摘 要: 溫度傳感器根據(jù)其接口方式大體可分為模擬溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器，通過具體芯片的應(yīng)用，介紹了這兩種溫度傳感器的特點(diǎn)，以及各自與微處理器的具體接口。重點(diǎn)討論了具有數(shù)字接口的半導(dǎo)體溫度傳感器，并對溫度傳感器未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞: 溫度傳感器 微處理器 溫度開關(guān) 數(shù)字接口
溫度的測量控制一般采用各式各樣的溫度傳感器，常用的溫度傳感器及其測溫范圍(°C)為:熱電偶(-184～2300)，熱電阻(-200～850)，熱敏電阻(-55～300)，半導(dǎo)體(-55～150)。根據(jù)溫度傳感器輸出方式及接口方式的不同，大體可以分為模擬溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器。模擬溫度傳感器輸出的模擬信號，必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能由微處理器進(jìn)行處理。數(shù)字溫度傳感器輸出的數(shù)字信號，一般只需少量外部元器件就可直接送至微處理器進(jìn)行處理。隨著計算機(jī)及半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，溫度傳感器尤其是具有數(shù)字接口的半導(dǎo)體溫度傳感器得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。
1 模擬溫度傳感器
1.1 輸出電壓或電流信號的模擬溫度傳感器
傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器都是將溫度值經(jīng)過一定的接口電路轉(zhuǎn)換后輸出模擬電壓或電流信號，利用這些電壓或電流信號即可進(jìn)行測量控制。如果想將這種模擬信號轉(zhuǎn)換成微處理器可以處理的信號，需利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后由微處理器讀取即可，如圖1所示。
另一種轉(zhuǎn)換方式是進(jìn)行V/F變換。V/F變換器實(shí)際上是一個振蕩頻率隨控制電壓變化而變化的振蕩電路。其特點(diǎn)是有良好的精度、線性度和積分輸入，且電路簡單。圖2為微處理器與V/F變換器及溫度傳感器的接口電路。其中V/F變換器采用AD公司的AD654。通過調(diào)整，AD654可輸出0～500kHz的脈沖串，將輸出與單片機(jī)的定時器/計數(shù)器T1相連進(jìn)行計數(shù)，并用定時器T0進(jìn)行定時。通過對所計的數(shù)進(jìn)行計算與轉(zhuǎn)換，便可得到傳感器當(dāng)前溫度值。
電壓輸出溫度傳感器的主要特點(diǎn)是電源電壓和電流比較低，在傳輸線路電壓降和電壓噪聲不是主要影響因素時，其電壓輸出可直接成為控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號。常用的電壓輸出半導(dǎo)體溫度傳感器有AD公司的TMP35/36/37、NS公司的LM35/45/50/60等。
在某些特殊場合，需使用電流輸出的溫度傳感器。電流輸出溫度傳感器的主要特點(diǎn)是輸出阻抗高，輸出電流不受傳輸線路電壓降和電壓噪聲的影響，且對電源電壓的脈動和漂移具有很強(qiáng)的抑制能力。電流輸出溫度傳感器欲與微處理器接口時，一般需將電流變成電壓，然后再用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成微處理器可以處理的信號。這樣的傳感器有AD公司的AD590、TMP17等。
1.2 輸出跳變信號的模擬溫度傳感器
在某些系統(tǒng)中，并不需要知道精確的溫度值，而只需了解溫度是否高于或低于某特定值即可。該信息可用來觸發(fā)風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器等控制單元。這種特殊的模擬溫度傳感器一般只是輸出跳變信號進(jìn)行控制，通常稱之為溫度控制器。
用一個電壓比較器取代圖1中的ADC，產(chǎn)生的1位輸出可驅(qū)動微控制器的一條I/O線，如圖3所示。為避免電源電壓變化的影響，比較器的門限電壓可取自電壓基準(zhǔn)而非電源電壓。
