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詳解溫度傳感器在微處理器中的應用

發布時間：2019-03-15 責任編輯：lina

【導讀】根(gen)據(ju)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)方(fang)式(shi)及(ji)接(jie)口(kou)方(fang)式(shi)的(de)不(bu)同(tong)，大(da)體(ti)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)模(mo)擬(ni)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)數(shu)字(zi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。模(mo)擬(ni)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)，必(bi)須(xu)經(jing)過(guo)專(zhuan)門(men)的(de)接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)後(hou)才(cai)能(neng)由(you)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)。

溫度的測量控製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範圍（℃）為：熱電偶（-84～2300），熱電阻（-200～850），熱敏電阻（-55～300），半導體（- 55～150）。根(gen)據(ju)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)方(fang)式(shi)及(ji)接(jie)口(kou)方(fang)式(shi)的(de)不(bu)同(tong)，大(da)體(ti)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)模(mo)擬(ni)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)數(shu)字(zi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。模(mo)擬(ni)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)，必(bi)須(xu)經(jing)過(guo)專(zhuan)門(men)的(de)接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)後(hou)才(cai)能(neng)由(you)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)。數字溫度傳感器輸出的數字信號，一般隻需少量外部元器件就可直接送至微處理器進行處理。隨著計算機及半導體技術的飛速發展，溫度傳感器尤其是具有數字接口的半導體溫度傳感器得到廣泛的應用和快速的發展。

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

傳統的熱電側、熱電阻、

熱re敏min電dian阻zu及ji半ban導dao體ti溫wen度du傳chuan感gan器qi都dou是shi將jiang溫wen度du值zhi經jing過guo一yi定ding的de接jie口kou電dian路lu轉zhuan換huan後hou輸shu出chu模mo擬ni電dian壓ya或huo電dian流liu信xin號hao，利li用yong這zhe些xie電dian壓ya或huo電dian流liu信xin號hao即ji可ke進jin行xing測ce量liang控kong製zhi。如ru果guo想xiang將jiang這zhe種zhong模mo擬ni信xin號hao轉zhuan換huan成cheng微wei處chu理li器qi可ke以yi處chu理li的de信xin號hao，需xu利li用yong模mo數shu轉zhuan換huan器qi將jiang其qi轉zhuan換huan為wei數shu碼ma，然ran後hou由you微wei處chu理li器qi讀du取qu即ji可ke，如ru圖tu1所示。

另一種轉換方式是進行V/F變換。V/F變換器實際上是一個振蕩頻率隨控製電壓變化而變化的振蕩電路。其特點是有良好的精度、線性度和積分輸入，且電路簡單。圖2為微算是器與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。通過調整，AD654可輸出0～500kHz的脈衝串，將輸出與單片機的定時器/計數器T1相連進行計數，並用定時器T0進行定時。通過對所計的數進行計算與轉換，便可得到傳感器當前溫度值。

電dian壓ya輸shu出chu溫wen度du傳chuan感gan器qi的de主zhu要yao特te點dian是shi電dian源yuan電dian壓ya和he電dian流liu比bi較jiao低di，在zai傳chuan輸shu線xian路lu電dian壓ya降jiang和he電dian壓ya噪zao聲sheng不bu是shi主zhu要yao影ying響xiang因yin素su時shi，其qi電dian壓ya輸shu出chu可ke直zhi接jie成cheng為wei控kong製zhi係xi統tong和he數shu據ju采cai集ji係xi統tong的de輸shu入ru信xin號hao。常chang用yong的de電dian壓ya輸shu出chu半ban導dao體ti溫wen度du傳chuan感gan器qi有youAD公司的TMP35/36/37、NS公司的LM35/45/50/60等。

zaimouxieteshuchanghe，xushiyongdianliushuchudewenduchuanganqi，dianliushuchuwenduchuanganqidezhuyaotedianshishuchuzukanggao，shuchudianliubushouchuanshuxianludianyajianghedianyazaoshengdeyingxiang，qieduidianyuandianyademaichonghepiaoyijuyouhenqiangdeyizhinengli。dianliushuchuwenduchuanganqiyuyuweichuliqijiekoushi，yibanxujiangdianliubianchengdianya，ranhouzaiyongA/D轉換器轉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

