温度传感器在冰箱中的应用

实验一：温度传感器在智能冰箱中的应用

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一、研究现状：

在市场上，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9-12 位的数字值读书方式。可以分别在93.75ms 和750ms 内完成9 位和12 位的数字量，并且从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 系统结构更趋简单，可靠性更高，而其超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20 更受欢迎。对于普通的电子爱好者来说，DS18B20 的优势更是学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。DS18B20 的主要特征有：全数字温度转换及输出；先进的单总线数据通信；最高12 位分辨率，精度可达土0.5 摄氏度；12 位分辨率时的最大工作周期为750 毫秒；可选择寄生工作方式；检测温度范围为–55° C ~+125° C (–67° F ~+257°F)；内置EEPROM，限温报警功能；64 位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；多样封装形式，适应不同硬件系统。DS18B20 以其较高的综合性能获得了较高的市场率，但其精度仅能实现-10°C～+85° C 下误差土0.5°C，这与其使用的测温原理有关，DS18B20 采用了不同温度系数的振荡器测量振荡周期的方法进行测温，较高的非线性可能导致其精度无法提升。纵观国外温度传感器的研制情况，精度及其他指标最高的，还属于智能型的CMOS 集成温度传感器。该传感器使用的是双极型晶体管的基极-发射极电压VBE 作为测温信号，通过直流低频信号直接测量出温度的变化。从集电极电流IC 和基极-发射极电压VBE 之间著名的指数关系，可以得到以下VBE 与绝对温度T 的关系函数。VBE(T)几乎是温度的线性函数，其典型的斜率是-2mV/K。如果集电极电流比是常数，两个不同集电极电流IC1 和IC2 驱动的晶体管VBE 的差值ΔVBE 与绝对温度成正比关系（PTAT）。在一个带隙基准电压源中，放大的ΔVBE 加到VBE 上产生一个与温度无关的基准电压VREF，在后面的ADC 中可以

利用这些量准确的测量出与温度正比的物理量，从而计算得到比较准确的温度值。[31] 国外的智能温度传感芯片多采用9-12 位的A/D 转换器，其分辨力可达0.5-0.0625℃。这些只能的温度传感器大多由片上Σ-ΔADC 和数字总线接口在CMOS 工艺下实现。传感器使用衬底PNP 晶体管用于产生温度传感器和ADC 的参考电压。通过使用斩波放大器和动态元件匹配使得读出电路获得了高的初始精度，采用二阶曲率校正获得高线性度。通过一系列的措施降低或消除各种非理想因素，最后使得传感器的温度偏差主要由PNP 晶体管的基极-发射极电压决定的，并利用片内额外的晶体管测量校准得到环境温度，与传感器的输出相比较整理后得到最终结果。相比于传统的测量校准技术，这个方案更迅速、生产成本更低。这几年来温度传感器的研究仍朝着精度更高、体积更小的发展趋势在前进。

二、温度传感器在智能冰箱中的应用

1、应用介绍：电冰箱温度控制系统是利用温度传感器DS18B20采集电冰箱冷藏室和冷冻室的温度，通过INTEL公司的高效微控制器MCS-C51单片机进行数字信号处理，从而达到智能控制的目的。本系统可实现电冰箱冷藏室和冷冻室的温度设置、电冰箱自动除霜、开门报警等功能。

通过对直冷式电冰箱制冷系统的改进和采用模糊控制技术，实现了电冰箱的双温双控，使电冰箱能根据使用条件的变化迅速合理地调节制冷量，且节能效果良好。

2、工作原理：根据冷藏室和冷冻室的温度情况决定是否开压缩机，若冷藏室的温度过高，则打开电磁冷门V1,关闭阀门V2，V3，同时打开压缩机，产生高温高压过热蒸气，经过冷凝器冷凝，干燥过滤器干燥，毛细节流管降压后，在蒸发器汽化制冷，产生低温低压的干燥气体。经过电磁阀门V1 流入冷藏室，使冷藏的温度迅速降低，当温度达到要求时关闭压缩机，同时关闭电磁阀门V1 。若是冷冻室的温度过高，则应打开V2关闭V1, V3 。电磁阀门V3主要用于冷冻室的化霜。需要化箱时打开V3,从压缩机流出的高温高压气体流经冷冻室可匀速将冷冻室霜层汽化。达到化霜的效果。一般化霜的时间要短，不然会伤存放的食品。

3、原理图及分析：

控制系统结构如图所示，主要由电源开关，电压检测装置，温度传感器，功能按键，单片机，延时电路，显示电路，指示灯电路，除霜装置和故障报警装置等够成。

图1 控制系统结构图

DS1820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影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1 ，计数器1的预置将重新被装入，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，其输出用于修正计数器1的预置值。

图2 DS1820测温原理图

在正常测温情况下，DS1820的测温分辩率为0.5℃以9位数据格式表示，其中最低有效位（LSB）由比较器进行0.25℃比较，当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25℃时，清除温度寄存器的最低位（LSB），当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25℃，置位温度寄存器的最低位（LSB）。

三、学习体会：

经过一段时间的学习，我对温度传感器的功能、种类、结构原理、当前的研究现状和发展趋势都都有了一定的了解。它的应用领域也十分广泛，它们的基本原理都是将各种被测非电量的变化转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目的，测量温度越来越精确。通过学习，发现自己掌握的基础知识还不够牢靠，这次又补充了温度传感器方面的详细知识。受益匪浅，今后还要继续努力。