电子系统设计——第2章常用传感器及其在电子系统中的应用(讲稿)1

1、1TM成都理工大学工程技术学院电子信息工程系成都理工大学工程技术学院电子信息工程系电子系统设计电子系统设计第第2 2章章 常用传感器及其在电子系统中的应用常用传感器及其在电子系统中的应用授课人：石坚授课人：石坚 （讲师）（讲师）2TM2电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 本章授课提纲本章授课提纲 传感器概述传感器概述 温度传感器温度传感器 压力传感器压力传感器 其它传感器其它传感器3TM3电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 1 1、传感器的组成、传感器的组成传感器概述传感器概述4TM4电子系统设

2、计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 2 2、传感器的分类、传感器的分类传感器概述传感器概述3 3、传感器的特性、传感器的特性5TM5电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n传感器的静态参数示意图传感器的静态参数示意图传感器概述传感器概述6TM6电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度传感器温度传感器集成单片温度传感器集成单片温度传感器AD590AD590n性能特点性能特点n线性电流输出：线性电流输出：1 1 A/KA/K。n测温范围宽：测温范围宽： 5555

3、+150+150。n二端器件：电压输入，电流输出。二端器件：电压输入，电流输出。n激光微调使定标精度达激光微调使定标精度达0.50.5 （AD590MAD590M）。）。n线性度极好：在整个测温范围内线性度极好：在整个测温范围内 非线性误差小于非线性误差小于0.30.3（AD590MAD590M）。）。n工作电压范围宽：工作电压范围宽：4 430 V30 V。n器件本身与外壳绝缘。器件本身与外壳绝缘。n成本低。成本低。7TM7电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 注意：注意：测量测量VoVo时，不可分出任何电流，否则测量不准。时，不可分出任何电流

4、，否则测量不准。温度传感器温度传感器AD590AD590的引脚排列及基本连接方法的引脚排列及基本连接方法第第3 3个脚可以不接，是接外壳个脚可以不接，是接外壳作屏蔽用的作屏蔽用的说明：说明：其输出电其输出电流是以绝对温度流是以绝对温度零度（零度（-273）为基准，每增加为基准，每增加1，它会增加，它会增加1A输出电流，输出电流，因此在室温因此在室温25时，其输出电流时，其输出电流Iout=（273+25）=298A。 8TM8电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度传感器温度传感器AD590AD590的三种连接方法之比较的三种连接方法之比较9T

5、M9电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度传感器温度传感器AD590AD590的两种的两种I/VI/V变换电路变换电路10TM10电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度传感器温度传感器AD590AD590温度传感器应用电路之一温度传感器应用电路之一11TM11电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度传感器温度传感器AD590AD590温度传感器应用电路之二温度传感器应用电路之二12TM12电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都

6、理工大学工程技术学院 石坚石坚 nAD590是一款电流源型的温是一款电流源型的温度传感器，供电电压为度传感器，供电电压为518V，输出电流灵敏度为，输出电流灵敏度为（注：其输出电流是以绝对（注：其输出电流是以绝对温度零度（温度零度（ ）为基准）为基准，每增加，每增加 ，会增加，会增加1uA输出电流。）右图是输出电流。）右图是AD590的基本应用电路，试在其后的基本应用电路，试在其后设计一个前置电路，要求电设计一个前置电路，要求电路输出电压在时输出电压为路输出电压在时输出电压为0V，时为，时为2V。0273C01 C思考题：思考题：13TM13电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成

7、都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度传感器温度传感器集成单片温度传感器集成单片温度传感器DS18B20DS18B20n性能特点性能特点独特的单线接口独特的单线接口通过并联可实现多点组网功能；通过并联可实现多点组网功能； 无需外部器件无需外部器件 供电电压范围为供电电压范围为3.05.5V3.05.5V； 零待机功耗零待机功耗 温度以温度以9 9或或1212位数字量读出位数字量读出 用户可定义的非易失性温度报警设置用户可定义的非易失性温度报警设置 报警搜索命令识别并标志超过程序限报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件定温度的器件 负电压特性，电源极性接反时，温度负电压特性，电源极性接反时

8、，温度计不会烧毁计不会烧毁14TM14电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 I/OVDDu6464位位ROMROM的位结构如下图所示。的位结构如下图所示。DS18B20DS18B20的内部结构的内部结构15TM15电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度 LSB温度 MSBTH 用户定义1TL 用户定义2配置寄存器保留保留保留CRC.前两个字节包含测得的温度信息。前两个字节包含测得的温度信息。第第3 3和第和第4 4字节是字节是THTH和和TLTL的拷贝，的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷是易失

9、的，每次上电复位时被刷新。新。第第5 5字节为配置寄存器，其内字节为配置寄存器，其内容用于确定温度值的数字转换分辨容用于确定温度值的数字转换分辨率。率。DS18B20DS18B20工作时按此寄存器中工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的的分辨率将温度转换为相应精度的数值。数值。第第6 6、7 7、8 8字节保留未用，字节保留未用，为全逻辑为全逻辑1 1。第第9 9字节读出前面字节读出前面8 8个个字节的字节的CRCCRC码，用来检验数据，从码，用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。而保证通信数据的正确性。u高速暂存高速暂存RAMRAM的的9 9字节信息字节信息16TM16电子系统设