在某些係統中，並不需要知道精確的溫度值，而隻需了解溫度是否高於或低於某特定值即可。該信息可用來觸發風扇、空調、加熱器等控製單元、這種特殊的模擬溫度傳感器一般隻是輸出跳變信號進行控製，通常稱之為溫度控製器。

用一個電壓比較器取代圖1中的ADC，產生的1位輸出可驅動微控製器的一條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而非電源電壓。

將傳感器與比較器組合電路進行集成，使係統坦步簡化。這種集成的溫度控製器經常被稱為溫度開關。這種單片器件組合了傳感器、

比較器、電壓基準和必要的電阻等多種器件。當溫度超過預設門限時，輸出電平發生跳變，控製加溫或致冷器件通斷。MAXIM公司的MAX6501/6502是熱溫開關，從廠家45℃到95℃預置了6種溫度門限。MAX6503/6504是冷溫開關，其溫度門限為-15℃和5℃兩種。MAC6501/6503為開漏輸出，低電平有效，MAX6502/6504為推拉輸出，高電平有效。MAX6501的輸出經上拉電阻後可以直接驅動微處理器的中斷或複位，如圖4所示。MAX6502的de輸shu出chu經jing簡jian單dan驅qu動dong後hou，可ke以yi直zhi接jie控kong製zhi風feng扇shan工gong作zuo。通tong過guo一yi些xie簡jian單dan的de電dian路lu配pei合he，還hai可ke以yi將jiang其qi應ying用yong於yu溫wen度du窗chuang口kou報bao警jing。分fen層ceng次ci控kong製zhi等deng。這zhe樣yang的de芯xin片pian還hai是shi AD公司的AD22105等。

2 數字溫度傳感器

將jiang模mo擬ni溫wen度du傳chuan感gan器qi與yu數shu字zi轉zhuan換huan接jie口kou電dian路lu集ji成cheng在zai一yi起qi，就jiu成cheng為wei具ju有you數shu字zi輸shu出chu能neng力li的de數shu字zi溫wen度du傳chuan感gan器qi。隨sui著zhe半ban導dao體ti技ji術shu的de迅xun猛meng發fa展zhan，半ban導dao體ti溫wen度du傳chuan感gan器qi與yu相xiang應ying的de轉zhuan換huan電dian路lu、接口電路以及和種其它功能電路逐漸集成在一起，形成了功能強大、精確、價廉的數字溫度傳感器。

2.1 單線輸出的數字溫度傳感器

單線輸出的特點是接口電路簡單，測出的溫度值精確，所以在一般應用中，這種世馘得到了偏愛。由於隻有一根輸出線，測量出的溫度值必須轉換成某種方式進行輸出。常見輸出方式有時間輸出、頻率輸出及數值輸出等，然後再由微處理器將溫度傳感器輸出的信號轉換成真實溫度值，進行進一步的算是與控製。

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字溫度傳感器。它們輸出經過調製後的矩形波，應用中隻需測得其輸出方波占空比T1/T2中T1和T2的實際時間寬度，即可計算出被測對象的溫度。與微處理器連接時隻需將芯片輸出與微處理器的定時器/計數器相連，就可很容易地測出T1、T2的時間寬度，並計算出相應的溫度值。TMP03為集電極開路輸出，需上人拉電阻， TMP04為開漏輸出，可直接驅動邏輯電路。MACIM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於絕對溫度。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用的時間輸出的溫度傳感器。它的特點是在一根I/O線上最多可以同時接8隻芯片，同時測8個點位的溫度而不相互幹擾。通過對管腳 TS0、TS1的不同連接及選擇“L”、“H”不同型號，可以設置芯片不同延時係數。測量溫度時，微處理器啟動轉換，經正比於絕對溫度值的延時tDx後， MAX6575拉低I/O線。通過測量這個延時時間tDx，再(zai)利(li)用(yong)所(suo)設(she)置(zhi)的(de)該(gai)芯(xin)片(pian)的(de)延(yan)時(shi)係(xi)數(shu)，可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)該(gai)芯(xin)片(pian)所(suo)測(ce)的(de)溫(wen)度(du)值(zhi)。由(you)於(yu)各(ge)芯(xin)片(pian)延(yan)時(shi)係(xi)數(shu)不(bu)同(tong)，其(qi)延(yan)時(shi)時(shi)間(jian)並(bing)不(bu)會(hui)相(xiang)互(hu)重(zhong)疊(die)，使(shi)用(yong)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)定(ding)時(shi)器(qi)/計數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字溫度傳感器。它輸出占空比為1/2的方波，其頻率正比於絕對溫度。它的內部結構及使用方式與MAX6576非常相擬。通過引腳TS0、TS1選擇適錄的頻率/溫度比例常數，再由微處理器的內部計數器測出頻率後，計算出後測溫度。其與微處理器的接口方式見圖5。

