温度传感器总结Word文档格式.docx
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1.2传感器电路
传感器电路包括测量电桥和放大电路两部分，如图1.2所示。
图1.2传感器放大电路
图中，R2、R3R4和PtIOO组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。
从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。
电桥的一个桥臂采用可调电阻R3,通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。
放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采
用两级放大。
温度在0C〜100C变化，当温度上升时，PtIOO阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。
注意：
虽然电桥部分已经经过TL431稳压，但是整个模拟的电压VCC—定要稳定，否则随着VCC
的波动，运放LM358的工作电压波动，输出电压Av随之波动，最后导致A/D转换的结果波动，测量结
果上下跳变。
二、模拟集成传感器
1、电流输出型传感器AD590
AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。
实际上，中国也开发出了同类型的产品SG59O这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。
该器件具有良好
的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。
即使电源在5〜15V之间变化，其电流只
是在1卩A以下作微小变化。
1.1AD590简介
AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。
根据特性分挡，AD590的
它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V+;
2脚为电流输出端I0;
3脚为管壳，一般不用。
集成温度传感器的电路符号如图2所示。
AD590的主特性参数如下：
1.2AD590的工作原理
在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5〜30V的直流电源相连，并在输出端串接
一个1kQ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1m\/K
的电压信号。
其基本电路如图3所示。
图3是利用△UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。
其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；
T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。
T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为△UBE因此，电流I1为：
I1=△UB/R=（KT/q）（Inn）/R
对于AD590,n=8,这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比,
将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。
由于利用
了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。
阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到
图4所示是AD590的内部电路，图中的
T1〜T4相当于图3中的T1、T2,而T9,T11相当于图3
中的T3、T4。
R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。
T7、T8,T10为对称的
Wilson电路，用来提高阻抗。
T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。
T6可用来防止
电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。
R1,R2
为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。
T1〜T4是为热
效应而设计的连接方式。
而C1和R4则可用来防止寄生振荡。
该电路的设计使得T9,T10,T11三者的发射极电流相等，并
同为整个电路总电流I的1/3。
T9和T11的发射结面积比为8:
1,T10和T11的发射结面积相等。
T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：
△UBB（R6-2R5）I/3
R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2/3。
根据上式不难看出，要想改变△UBE可以在调整R5后
再调整R6,而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使△UBE减小，不过，改变R5对△UBE的影响更为显著，
因为它前面的系数较大。
实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250C之下使总电流I达到1卩A/Ko
1.3测温电路的设计
在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。
由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K,
电流就增加1卩A。
当AD590的电流通过一个10kQ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV即转换成10mV/K,为了使此电阻精确（0.1%）,可用一个9.6kQ的电阻与一个1kQ电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kQ。
图5所示是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。
而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同
相输入端输入一个恒定的电压（如1.235V）,然后将此电
压放大到2.73V。