10、计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 TMR1R011111TMTM是测试模式位，用于设置是测试模式位，用于设置DS18B20DS18B20在工作模式还是在测试在工作模式还是在测试模式。出厂时该位被设置为模式。出厂时该位被设置为0 0，用户不用改动，用户不用改动，R1R1和和R0R0决定温决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，定义方法如下：度转换的精度位数，即用来设置分辨率，定义方法如下：R1R0分辨率/位温度最大转换时间/ms00993.750110187.510113751112750配置寄存器的字节定义及分辨率的设置规定配置寄存器的字节定义及分辨

11、率的设置规定17TM17电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 当当DS18B20DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值以后的温度值以1616位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存储器的第存储器的第1 1、2 2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在前，高位在后，数据格式以，读数据时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625 /LSB0.0625 /LSB形形式表示。温度值格式如

12、下：式表示。温度值格式如下：0C32LSLS字节字节SSSSSMSMS字节字节221202-12-22-32-42625242当符号位当符号位S=0S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制数转换为十进制数，当符号位进制数转换为十进制数，当符号位S=1S=1时，表示测得的温度时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算其对应的十进制数。值为负值，要先将补码变成原码，再计算其对应的十进制数。转换温度后的数据值格式转换温度后的数据值格式18TM18电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度/二

13、进制表示十六进制表示+12500000111 1101000007D0H+8500000101 010100000550H+25.062500000001 100100010191H+10.12500000000 1010001000A2H+0.500000000 000010000008H000000000 000000000000H-0.511111111 11111000FFF8H-10.12511111111 01011110FF5EH-25.062511111110 01101111FE6FH-5511111100 10010000FC90HDS18B20DS18B20温度与测得二进

14、制数值对应表温度与测得二进制数值对应表19TM19电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 DS18B20DS18B20测温原理测温原理斜 率 累 加 器减 法 计 数 器 1计 数 比 较 器减 到 0温 度 寄 存 器预 置减 法 计 数 器 2预 置低 温 度 系 数 振 荡 器减 到 0高 温 度 系 数 振 荡 器增 加停 止20TM20电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 DS18B20DS18B20的主要的主要ROMROM命令命令（1 1）Read ROM33HRead ROM33H （2

15、 2）Match ROM55HMatch ROM55H（3 3）Skip ROM 0CCHSkip ROM 0CCH（4 4）SeachSeach ROM0F0H ROM0F0H（5 5）Alarm Search0ECHAlarm Search0ECH（6 6）Write Scratchpad 4EHWrite Scratchpad 4EH（7 7）Read Scratchpad0BEHRead Scratchpad0BEH（8）Copy Scratchpad48H（9 9）Convert T 44HConvert T 44H（1010）Recall E20B8HRecall E20B8H（1

16、1 11）Read Power Supply0B4HRead Power Supply0B4H21TM21电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 温度数据的计算处理方法温度数据的计算处理方法 转换完毕的温度数据存放在转换完毕的温度数据存放在LSLS字节和字节和MSMS字节，字节，MSMS字节的低半字节和字节的低半字节和LSLS字节的高半字节合成一个字节，字节的高半字节合成一个字节，化成十进制后为温度的整数部分。化成十进制后为温度的整数部分。 LSLS字节的低半字节化成十进制后，就是温度的小字节的低半字节化成十进制后，就是温度的小数部分。数部分。 采

17、用采用1 1位数码管来显示小数，即精确到位数码管来显示小数，即精确到0.10.1度，小度，小数部分二进制和十进制的近似对应关系如下：数部分二进制和十进制的近似对应关系如下：小数二进制值01 23 4 5 6 7 89 A B C D E F十进制值01 12 3 3 4 4 56 6 7 8 8 9 922TM22电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 DS18B20DS18B20应用实例应用实例数字温度计的设计数字温度计的设计1 1、功能要求：、功能要求：数字温度计要求测温范围在数字温度计要求测温范围在 ，误差在，误差在 以内，用以内，用LEDL

18、ED数码管直读显示。数码管直读显示。2 2、方案论证：、方案论证：传统的测温元件有热电耦和热电阻，测出的一般是电压，再转传统的测温元件有热电耦和热电阻，测出的一般是电压，再转换成对应的温度，需要较多的硬件支持，硬件电路和软件设计换成对应的温度，需要较多的硬件支持，硬件电路和软件设计相对复杂，成本也不低。本设计采用美国相对复杂，成本也不低。本设计采用美国DALLASDALLAS半导体公司推半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器出的一种改进型智能温度传感器DS18B20DS18B20作为检测元件，测温作为检测元件，测温范围为范围为 ，分辨率最大可达，分辨率最大可达 。DS18B20DS18B20