將傳感器與比較器組合電路進(jìn)行集成，使系統(tǒng)進(jìn)一步簡化。這種集成的溫度控制器經(jīng)常被稱為溫度開關(guān)。這種單片器件組合了傳感器、比較器、電壓基準(zhǔn)和必要的電阻等多種器件。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)門限時，輸出電平發(fā)生跳變，控制加溫或致冷器件通斷。MAXIM公司的MAX6501/6502是熱溫開關(guān)，從廠家45°C到95°C預(yù)置了6種溫度門限。MAX6503/6504是冷溫開關(guān)，其溫度門限為-15°C和5°C兩種。MAX6501/6503為開漏輸出，低電平有效。MAX6502/6504為推拉輸出，高電平有效。MAX6501的輸出經(jīng)上拉電阻后可以直接驅(qū)動微處理器的中斷或復(fù)位，如圖4所示。MAX6502的輸出經(jīng)簡單驅(qū)動后，可以直接控制風(fēng)扇工作。通過一些簡單的電路配合，還可以將其應(yīng)用于溫度窗口報警。分層次控制等。這樣的芯片還有AD公司的AD22105等。
2 數(shù)字溫度傳感器
將模擬溫度傳感器與數(shù)字轉(zhuǎn)換接口電路集成在一起，就成為具有數(shù)字輸出能力的數(shù)字溫度傳感器。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體溫度傳感器與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路、接口電路以及各種其它功能電路逐漸集成在一起，形成了功能強(qiáng)大、精確、價廉的數(shù)字溫度傳感器。
2.1 單線輸出的數(shù)字溫度傳感器
單線輸出的特點(diǎn)是接口電路簡單，測出的溫度值精確，所以在一般應(yīng)用中，這種芯片得到了偏愛。由于只有一根輸出線，測量出的溫度值必須轉(zhuǎn)換成某種方式進(jìn)行輸出。常見的輸出方式有時間輸出、頻率輸出及數(shù)值輸出等，然后再由微處理器將溫度傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成真實(shí)溫度值，進(jìn)行進(jìn)一步的處理與控制。
2.1.1 時間輸出的溫度傳感器
AD公司的TMP03/04是常用的時間輸出的數(shù)字溫度傳感器。它們輸出經(jīng)過調(diào)制后的矩形波，應(yīng)用中只需測得其輸出方波占空比T1/T2中T1和T2的實(shí)際時間寬度，即可計算出被測對象的溫度。與微處理器連接時只需將芯片輸出與微處理器的定時器/計數(shù)器相連，就可很容易地測出T1、T2的時間寬度，并計算出相應(yīng)的溫度值。TMP03為集電極開路輸出，需上拉電阻，TMP04為開漏輸出，可直接驅(qū)動邏輯電路。MAXIM公司的MAX6576也是一種輸出時間的溫度傳感器。它輸出的方波信號周期正比于絕對溫度。其接口方式如圖5所示。
MAXIM公司的MAX6575L/H芯片是另一種非常方便實(shí)用的時間輸出的溫度傳感器。它的特點(diǎn)是在一根I/O線上最多可以同時接8只芯片，同時測8個點(diǎn)位的溫度而不相互干擾。通過對管腳TS0、TS1的不同連接及選擇“L”、“H”不同型號，可以設(shè)置芯片的不同延時系數(shù)。測量溫度時，微處理器啟動轉(zhuǎn)換，經(jīng)正比于絕對溫度值的延時tDx后，MAX6575拉低I/O線。通過測量這個延時時間tDx，再利用所設(shè)置的該芯片的延時系數(shù)，可以計算出該芯片所測的溫度值。由于各芯片延時系數(shù)不同，其延時時間并不會相互重疊，使用微處理器的定時器/計數(shù)器可以分別測出各個芯片的延時時間，再計算出各個芯片所測出的溫度。
2.1.2 頻率輸出的單線溫度傳感器
MAX6577是輸出頻率信號的數(shù)字溫度傳感器。它輸出占空比為1/2的方波，其頻率正比于絕對溫度。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用方式與MAX6576非常相擬。通過引腳TS0、TS1選擇適當(dāng)?shù)念l率/溫度比例常數(shù)，再由微處理器的內(nèi)部計數(shù)器測出頻率后，計算出所測溫度。其與微處理器的接口方式見圖5。
2.1.3 數(shù)值輸出的單線溫度傳感器
