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(duì)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(cè)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(cè)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(hào)，必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(hào)，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(jì)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(hào)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(hào)，利用這些電壓或電流信號(hào)即可進(jìn)行測(cè)量控制。如果想將這種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成微處理器可以處理的信號(hào)，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(gè)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(jiǎn)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(shí)器/計(jì)數(shù)器T1相連進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用定時(shí)器T0進(jìn)行定時(shí)。通過對(duì)所計(jì)的數(shù)進(jìn)行計(jì)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(shí)，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(hào)。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(chǎng)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(duì)電源電壓的脈動(dòng)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(shí)，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(hào)。這樣的傳感器有AD公司的AD590、TMP17等。
1.2 輸出跳變信號(hào)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(hào)進(jìn)行控制，通常稱之為溫度控制器。
用一個(gè)電壓比較器取代圖1中的ADC，產(chǎn)生的1位輸出可驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(shí)，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(dòng)微處理器的中斷或復(fù)位，如圖4所示。MAX6502的輸出經(jīng)簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)后，可以直接控制風(fēng)扇工作。通過一些簡(jiǎn)單的電路配合，還可以將其應(yīng)用于溫度窗口報(bào)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(jià)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(jiǎn)單，測(cè)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(cè)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(shí)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(hào)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(shí)間輸出的溫度傳感器
AD公司的TMP03/04是常用的時(shí)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(cè)得其輸出方波占空比T1/T2中T1和T2的實(shí)際時(shí)間寬度，即可計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的溫度。與微處理器連接時(shí)只需將芯片輸出與微處理器的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相連，就可很容易地測(cè)出T1、T2的時(shí)間寬度，并計(jì)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(dòng)邏輯電路。MAXIM公司的MAX6576也是一種輸出時(shí)間的溫度傳感器。它輸出的方波信號(hào)周期正比于絕對(duì)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(shí)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(shí)接8只芯片，同時(shí)測(cè)8個(gè)點(diǎn)位的溫度而不相互干擾。通過對(duì)管腳TS0、TS1的不同連接及選擇“L”、“H”不同型號(hào)，可以設(shè)置芯片的不同延時(shí)系數(shù)。測(cè)量溫度時(shí)，微處理器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，經(jīng)正比于絕對(duì)溫度值的延時(shí)tDx后，MAX6575拉低I/O線。通過測(cè)量這個(gè)延時(shí)時(shí)間tDx，再利用所設(shè)置的該芯片的延時(shí)系數(shù)，可以計(jì)算出該芯片所測(cè)的溫度值。由于各芯片延時(shí)系數(shù)不同，其延時(shí)時(shí)間并不會(huì)相互重疊，使用微處理器的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以分別測(cè)出各個(gè)芯片的延時(shí)時(shí)間，再計(jì)算出各個(gè)芯片所測(cè)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(hào)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(duì)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(jì)數(shù)器測(cè)出頻率后，計(jì)算出所測(cè)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(cè)出的具體溫度數(shù)值，所以其時(shí)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(gè)接口引腳即可通信，可用數(shù)據(jù)線供電，并具備多點(diǎn)測(cè)溫能力。其硬件連接及時(shí)序圖如圖6所示。其讀寫時(shí)序主要有復(fù)位、讀時(shí)間片和寫時(shí)間片三種時(shí)序操作。芯片本身帶有命令集和存儲(chǔ)器，微處理器通過發(fā)出控制命令，對(duì)芯片存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫，完成溫度測(cè)量。芯片電源也可由微處理器的一個(gè)I/O口提供。微處理器在讀寫DS1820前先使其復(fù)位，檢測(cè)到其應(yīng)答信號(hào)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(cè)量時(shí)，只需并聯(lián)多只DS1820并放在各測(cè)溫點(diǎn)上，在使用前對(duì)各個(gè)芯片進(jìn)行ROM搜索并將各個(gè)芯片的序列號(hào)保存起來。以后對(duì)每個(gè)DS1820尋址時(shí)，只要發(fā)相應(yīng)的序列號(hào)，然后再對(duì)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(jì)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(shí)序嚴(yán)格遵守某種協(xié)議，適用于各種場(chǎng)合，尤其是遠(yuǎn)端測(cè)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(cè)PC機(jī)內(nèi)CPU的溫度。它通過施加電流并測(cè)量正向結(jié)壓測(cè)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(shí)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(shí)本地測(cè)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(shí)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(gè)不同的SMBus地址，這樣可允許多個(gè)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(gè)片內(nèi)溫度傳感器精確測(cè)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(gè)芯片。I2C的兩條線分別是時(shí)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(shí)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(shí)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(jiǎn)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(shí)，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(huì)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(jià)、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)
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