这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。
将AD590放入0C的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.73V,同样使A2的输出电压也为2.73V,因此A1与A2两输出端之间的电压：
2.73-2.73=0V即对应于0C。
图2.1为简单的测温电路。
AD590在25C（298.2K）
时，理想输出电流为298.2卩A,但实际上存在一定误差，可以在外电路中进行修正。
将AD590串联一
个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，是输出电压U满足1mV/K的关系（如25C时，Ub应为298.2mV。
调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压U0读出AD590所处的热力学温度。
图2.2简单的控温电路
图2.2为简单的控温电路。
LM311为比较器，它的输出控制加热器电流，调节Rt可改变比较电压,
从而改变了控制温度。
AD581是稳压器，为AD590提供一个合理的稳定电压。
1.4A/D转换和显示电路的设计
设计A/D转换和显示电路具有两种方案。
分述如下：
（1）用A/D转换器MC14433实现
首先将AD590的输出电流转换成电压，由于此信号为模拟信号，因此，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。
采用MC14433的转换电路如图6所示。
此电路的作用是通过A/D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号，以控制显示电路。
其中MC14511为译
码/锁存/驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段
译码。
LED数码显示由MC14433的位选信号DSLDS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“+”、“一”温度的显示。
当DS1=1,
Q2=1时，显示为正；
Q2=0时，显示为负。
（2）用ICL7106来实现
采用ICL7106的A/D转换及LCD显示电路框图如图所示。
其中，ICL7106是3位半显示的A/D转换电路，它内含液晶显示驱动电路，可用来进行A/D转换和LCD显示驱动。
2、电压输出型传感器LM35
2.1LM35简介
LM35为电压输出型传感器，主要技术参数如下：
电源电压：
4〜30V;
测温范围：
-55C〜+150C。
图2.3为LM35的两种不同封装的外形图。
TO-220
PlasticPackage
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图6A/D转换和数码显示电路框图二
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图2.3LM35的引脚图
2.2LM35的工作原理
LM35的输出电压与摄氏温度的线形关系可用下面公式表示:
V=0.01T
0C时输出为0V，每升高1C,输出电压增加10mV。
2.4和2.5所示。
设计A/D转换电路，有两种形式：
串行输出和并行输出。
其转换电路分别如图
—rinrbi
图2.4LM35A/D转换电路（串行）湘瓯
Oi>
rpvT
图2.5LM35A/D转换电路（并行）
3、LM94022
3.1LM94022简介
LM94022是一种模拟输出的集成温度传感器，主要应用于手机、无线收发器、电池管理、汽车、
1.5V电压下工作；
工作电压范围
办公室设备及家用电器等。
该传感器主要特点包括工作电压低，可在宽一1.5〜5.5V;
末级为推挽输出，有土50^A输出电流的能力；
有四种灵敏度供用户选择；
测量范围为
-50〜+150C;
静态电流低，典型值为5.4叮精度（与测量范围有关）：
20〜40C为±
.5C;
-70〜-50C
为±
.8C;
-50〜90C为翌.1C;
-50〜150C为±
2.7C;
采用小尺寸SO70封装。
LM94022的管脚排列如
图3.1所示，各管脚功能如表3.1所示。
LM94022根据GS0、GS1被施加的不同电平有4种灵敏度供用户选择，如表3.2所示。
用户可根
据测温的范围及接口电路的工作电压的条件来合理选择。
灵敏度由GS0及GS1的电平确定：
高电平要
求大于（VDD-0.5V）;
低电平要求小于0.5V。
表3.2LM94022提供的4种灵敏度（典型值）
表3.2灵敏度参照表
GS1
GSO
灵敏度典型值5V厂C〉
-5.5
七2
-10.9
-13.6
3.2LM94022基本原理
LM9402输出电压随温度升高而下降，其灵敏度为负值。
在VDD为5V时，不同灵敏度的几个特定
温度值时的输出电压如表3.3所示（典型值）。
表3VDD为5V,TA为25C时的输出电压值从图3.2可
看出，其线性度极好，这是线性化后的特性。
按表3.3的数据计算出的灵敏度值与表3.2给出的典型灵
敏度有一些差值。
例如，在GS=OO时，-25C时的输出电压为1168mV-50C时的输出电压为1299mV
敏度为5.64mV/C。
表3.2中GS=00时，灵敏度为-5.5mV/C。
3.3LM94022基本应用电路
图3.3是LM94022的基本应用电路。
在此电路中，GS0、GS1都接地（低电平），所以灵敏度选择
的是-5.5mV/C。
LM94022一般用作精度要求不高的温度测量及控制，其输出端往往与比较器或微控制器等接口。
若温度传感器与控制电路距离较远时，连接线应采用屏蔽线。
接电容负载的电路如图3.4所示。
图3.4（a）与（b）的差别是负载电容容量不同：
当负载电容CL0AD<
1100pF时，用图3.4（a）电路，当CL0AD>
1100pF时，用图3.4（b）电路，其中RS值与
CLOAD大小有关，如表3.4所示。
图3.3LM94022的基本应用电路
O1MD>
13Fb
a
图3.4接电容负载的电路图
表3.4CLOAD值与RS的关系
c
jLOAD
二-
1.1~99nF
BkQ
999nF
1.5k0
1uF
800Q
ADC）接口时，开始工作时，LM94022的推挽输出端能
当LM94022直接与ADC（或微处理器中的
向ADC中的Cin充电，如图3.5所示。
图3.5LM94022与ADC接口电路图
增加关闭控制功能的电路LM94022是低功耗器件，为实现多路温度测量，可采用关闭控制，在
断开VDD时，OUT端呈高阻抗。
可以在LM94022的VDD端接一个反相器（见图3.6）或接一个两输入与门来实现关闭（见图3.7）。
两者的区别是，前者施加高电平时实现关闭；
后者是施加低电平时实现关
-40〜+125C。
LM94022检测的温度转换成模拟信号电
