集成温度传感器

一、IC温度传感器的分类 电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器， 数字输出型IC温度传感器。
电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放 大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大 器；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于 其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长 线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。
１、 DS1820的特性 单线接口：仅需一根口线与MCU连接；
无需外围元件；
由总线提供电源； 测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃；
九位温度读数；
A/D变换时间为200ms； 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。
2、 DS1820引脚及功能
第四节 IC温度传感器
设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。 优点：输出线性好、测量精度高, 传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分 集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越
得到广泛应用。 本节简要介绍IC温度传感器的类型、基本原理、主要特性及其应用等有关问题。
+5V
DS1820
89C51
DS1820
DS1820
P1.0 P1.1 P1.2
……
Tx
Rx
GND VDD
P1.1作输出口用，相当于Tx P1.2作输入口用，相当于Rx
采用寄生电容供电的温度检测系统
温度检测系统原理图如图所示，采用寄生电源供电 方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的 电流，我们用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P1.0） 来完成对DS1820总线的上拉。当DS1820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10μs。采用寄生电源供电方式时VDD 必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必 须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发 送口Tx，P1.2口作接收口Rx。通过试验我们发现此种方 法可挂接DS1820数十片，距离可达到５０米，而用一个 口时仅能挂接10片DS1820，距离仅为20米。同时，由于 读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问题。
二、IC温度传感器的测温原理
电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移 现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。 但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传 感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温 度传感器件。 利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。
0 －20 0 20 40 60 温度/ºC AN6701S的输入特性 80
（二）电流型温度传感器 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 1μA/℃ KT——标定因子，AD590的标定因子为
I/μA 423 298 218 0
+150℃ +25℃
-1/2
-25 -55
FFFFH
FFCEH FF92H
(2) 温度测量原理
DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，如图。
斜率累加器 预置
比较 计数器1
加1 温度寄存器 预置
低温度系数晶振
置位/ 清零
=0 高温度系数晶振 计数器2
停止
=0 温度测量电路
(3) 64位激光ROM
64位ROM的结构如下： 开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件 的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也 是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。主机操作ROM的命 令有五种，如表所列
图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温 度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高 速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温 度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗 余校验码（CRC）发生器等七部分。
64bit ROM 和单线 接口
存储器控制逻辑 存 储 器
（三）数字输出型IC温度传感器
美国 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器 DS1820 ， 可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。 由于每片 DS1820 含有唯一的串行序列号，所以在一条 总线上可挂接任意多个 DS1820 芯片。从 DS1820 读出的 信息或写入 DS1820 的信息，仅需要一根口线（单总线 接口）。读写及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 DS1820 供电，而无需额外电源。 DS1820 提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而 无需任何外围硬件。
指 令
读ROM（33H） 匹配ROM（55H） 跳过ROM（CCH） 搜ROM（F0H） 报警搜索（ECH）
说 明
读DS1820的序列号 继读完64 位序列号的一个命令，用 于多个DS1820时定位 此命令执行后的存储器操作将针对 在线的所有DS1820 识别总线上各器件的编码，为操作 各器件作好准备 仅温度越限的器件对此命令作出响 应
DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连接 主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为微 处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的器 件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载能 力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线总 线要求加一只5kΩ左右的上拉电阻。
应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时， 就要减小上拉电阻的阻值，否则总线拉不成高电平， 读出的数据全是0。在测试时，上拉电阻可以换成一个 电位器，通过调整电位器可以使读出的数据正确，当 总线上有8片DS1820时，电位器调到阻值为1.25kΩ时就 能读出正确数据，在实际应用时可根据具体的传感器 数量来选择合适的上拉电阻。
DS1820温度与数字量对应关系表 温度/℃ +125 +25 输出的二进制码 0000000011111010 0000000000110010 对应的十六进制码 00FAH 0032H 0001H 0000H
+1/2
0
0000000000000001 0000000000000000
1111111111111111 1111111111001110 1111111110010010
GND：地； VDD：电源电压 I/O：数据输入／输出脚(单线接口，可作寄生供电)
I/O
1 2 3 4
5
VDD NC NC NC
DS 1820
1 2 3
GND
NC NC
6
DS1820
7 8
GND I/O VDD
(a) PR—35封装
(b) SOIC封装
DS1820的管脚排列
3 、DS1820的工作原理
DS1820存贮控制命令 指 令 说 明
温度转换（44H）
启动在线DS1820做温度A/D转换
读数据（BEH）
写数据（4EH） 复制（48H） 读EERAM（B8H） 读电源供电方式（B4H）
从高速暂存器读9bits温度值和CRC值
将数据写入高速暂存器的第0和第1字节中 将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM 将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字 节 了解DS1820的供电方式
-55℃
4V
30V
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· TcμA ＋。 273.2 Tc——摄氏温度；I 的单位为 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。
DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号 f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。 当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由 高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可 对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。 一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号 位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.4-1给出 了DS1820温度和数字量的对应关系。
温度传感器 高温触发器 低温触发器 8位CRC触发器
电 源 检 测
DS1820内部结构图
(1 ) 寄生电源 寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源 供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上 的电压继续向器件供电。 寄生电源两个优点： 检测远程温度时无需本地电源； 缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电电路和与之相容的薄膜 工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术, 制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流 正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流， 所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10MΩ。这为远距 离传输深井测温提供了一种新型器件。
三、IC温度传感器的主要特性
（一）电压输出型集成温度传感器 AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传 感器，它有四个引脚，三种连线方式：(a)正电源供电， (b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25℃ 下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范围内 。这时灵敏度可达109~110mV/℃，在-10~80℃范围内基 本误差不±1℃。
DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时 隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。 DS1820工作工程中的协议：初始化、ROM操作命令、存 储器操作命令、处理数据。