數(shù)值輸出的單線溫度傳感器直接以串行方式輸出芯片測出的具體溫度數(shù)值，所以其時序非常重要。DALLAS公司的DS1820就是這樣一種獨(dú)特的溫度傳感器。它只需一個接口引腳即可通信，可用數(shù)據(jù)線供電，并具備多點(diǎn)測溫能力。其硬件連接及時序圖如圖6所示。其讀寫時序主要有復(fù)位、讀時間片和寫時間片三種時序操作。芯片本身帶有命令集和存儲器，微處理器通過發(fā)出控制命令，對芯片存儲器進(jìn)行讀寫，完成溫度測量。芯片電源也可由微處理器的一個I/O口提供。微處理器在讀寫DS1820前先使其復(fù)位，檢測到其應(yīng)答信號后，微處理器發(fā)ROM操作命令，然后再發(fā)控制命令。多點(diǎn)溫度測量時，只需并聯(lián)多只DS1820并放在各測溫點(diǎn)上，在使用前對各個芯片進(jìn)行ROM搜索并將各個芯片的序列號保存起來。以后對每個DS1820尋址時，只要發(fā)相應(yīng)的序列號，然后再對其進(jìn)行其它操作即可。與DS1820類似的芯片還有DS1822。
2.2 基于總線協(xié)議輸出的數(shù)字溫度傳感器
為了提高可靠性，方便使用，人們又設(shè)計了許多基于某種總線協(xié)議輸出的數(shù)字溫度傳感器。這種溫度傳感器一般有多根線輸出。輸出格式和時序嚴(yán)格遵守某種協(xié)議，適用于各種場合，尤其是遠(yuǎn)端測量。常見的協(xié)議格式有SMBus協(xié)議、I2C協(xié)議等。
2.2.1 基于SMBus總線的溫度傳感器
MAXIM公司的MAX1617～1619系列都是采用SMBus串行接口的遠(yuǎn)端溫度傳感器。MAX1619用來監(jiān)測PC機(jī)內(nèi)CPU的溫度。它通過施加電流并測量正向結(jié)壓測量外部PN結(jié)(分立晶體管、ASIC或CPU內(nèi))的結(jié)溫，并通過SMBus二線串行接口將結(jié)果(8位精度)傳給微處理器。SMBus接口的兩根線分別是時鐘線和數(shù)據(jù)線，如圖7所示。在使用中，軟件的編寫必須嚴(yán)格遵守SMBus協(xié)議的規(guī)范。MAX1619可同時本地測量自身封裝溫度，且具有風(fēng)扇控制輸出;還可事先設(shè)定溫度門限，當(dāng)溫度高于或低于該門限值時中斷微處理器。通過管腳編程，改變ADD0、ADD1的連接方式，可以選擇最多9個不同的SMBus地址，這樣可允許多個MAX1619連接在同一總線上而不致地址沖突。
2.2.2 基于I2C總線的溫度傳感器
AD公司的AD7416是具有I2C二線串行接口的低功耗數(shù)字溫度傳感器。它通過一個片內(nèi)溫度傳感器精確測量環(huán)境溫度，然后經(jīng)過10位A/D轉(zhuǎn)換串行輸出。它也具有預(yù)設(shè)溫度門限和中斷輸出功能。AD7416串行總線地址的最低3位是通過管腳編程選擇的，因此可以在一條總線上連接多達(dá)8個芯片。I2C的兩條線分別是時鐘線和雙向數(shù)據(jù)線。在使用中軟件的編寫要嚴(yán)格遵守I2C協(xié)議的格式和時序。
由于SMBus接口和I2C接口的相似性，AD公司的AD7414、AD7415的輸出同時兼容了這兩種接口，更大地方便了使用。
2.2.3 基于SPI接口的溫度傳感器
AD公司的AD7814是具有SPI串行接口的溫度傳感器。它可以與大多數(shù)微處理器及DSP配合使用。AD7814與8051系列微處理器的接口方式十分簡單，8051工作在串行接口方式0下，AD7814的管腳DOUT和SCLK分別接在8051的串行口P3.0與P3.1，DIN接地，CS由某一數(shù)據(jù)I/O口控制，如P1.0。要向AD7814寫入數(shù)據(jù)以完成某種特殊功能時，需使用DIN管腳，則可用8051的其它數(shù)據(jù)端口進(jìn)行控制。
隨著信息產(chǎn)業(yè)化的到來，溫度傳感器尤其是半導(dǎo)體溫度傳感器也會因此得到進(jìn)一步的發(fā)展。數(shù)字半導(dǎo)體溫度傳感器由于其廉價、精確、線性、低功耗、小型化等特點(diǎn)必將得到更大的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
1 武自芳，虞鶴松.微機(jī)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用.西安:西安交通大學(xué)出版社，1998
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