《傳感器技術(shù)及應(yīng)用(全彩)》工作任務(wù)1-3集成溫度傳感器?

工作任務(wù)一

溫度傳感器及應(yīng)用之三集成溫度傳感器溫度傳感器就是通過測(cè)量某些物理量參數(shù)隨溫度的變化而間接測(cè)量溫度的。

溫度傳感器主要是由溫度感溫元件組成的，而溫度感溫元件對(duì)溫度變化具有自身特性的改變。

溫度傳感器也稱為熱-電傳感器。這種傳感器用于各種需要對(duì)溫度進(jìn)行控制、測(cè)量、監(jiān)視及補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合。它們中有的可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，有的則需要采用間接變換以后才可以置換為與熱能成比例的電信號(hào)。概述

任務(wù)描述溫度為溫度傳感器電路提供熱源，感溫元件通過熱源提供的熱能感應(yīng)出溫度的高低，再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流。溫度傳感器電路是由溫度敏感元件（感溫元件）和轉(zhuǎn)換電路組成的如下圖所示。任務(wù)條件溫度傳感器電路是以溫度傳感器為核心的測(cè)量、控制電路，正確選擇溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量和控制的關(guān)鍵。除溫度傳感器，轉(zhuǎn)換電路是必需的電路。輸出顯示電路是終端，它可以采用不同的方式顯示，可以用簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管，也可以用數(shù)碼管，為了更精確的顯示關(guān)聯(lián)的信息，可以使用液晶顯示器。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流和電壓特性與溫度的關(guān)系，把感溫元件(半導(dǎo)體PN結(jié))與有關(guān)的電子電路集成在很小的硅片上封裝而成的。其具有體積小、線性好、反應(yīng)靈敏、價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。集成溫度傳感器又分為模擬輸出和數(shù)字輸出兩種。之三集成溫度傳感器一、應(yīng)用案例

模擬集成溫度傳感器應(yīng)用廣泛，可以用作溫度探測(cè)、控制等。電路圖如右圖。1.模擬集成溫度傳感器LM35在恒溫電路中的應(yīng)用

模擬集成溫度傳感器LM35在恒溫電路線路板如下圖。安裝電路注意事項(xiàng)（1）制作線路板后，根據(jù)電路圖檢查線路有否開路或短路；（2）必須要有電路合適的元器件參數(shù)，為了更好地實(shí)現(xiàn)電路功能，可適當(dāng)調(diào)整電路元器件的參數(shù)。要調(diào)整RP3電位器使溫度顯示為零（要把短路跳線取出）；（3）配置溫度傳感器LM35的質(zhì)量是電路工作和功能準(zhǔn)確的關(guān)鍵，并把溫度傳感器LM35放置在發(fā)熱元件R7中；安裝電路注意事項(xiàng)（4）要按裝配工藝要求進(jìn)行焊接和安裝；（5）要選擇合適的電源電壓，不能隨意變動(dòng)電源的電壓，否則電路不能正常工作；（6）測(cè)試電路參數(shù)時(shí)要按規(guī)范操作儀器設(shè)備，不得在帶電的情況下進(jìn)行元器件的焊接與安裝。按電路制作線路板，安裝元器件及部件后正確進(jìn)行調(diào)試。在恒溫電路開始工作后，觀察發(fā)光二極管VL熄滅時(shí)、VL重亮?xí)r及數(shù)碼管顯示最高值時(shí)，數(shù)碼管顯示的數(shù)值并記錄在表中。 狀態(tài)VL熄滅時(shí)VL重亮?xí)r數(shù)碼管最高值

開關(guān)1腳電壓（mV）450數(shù)碼管顯示°C恒溫范圍的數(shù)據(jù)記錄根據(jù)上表數(shù)據(jù)，在下面的座標(biāo)軸上，簡(jiǎn)單畫出溫控曲線變化電路的溫度控制變化曲線電路組成和功能作用電路發(fā)熱器R7、溫度傳感器IC1

LM35、比較器集成電路IC2

OP07和繼電器電路組成恒溫電路，另外由IC4

ICL7107及四只數(shù)碼顯示管DSH1~4組成顯示電路。該電路可作室內(nèi)恒溫控制使用。電路工作過程首先對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整：連接電源，調(diào)節(jié)電位器RP3，使數(shù)碼顯示管DSH1~4顯示＋50.0。把開關(guān)S撥到“1”的位置，把短路跳線J的短路線斷開，調(diào)節(jié)電位器RP1和RP2，使開關(guān)的“1”腳電壓為450mV，此時(shí)把恒溫溫度設(shè)置在50oC。把短路跳線J接上，并把開關(guān)S撥到“2”位置，恒溫電路開始工作。把開關(guān)K撥到“2”位置后，接通電源，由于環(huán)境溫度比設(shè)定溫度要低，此時(shí)電阻R7（模擬發(fā)熱器件）發(fā)熱，溫度升高，為了使實(shí)驗(yàn)節(jié)省時(shí)間，把溫度檢測(cè)器IC2