2.1.3 數值輸出的單線溫度傳感器

數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值，怕以其時序非常重要。DALLAS公司的DS1820就是這樣一種獨特的溫度傳感器。它隻需一個接口引腳即可通信，可用數據線供電，並具備多點測溫能力。其硬件連接及時序圖如圖6所示。其讀寫時序主要有複位、dushijianpianhexieshijianpiansanzhongshixucaozuo。xinpianbenshendaiyouminglingjihecunchuqi，weichuliqitongguofachukongzhimingling，duixinpiancunchuqijinxingduxie，wanchengwenduceliang。xinpiandianyuanyekeyouweichulideI/O口提供。微處理器在讀寫 DS1820前先使其複位，檢測到其應答信號後，微處理器發ROM操作命令，然後再發控製命令。多點溫度測量時，隻需並聯多隻DS1820並放在各測溫點上，在使用前對各個芯片進行ROM搜索並將各個芯片的序列號保存起來。以後對每個DS1820尋址時，隻要發相應的序列號，然後再對其進行其它操作即可。與DS1820類似的芯片還有DS1822。

2.2 基於總線協議輸出的數據溫度傳感器

為(wei)了(le)提(ti)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)，方(fang)便(bian)使(shi)用(yong)，人(ren)們(men)又(you)設(she)計(ji)了(le)許(xu)多(duo)基(ji)於(yu)某(mou)種(zhong)總(zong)線(xian)協(xie)議(yi)輸(shu)出(chu)的(de)數(shu)字(zi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)種(zhong)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)有(you)多(duo)根(gen)線(xian)輸(shu)出(chu)。輸(shu)出(chu)格(ge)式(shi)和(he)時(shi)序(xu)嚴(yan)格(ge)遵(zun)守(shou)某(mou)種(zhong)協(xie)議(yi)，適(shi)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)場(chang)合(he)，尤(you)其(qi)是(shi)遠(yuan)端(duan)測(ce)量(liang)。常(chang)見(jian)的(de)協(xie)議(yi)格(ge)式(shi)有(you)SMBus協議、I2C協議等。

2.2.1 基於SMBus總線的溫度傳感器

MAXIM 公司的MAX1617～1619係列都是采用SMBus串行接口的遠端溫度傳感器。MAX1619用來監測PC機內CPU的溫度。它通過施加電流並測量正向結壓測量外部PN結（分立晶體管、ASIC或CPU內）的結溫，並通過SMBus二線串行接口將結果（8位精度）傳給微處理器。SMBus接口的兩根線分別是時鍾線和數據線，如圖7所示。在使用中，軟件的編寫必須嚴格遵守SMBus協議的規範。MAX1619可同時本地測量自身封裝溫度，且具有風扇控製輸出；還可事先設定溫度門限，當溫度高於或低於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，連接可允許多個MAX1619連接在同一總線上而不致地址衝突。

2.2.2 基於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字溫度傳感器。

它通過一個片仙溫度傳感器精確測環境溫度，然後經過10位A/D轉換串行輸出。它也具有預設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8個芯片。I2C的兩條線分別是時鍾線和雙向數據線。在使用中軟件的編寫要嚴格遵守I2C協議的格式和時序。

由於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 基於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。它可以與大多數身長處理器及DSP配合使用。AD7814與8051係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由某一數據 I/O口控製，如P1.0。要向AD7814寫入數據以完成某種特殊功能時，需使用DIN管腳，則可用8051的其它數據端口進行控製。

隨著信息產業化的到來，溫度傳感器尤其是半導體溫度傳感敢會因此得到進一步的發展。數字半導體溫度傳感器由於其廉價、精確、線性、低功耗、小型化等特點必將得到更大的發展。

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