19、可以直可以直接读出被测温度值，采用接读出被测温度值，采用3 3线制与单片机相连，减少了外部硬线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。件电路，具有低成本和易使用的特点。 030110C00.5 C055 125 C00.0625 C23TM23电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 总体电路结构框图总体电路结构框图AT89S5x或AT89C2051主控制器DS18B20显 示 电 路扫 描 驱 动按照系统设计功能的要求，确定系统由按照系统设计功能的要求，确定系统由3 3个模块组成：个模块组成：主控制器、测温电路和显示电路。主控

20、制器、测温电路和显示电路。DS18B20DS18B20应用实例应用实例数字温度计的设计数字温度计的设计24TM24电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 3、系统硬件电路的设计RST1P3.0(RXD)2P3.1(TXD)3XTAL24 XTAL15P3.2(INT0)6P3.3(INT1)7P3.4(T0)8P3.5(T1)9GND10P3.711P1.0(AIN0)12P1.1(AIN1)13P1.214P1.315P1.416P1.517P1.618P1.719VCC20U1AT89C2051R1510R2510R3510R4510R5510

21、R6510R7510R8510S112S29S38S46a11b7c4d2e1f10g5dp3U3SR430561K1G1A121Y118A241Y216A361Y314A481Y412VCC20GND102G19B1112Y19B2132Y27B3152Y35B4172Y43U274HC244+5V123U4DS18B20VCCR134.7KY16MC115PC215PR14510VCC+C3100UXTAL1XTAL2时 钟 电 路RESET上 电 复 位 电 路.XTAL1XTAL2RESETQ19012Q29012Q39012Q49012R95.1KR105.1KR115.1KR125

22、.1KP3.0P3.1P3.2P3.3P3.0P3.1P3.2P3.3+5V.25TM25电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 系统程序主要包括系统程序主要包括C C程序主函数、程序主函数、DS18B20DS18B20复位函数、复位函数、DS18B20DS18B20写字节函数、写字节函数、DS18B20DS18B20读字节函数、温度计算读字节函数、温度计算转换函数和显示函数等。转换函数和显示函数等。1 1、主函数、主函数其主要功能是初其主要功能是初始化并负责温度始化并负责温度的读出、处理计的读出、处理计算及显示。温算及显示。温度测量每度测量每2s

23、2s进行进行一次。一次。初 始 化开 机 显 示 8 8 8 8 显 示 2 s读 出 温 度 值 、 发 温度 转 换 命 令 、 温 度计 算 处 理显 示 温 度 值 2 s.4 4、系统程序的设计、系统程序的设计26TM26电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 数组及全局数组及全局变量的初始化变量的初始化定义以及延时定义以及延时子函数。子函数。注：此程序采注：此程序采用用AT89C51作硬件调试，作硬件调试，使用使用P0、P2口，实际应为口，实际应为P1、P3口；口；同时硬件调试同时硬件调试中的数码管为中的数码管为共阴接法，实共阴接法，实

24、际应修改为共际应修改为共阳接法。阳接法。27TM27电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 主函数和扫描显示子函数主函数和扫描显示子函数28TM28电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 总线总线t0t0时刻发送一复位脉冲（最短为时刻发送一复位脉冲（最短为480us480us的低的低电平信号），接着在电平信号），接着在t1t1时刻释放总线并进入接时刻释放总线并进入接收状态，收状态，DS18B20DS18B20在总线的上升沿之后等待在总线的上升沿之后等待15-15-60us60us，然后在，然后在t2t2

25、时刻发出存在脉冲（低电平持时刻发出存在脉冲（低电平持续续60-240us60-240us），单片机接收到低电平脉冲说明），单片机接收到低电平脉冲说明复位成功，否则需重新进行复位操作。复位成功，否则需重新进行复位操作。t0t1t2t3t4400-960us15-60us60-240us480us.DS18B20DS18B20复位时序复位时序29TM29电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 DS18B20复位函数复位函数注：复位注：复位函数必须函数必须严格按照严格按照时序图编时序图编写，尤其写，尤其应注意延应注意延时时间的时时间的准确性。准确性。30

26、TM30电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 当主机总线当主机总线t0t0时刻从高拉至低电平时就产生时刻从高拉至低电平时就产生写时间间隙。从写时间间隙。从t0t0时刻开始时刻开始15us15us之内主机应之内主机应将所需写的位送到总线上，将所需写的位送到总线上，DS18B20DS18B20在在t0t0后后15-60us15-60us内对总线电平采样。连续写内对总线电平采样。连续写2 2位的间位的间隙应大于隙应大于1us1us。.t0t160us1us.15-60us15us.t0t160us1us15-60us15usDS18B20写写0和写和写1时序时序DS18B20写写0时序时序DS18B20写写1时序时序31TM31电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 DS18B20写字节函数写字节函数32TM32电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 主机总线主机总线t0t0时刻从高拉至低电平时，总线只需时刻从高拉至低电平时，总线只需保持低电平保持低电平1-4us1-4us，之后在，之后在t1t1时刻将总线拉高时刻将总线拉高产生读时间隙，读时间隙在产生读时间隙，读时间隙在t1t1时刻后时刻后t2t2时刻前时刻前有