压输出，其输出电压直接与带有ADC的微处理器接口，往ADC变换后的数字信号由微处理器进行处
理后转换成相应的七段码，送温度显示（数码管），若采用微处理器对传感器作软件线性补偿，可提高
测温精度。
数字键出可输入报警温度给微处理器，若检测到的温度超过报警温度时，微处理器输出信号,
使报警电路发出声、光报警。
微处理器的I/O口还可输出开关控制信号，对温度实现简单的开关控制。
-v+R3
图3.9简易的超过阈值温度报警电路
图3.10温度特性特性和输出波形图
图3.9是一种简易的超过阈值温度报警电路。
该电路由温度传感器、比较器、4.1V基准电压源、
三极管、蜂鸣器及电阻R1〜R5等组成。
电路的工作原理：
若LM94022温度传感器的灵敏度已设定，则
设定的阈值温度TTH对应的电压值VT可以从图2（或表3）中求出。
若先不考虑产生滞后作用的R3的
影响，则可以根据已知的VT值求出R1、R2值（在先确定R1值后求出R2值），VT=4.1VXR2/（R1+R2。
为防止温度在阈值温度附近因传感器输出信号中存在噪声电压影响而使比较器输出产生振荡，在比
较器电路中加了一个正反馈电阻R3,则产生一滞后电压VHYS并
且VT值也受R3的影响成为VT2,改进的超过阈值温度报警电路温度特性和输出波形如图3.10所示。
VHYS=VT2-VT1其中VT1VT2
可按下式求出：
VT2=4.1VXR2/（R1+R2//R3）VT1=4.1VXR2/（R2+R1//R3）
上式中4.1V是基准电压值。
为减小R3对VT值的影响，一般R3取值较大（如470kQ〜2MQ）。
基准电压4.1V经R1、R2分压后的电压VT2加在比较器同相端，LM94022测量温度输出的电压VTEMP加在比较器反相端。
一旦VTEMP<
VT2则比较器输出VOUT由低
电平跳变到高电平，如图11所示，VT导通使蜂鸣器发出报警声。
当温度降到（VT2-VHYS时，比较器输出VOUT才由高电平跳变到低电平，报警声停止。
若要控制图3.9度TTH基本保持稳定（约有土3〜土5C变化），可采用图3.11电路对TTH实现自
动控制。
当温度超过TTH时，比较器的VOUT俞出高电平，经反相器后输出低电平，N沟道截止，加热
器停止加热；
当温度降到（TTH-THYS时，VOUT由高电平跳变到低电平，N沟道导通，加热器又加热,
使温度上升。
这样温度在TTH上下波浪式变动。
+12V
加热器
图12简易的温度控制电路
应用LM94022的设计注意事项如下：
为保证传感器输出电压精度，VDD取值为
VDD=V0UT+1V设计时应尽可能取大的灵敏度，以减少噪声对输出信号电压的影响；
减少噪声影响，可在LM94022输出端加一个高频旁路电容器；
当传感器与接口电路之间连接较长时，连接线应采用屏蔽线。
三、数字温度传感器
1、DS18B20
1.1DS18B20简介
a.适应电压范围更宽，电压范围：
3.0〜5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
b.独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
c.DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温
d.DS18B20在使用中不需要任何外围元件，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
e.温范围—55E〜+125C，在-10〜+85C时精度为土0.5C
f.可编程的分辨率为9〜12位，对应的可分辨温度分别为0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C,可实现高精度测温
g.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快
h.测量结果直接输出数字温度信号，以"
一线总线"
串行传送给CPU同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
e.负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20勺外形及管脚排列如下图1:
DS18B20引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
1.2DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750msDS18B20测温原理如图3所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲
输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55C所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将
加1,计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
抖曲販T料
F1
低温世系站金一-
计觌為°
丹
LSB
I、加勺镒压富壬盒jf島誠細関计数器2|血虔生——
图3DS18B20的测温原理框图
DS18B20有4个主要的数据部件：
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20勺地址序列码。
64位光刻ROM勺排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B2C自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1。
光刻ROM勺作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20勺目的。
（2）DS18B2C中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625C/LSB形式表达，其中S为符号位。
Nt7
Niti
biL5
MJ
hio
bii2
bilI
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2l
2"
2'
2-
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bit14
bit13
bit12
bitIL
t^EID
bit?
b«
t3
MSBytr
s
2?
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；
如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.062
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