LM35安裝在R7里面，此時(shí)溫度檢測(cè)器IC2檢測(cè)到的溫度信號(hào)通過開關(guān)S送IC4

ICL7107，由IC4把數(shù)據(jù)提供給數(shù)碼顯示管SH1~4顯示；另一路信號(hào)通過電阻R3送到比較器IC2

OP07的“3”腳，當(dāng)溫度上升至50oC時(shí)，IC2的“3”腳電位比“2”腳高，從“6”腳輸出高電平信號(hào)，穩(wěn)壓二極管VZ2被反向擊穿，三極管VT1導(dǎo)通，繼電器JK吸合，發(fā)光二極管VL點(diǎn)亮，表示恒溫開始，同時(shí)繼電器JK的常閉觸點(diǎn)斷開，電路也停止給電阻

R7供電，R7停止發(fā)熱。但由于余熱關(guān)系，溫度可能還會(huì)上升。但過一段時(shí)間后，R7的溫度便會(huì)慢慢降下來，待IC1

LM35檢測(cè)到溫度低于50oC時(shí)，便出現(xiàn)IC2的3腳電位比2腳低，6腳輸出低電平信號(hào)，VT1截止，繼電器JK釋放，發(fā)光二極管VL1熄滅，R7重新加熱，如此循環(huán)，達(dá)到了恒溫的作用。一、應(yīng)用案例

數(shù)字集成溫度傳感器應(yīng)用也非常廣泛，主要應(yīng)用在測(cè)量溫度和控制溫度等方面。電路圖如下圖。2.數(shù)字集成溫度傳感器DS18B20在測(cè)溫電路中的應(yīng)用

數(shù)字集成溫度傳感器DS18B20測(cè)溫電路線路板如下圖。安裝電路注意事項(xiàng)（1）制作線路板后，根據(jù)電路圖檢查線路有否開路或短路；（2）必須要有電路合適的元器件參數(shù)，為了更好地實(shí)現(xiàn)電路功能，可適當(dāng)調(diào)整電路元器件的參數(shù)；（3）特別檢查溫度傳感器DS18B20的質(zhì)量是電路工作和功能準(zhǔn)確的關(guān)鍵；安裝電路注意事項(xiàng)（4）要按裝配工藝要求進(jìn)行焊接和安裝；（5）要選擇合適的電源電壓，不能隨意變動(dòng)電源的電壓，否則電路不能正常工作；（6）測(cè)試電路參數(shù)時(shí)要按規(guī)范操作儀器設(shè)備，不得在帶電的情況下進(jìn)行元器件的焊接與安裝。測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)字集成溫度傳感器的輸出電壓（temp端口）與室溫的關(guān)系。把測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)填入表中。室溫℃輸出電壓（mA）提示：可以用冰水、熱水（不同溫度）、沸水作為熱源，把數(shù)字集成溫度傳感器DS18B20置于其中，記錄數(shù)碼顯示管的顯示數(shù)值，并測(cè)量芯片IC2的“6”腳的電壓。把測(cè)量的數(shù)據(jù)在圖中的坐標(biāo)上畫出輸出電壓（temp端口）與室溫的關(guān)系曲線。電路組成和功能作用電路比較簡(jiǎn)單，除了由IC1

DS18B20數(shù)字集成溫度傳感器組成的直接測(cè)溫電路外，由IC2

ATMEGA8L及外圍元器件組成了單片機(jī)電路，芯片已經(jīng)按測(cè)量室溫的功能寫入了相關(guān)的程序，另外由三個(gè)數(shù)碼顯示管DSH1~3、三只三極管VT1~3及外圍元器件組成了顯示電路，由IC3

LM7805及外圍元器件組成了電源電路。該電路可直接測(cè)量室內(nèi)的溫度，溫度范圍為–55oC~+125oC能夠由數(shù)碼管直讀溫度的數(shù)值。電路工作過程數(shù)字集成溫度傳感器IC1

DS18B20測(cè)量室溫，直接由IC1的“2”腳輸出數(shù)據(jù)給芯片IC2

ATMEGA8L的“6”腳，單片機(jī)對(duì)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并由D0~D7數(shù)據(jù)輸出端口輸出信號(hào)，控制數(shù)碼管DSH1~3各段點(diǎn)亮顯示；由A1~A3輸出端口輸出信號(hào)控制數(shù)碼管DSH1~3點(diǎn)亮。這樣，就可以直接把室內(nèi)的溫度直讀出來。二、知識(shí)鏈接

