输出信号与所测绝对温度(K)相对应，输出电压与温度的对应值 为100K／V；第二个功能是反相输入端单独使用，作为温度控制 时设定值的输入端。
Tc——摄氏温度；I 的单位为μA。 可见，当温度为0℃时，输出电流为273.2μA。在常温25℃ 时，标定输出电流为298.2μA。
I/ μA 273.2μA - 55 0 150 TC / º C
AD590温度特性曲线
3．应用计算 例题：如测温电路图所示，AD590测量灵敏度K=1μ A/℃, 当温度为25℃时输出电流为298.2μ A/℃,求当温度分别 为-25℃和+120℃时，电压表对应电压值为多少？ （注：不考虑非线性误差。）
2.8.1 集成温度传感器基本工作原理
由电路图可知
由上式可以求出对管基极— 发射极电压之差为：
对管差分电路
一、电压输出型集成温度传感器
调节电阻R1，可使I1=I2，当三极管VT1、VT2的β值远大 于1时，电路输出电压UO为：
U 0 I 2R 2
U be
R1
R2
R 2 kT Ic 2 ( ) ln R1 e I c1
三、数字输出型集成温度传感器
1.DS18B20的特性
无需外围元件；
由总线提供电源； 测温范围为-55℃～125℃； 可编程的分辨率（9～12位） ，可分辨温度可达0.0625 ℃ A/D变换时间为93.75~750ms；
单线接口：仅需一根口线与MCU连接；
用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别 具体报警传感器。