课题名称：温度传感器PT100
专 业 系 电气工程系 班 级 电机电器092 学生姓名 指导老师 完成日期 2011年4月
摘 要
随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。
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目 录
第1章 传感器的介绍 .............................................................................................................................. 1
1.1 背景 ............................................................................................................................................. 1 1.2 研究意义 ..................................................................................................................................... 1 第2章 温度传感器选用细则 .................................................................................................................. 3
2.1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 ......................................................................... 3 2.2 灵敏度的选择 ............................................................................................................................. 3 2.3 频率响应特性 ............................................................................................................................. 3 2.4 线性范围 ..................................................................................................................................... 3 2.5 稳定性 ......................................................................................................................................... 4 2.6 精度 ............................................................................................................................................. 4 第3章 温度传感器DS18B20 ................................................................................................................. 5
3.1 DS18B20的应用 ...................................................................................................................... 5 3.2 DS18B20的性能特点 .............................................................................................................. 5 3.3 DS18B20与单片机的典型接口设计 ...................................................................................... 6 3.4 DS1820 使用中注意事项 ........................................................................................................ 7 第4章 传感器程序设计 .......................................................................................................................... 9
4.1 DSl8B20编程简介 ................................................................................................................... 9 4.2 DS18B20 编程注意事项 ....................................................................................................... 10 4.3 DS18B20 的缺点 ................................................................................................................... 11
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第1章 传感器的介绍
1.1 背景
传感器主要大体经过了三个发展阶段：
1：模拟集成温度传感器。该传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器。
2：某些增强型集成温度控制器，其中还包含了A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。
3：数字温度传感器。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。数字温度传感器内部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
温度传感器的发展趋势。
现今温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、研制单片测温系统等高科技方向迅速发展。传感器在温度测控应用中主要有单点和多点两种温度测量仪表。单点主要采用传统模拟集成温度传感器，以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大而得到了普遍的应用。其测温范围大都在-200℃~800℃之间，分辨率12位，最小分辨温度0.001~0.01 之间自带LED 显示模块，显示4 到16 位。多点相对于单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。 1.2 研究意义
随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种温度控制系统中广泛应用，且由过去的单点测量向多测量发展。目前温度传感器有模拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A／D转换器的弊端，大多数多点测温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统设计。比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30等。
在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学
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技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信；在-10～+85℃ 温度范围内具有± 0．5℃ 精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。以上特性使得DS18B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。
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第2章 温度传感器选用细则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 2.1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 2.2 灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的串扰信号 2.3 频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
2.4 线性范围
传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
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2.5 稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 2.6 精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
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第3章 温度传感器DS18B20
DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。与传统的热敏电阻相比，它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位的数字值读数方式。其可以分别在93．75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，最大分辨率为0．0625℃ ， 而且从DS18B20读出或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写。 3.1 DS18B20的应用
多点测温系统是以单片机和单总线数字温度传感器DS18B20为核心，充分利用单片机优越的内部和外部资源及数字温度传感器DS18B20 的优越性能构成一个完备的测温系统，实现对温度的多点测量。整个系统由单片机控制，能够接收传感器的温度数据并显示出来，可以从键盘输入命令，系统根据命令，选择对应的温度传感器，并由驱动电路驱动温度显示。设计了一种合理、可行的单片机监控软件，完成测量和显示的任务。由于单片机具有强大的运算和控制功能，使得整个系统具有模块化、硬件电路简单以及操作方便等优点。整个系统是由单片机、显示电路、键盘电路、驱动电路，串口通信等构成。 3.2 DS18B20的性能特点
单线数字化智能集成温度的传感器，其特点是：
① DSI8B20可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出，温度值不需要经电桥电路先获取电压模拟量，再经信号放大和A／D转换成数字信号，解决了传统温度传感器存在的因参数不一致性，在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题，使用方便．
② DS18B20能提供9到12位温度读数，精度高，且其信息传输只需1根信号线，与计算机接口十分简便，读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源．
③ 每一个DS18B20都有一个惟一的序列号，这就允许多个DS18B20连接到同一总线上．尤其适合于多点温度检测系统．
④ 负压特性：当电源极性接反时，DS18B20虽然不能正常工作，但不会因发热而烧毁正是由于具有以上特点，DS18B20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比，有无可比拟的优越性，因而广泛应用于
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过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。其外形和管脚如下图：
图3.1 DS18B20外部形状及管脚图
3.3 DS18B20与单片机的典型接口设计
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。Dsl8B20与单片机的硬件连接有两种方法：一是Vcc接外部电源，GND接地，I/0与单片机的I/0线相连；二是用寄生电源供电，此时,~UDD和GND接地，I/0接单片机I/0。无论是哪种供电方式，I/0口线都要接4．7k Q左右的上拉电阻。图4给出了DSl8B20与微处理器的典型连接。
① DS18B20寄生电源供电方式：
如下面图3.2(a)所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
独特的寄生电源方式有三个好处： 1）进行远距离测温时，无需本地电源 2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM 3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温
要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此，该电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。
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② DS18B20寄生电源强上拉供电方式：
改进的寄生电源供电方式如下面图3.2(b)所示，为了使DS18B20 在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10μS内把I/O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O 口线进行强上拉切换。
③ DS18B20的外部电源供电方式：
如下面图3.2(c)所示，在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，其VDD端用3～5．5V电源供电，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
（a）寄生电源供电方式（c）外部电源供电方式(b) 温度转换期间的强上拉供电
图3.2 DS18B20与微处理器的典型连接图
3.4 DS1820 使用中注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
①较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
②在有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为
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可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20 超过8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，在多点测温系统设计时要注意。
③连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
④在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20 的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS18B20 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
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第4章 传感器程序设计
4.1 DSl8B20编程简介
每一片单总线芯片内部都有一个全球惟一的64 位编码，在多路测温时就是通过匹配每个芯片的ROM编码(ID)，来搜寻该路的温度。DS18b20有9个可擦写的内部寄存器，称为便笺式RAM。所有的串行通讯，读写每一个bit位数据都必须严格遵守器件的时序逻辑来编程，同时还必须遵守总线命令序列，对单总线的DS18b20芯片来说，访问每个器件都要遵守下列命令序列：首先是初始化；其次执行ROM 命令；最后就是执行功能命令如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机。当然，搜索ROM 命令和报警搜索命令，在执行两者中任何一条命令之后，要返回初始化。基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。每次访问任何单总线器件，必须严格遵守这个命令序列;如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机。但是这个准则对于搜索ROM命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步。在主 机 发出ROM命令，以访问某个指定的DS18B20，接着就可以发出DS18 B20支持的某个功能命令。这些命令允许主机写人或读出DS18 B20暂存器，启动温度转换以及判断从机的供电方式。
8B20在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求，只有严格遵守通讯协议才能保证数据传输的正确性和完整性。所有时序均以主机为Master，单总线器件为Slave，每次数据的传输均从主机启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，则在写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。
① DS18B20的复位时序;
② DS18B20的读时序: DS18B20的读时序分读0时序和读1时序两个过程。
读时序是主机先把单总线拉低，在之后的l5 m s内必须释放单总线，以便将数据传输到单总线上。DS18B20完成一个读时序至少需要60 m s。 ③ DS18B20的写时序。DS18B20的写时序也分为写0时序和写1时序两个过程。
写0时序和写1时序的要求不同，写0时，单总线要被拉低至少60 m s，保证DS18B20能够在15-45 m s之间正确采样I/O总线上的“0”电平。写1时，单总线被拉低，在之后的15 m s内必须释放单总线。DS18B20复位后，就可以编程控制读到其内部RAM所采集到的温度值(通过P0.7)，并且读取
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数据时低位在前，高位在后。读出数据后，需判断对应的温度是正值还是负值，当温度值为正值时，直接将二进制数转换为十进制温度值;当温度值为负值时先将二进制补码变为原码，再转换为十进制温度值。温度测量与读取软件流程图如下
DS18B20复位 DS18B20复位 发出匹配ROM命令 发1个DS18B20序读温度 转换完毕？ 存入储存有温度超限否 开始 延时 发出跳过ROM命令 发出温度转换命令
4.2 DS18B20 编程注意事项
指向 下一个DS18B20 第n个DS18B20处理完？ DS18B20复位 发报警搜索命令 报警输出 (1) 温度换时间设置为750ms时，灵敏度会大大提高，在需要较高精度要求下建议使用，而且回复性很好;
(2) Dsl8B20的读写时序须经仔细调整，在反复的调试中找出合适的延时时间;
(3) 在程序等待DS18B20发出的存在信号时，最好设置一个有限的等待时间，否则一旦有温度传感器损坏时，程序将进人无限等待的死循环中。
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4.3 DS18B20 的缺点
DS18B20除了上述优点外，还有一些缺点，如：简单的硬件连接的代价是复杂的软件时序，DS18B20在测量温度的时候，灵敏度不够高，温度快速变化时无法迅速显示出其变化。通过一系列的实验发现：由DS18B20构建的测温小系统适用于环境温度监控，对温度小变化较敏感；不适合应用于要求实时性强、温度跨度大的测温方式。
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