集成溫度傳感器電路文字符號(hào)一般可用PIR表示。集成溫度傳感器按輸出信號(hào)的形式分3種。固定電壓型

固定電壓型溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)a=10mV/oC，即在25oC（298K）時(shí)輸出電壓值為2.98V。常見的型號(hào)有LM3911、μA616、LM335等。固定電流型

固定電流型溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)a=10μA/oC，即在25oC（298K）時(shí)輸出電壓值為2.98μA。常見的型號(hào)有AD590等?？烧{(diào)電流型可調(diào)電流型溫度傳感器的溫度系數(shù)可通過外接電阻的阻值來調(diào)節(jié)，范圍為1μA/oC～

10mA/oC。常見的型號(hào)有LM134等。

下圖所示為典型集成溫度傳感器的內(nèi)部電路圖，圖中兩只半導(dǎo)體三極管VT1與VT2為溫度檢測(cè)對(duì)管。其偏置電流比為6∶1，精密運(yùn)放的反饋達(dá)到平衡后，兩管的b、e極的正向電壓之差ΔUbe加至R2，并經(jīng)R3到地。VT2發(fā)射極電壓Ue

2具有2.2mV/oC的正溫度系數(shù)，而VT1發(fā)射極電壓具有－2.2mV/oC的負(fù)溫度系數(shù)，這樣在IC1-A運(yùn)放的Uref輸出端產(chǎn)生零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓，而IC1-B在TempOUT端提供精確的10mV/oC輸出信號(hào)。

LM35系列是電壓輸出式集成溫度傳感器，是一種得到廣泛使用的溫度傳感器，輸出電壓與攝氏溫度一一對(duì)應(yīng)。由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，靈敏度為10mV/oC，所以輸出可以從0oC開始，溫度每升高1攝氏度，輸出電壓就增加10mv。在常溫下，LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到±1/4oC的準(zhǔn)確率。低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口簡(jiǎn)單和方便，可單電源也可正負(fù)電源使用。1.LM35溫度傳感器

（a）實(shí)物圖（b）電路符號(hào)LM35實(shí)物和電路符號(hào)基本參數(shù)工作電壓：4.5~5.5V輸出轉(zhuǎn)換信號(hào)：10mV/oC準(zhǔn)確率：±1/4oC溫度范圍：－55~＋150oC功耗：小于60μA輸出阻抗：0.1Ω/1mA

應(yīng)用二、知識(shí)鏈接

DS18B20是改進(jìn)型智能數(shù)字溫度傳感器，DS18B20器件本身提供9位溫度讀數(shù)，是一款具有單總線結(jié)構(gòu)的器件，信息經(jīng)單總線接口送入或輸出數(shù)據(jù)，因此從單片機(jī)到DS18B20僅需一條連線，MCU可根據(jù)協(xié)議讀取溫度數(shù)據(jù)。即DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。溫度傳感器DS18B20，它集溫度測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換于一體。DS18B20的輸出為數(shù)字量，可以直接與單片機(jī)連接，無需后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換，控制簡(jiǎn)單。2.DS18B20溫度傳感器

DS18B20只用一根信號(hào)線，既供電，又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，單總線具有“線與”功能，連接方便，便于擴(kuò)展，即可在一根總線上掛接多個(gè)DS18B20來組建溫度測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。由于DS18B20組建的溫度測(cè)量單元體積小，便于攜帶、安裝。由于DS18B20采用CMOS技術(shù)，耗電量很小，從總線上取得一點(diǎn)電保存到DS18B20內(nèi)的電容中就可供給器件工作。在使用中不需要任何外圍元件。

可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

（a）實(shí)物圖（b）管腳排列（c）電路符號(hào)

DS18B20的實(shí)物圖、管腳排列及符號(hào)

基本參數(shù)工作電壓：4.5~5.5V測(cè)溫范圍：–55oC~+125oC精度高：0.0625oC應(yīng)用電路的“2”腳是輸出端，輸出的是temp溫度數(shù)據(jù)，可直接與MCU的端口連接。

集成溫度傳感器檢測(cè)在檢測(cè)集成溫度傳感器時(shí)，可用萬用表先簡(jiǎn)單量度傳感器的3個(gè)腳之間的電阻值，一般都在幾百千歐姆以上，如果電阻太小，這傳感器基本上已經(jīng)損壞，不能再用；同樣，如果表筆全部都沒有動(dòng)一下，也說明已經(jīng)損壞，不能再用。