Temperature Sensor ICs Simplify Designs
When you set out to select a temperature sensor, you are no longer limited to either an analog output or a digital output device. There is now a broad selection of sensor types, one of which should match your systems needs.
Until recently, all the temperature sensors on the market provided analog outputs. Thermistors, RTDs, and thermocouples were followed by another analog-output device, the silicon temperature sensor. In most applications, unfortunately, these analog-output devices require a comparator, an ADC, or an amplifier at their output to make them useful.
Thus, when higher levels of integration became feasible, temperature sensors with digital interfaces became available. These ICs are sold in a variety of forms, from simple devices that signal when a specific temperature has been exceeded to those that report both remote and local temperatures while providing warnings at programmed temperature settings. The choice now isnt simply between analog-output and digital-output sensors; there is a broad range of sensor types from which to choose.
Classes of Temperature Sensors
Four temperature-sensor types are illustrated in Figure 1. An ideal analog sensor provides an output voltage that is a perfectly linear function of temperature (A). In the digital I/O class of sensor (B), temperature data in the form of multiple 1s and 0s are passed to the microcontroller, often via a serial bus. Along the same bus, data are sent to the temperature sensor from the microcontroller, usually to set the temperature limit at which the alert pins digital output will trip. Alert interrupts the microcontroller when the temperature limit has been exceeded. This type of device can also provide fan control.
Figure 1. Sensor and IC manufacturers currently offer four classes of temperature sensors.
'Analog-plus' sensors (C) are available with various types of digital outputs. The VOUT versus temperature curve is for an IC whose digital output switches when a specific temperature has been exceeded. In this case, the 'plus' added to the analog temperature sensor is nothing more than a comparator and a voltage reference. Other types of 'plus' parts ship temperature data in the form of the delay time after the part has been strobed, or in the form of the frequency or the period of a square wave, which will be discussed later.
The system monitor (D) is the most complex IC of the four. In addition to the functions provided by the digital I/O type, this type of device commonly monitors the system supply voltages, providing an alarm when voltages rise above or sink below limits set via the I/O bus. Fan monitoring and/or control is sometimes included in this type of IC. In some cases, this class of device is used to determine whether or not a fan is working. More complex versions control the fan as a function of one or more measured temperatures. The system monitor sensor is not discussed here but is briefly mentioned to give a complete picture of the types of temperature sensors available.
Analog-Output Temperature Sensors
Thermistors and silicon temperature sensors are widely used forms of analog-output temperature sensors. Figure 2 clearly shows that when a linear relationship between voltage and temperature is needed, a silicon temperature sensor is a far better choice than a thermistor. Over a narrow temperature range, however, thermistors can provide reasonable linearity and good sensitivity. Many circuits originally constructed with thermistors have over time been updated using silicon temperature sensors.
Figure 2. The linearity of thermistors and silicon temperature sensors, two popular analog-output temperature detectors, is contrasted sharply.
Silicon temperature sensors come with different output scales and offsets. Some, for example, are available with output transfer functions that are proportional to K, others to °C or °F. Some of the °C parts provide an offset so that negative temperatures can be monitored using a single-ended supply.
In most applications, the output of these devices is fed into a comparator or an A/D converter to convert the temperature data into a digital format. Despite the need for these additional devices, thermistors and silicon temperature sensors continue to enjoy popularity due to low cost and convenience of use in many situations.
Digital I/O Temperature Sensors
About five years ago, a new type of temperature sensor was introduced. These devices include a digital interface that permits communication with a microcontroller. The interface is usually an Isup2;C or SMBus serial bus, but other serial interfaces such as SPI are common. In addition to reporting temperature readings to the microcontroller, the interface also receives instructions from the microcontroller. Those instructions are often temperature limits, which, if exceeded, activate a digital signal on the temperature sensor IC that interrupts
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温度传感器芯片的简化设计
当选择一个温度传感器时，将不再局限于模拟输出或数字输出设备。现在有的传感器类型，会让你有很大的选择空间。在市场上的所有的温度传感器提供模拟输出。热敏电阻、 RTDs 和热电偶是另一种模拟输出设备，硅温度传感器。在大多数应用程序中，不幸的是，这些模拟输出设备需要比较器、 ADC或在他们的输出放大器。因此，当更高的级别，集成的变得可行，数字接口的温度传感器成为可用。这些芯片在多种形式出售，从简单信号在特定温度时的设备已超过那些报告同时提供警告在升温设置的远程和本地的温度。选择现在不是简单地之间模拟输出和数字输出的传感器 ；有范围广泛的传感器类型可供选择。
温度传感器的种类
图 1传感器和 IC 制造商目前提供温度传感器的四的类。
在图1中举例说明四种温度传感器类型。一种理想的模拟传感器提供输出电压，这是一个完美的线性温度 （A） 的功能。在数字 I/O 类的传感器 (B) 中，温度多 1 和 0 的表单中的数据传递到微控制器，通常是通过串行总线。沿着相同的总线，数据被发送到温度传感器的微控制器，通常设置的警报针的数字输出将旅行的温度限制。警报中断微控制器时已经超过温度限制。这种类型的设备，还可以提供风扇控制。
'模拟正量'传感器(C)被应用在多种类型的数字输出上。当超过特定温度的时候，Vout对温度曲线是一个数字输出。在这种情况下，增加到模拟温度传感器的“正信号”只不过是一个比较器的参考电压。其他的类型“正信号”部分在以频率和方波的形式储存以后被延迟，这些将会在以后讨论。
系统监视器 （D） 是四种类型当中最复杂的集成电路。除了功能由数字 I/O 类型提供外，当电压上升或下降到通过I/O 总线设置的极限的时候这类型装置的监测系统会报警。风扇监控和/或控制包含在这种类型中的集成电路。在某些情况下，此类设备用于决定一个风扇是否正在工作。更多复杂控制风扇如一或更多量过的温度的功能。系统监视器传感器这里不讨论，但简短提到温度传感器的类型。
模拟输出温度传感器
热电阻和硅温度传感器被广泛地应用在模拟输出温度传感器上。图 2 清楚地显示当需要时电压和温度的线性关系，硅温度传感器是比热敏电阻好得多。在狭窄的温度范围之内，热敏电阻可以提供合理的线性和良好的敏感特性。许多构成原始电路的热敏电阻已经被硅温度传感器代替。
图 2热敏电阻和硅温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较。
硅温度传感器有不同的输出刻度和偏移量。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部分提供一种组合以便温度能被单端补给传感器测试。
在大多数应用程序中，这些装置的输出被装入一个比较器或 A/D 转换器的温度数据转换为数字格式。这些附加的装置，热电阻和硅温度传感器继续被使用是由于在很多情况下它的成本低和使用方便。
数字 I/O 温度传感器
大约在五年前，一种新型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器进行通信的数字接口。接口通常是 Isup2;C 或 SMBus 的串行总线，但其他的串行接口，如 SPI 是共用的。除了要报告的微控制器，温度读数，该接口也从微控制器接收指令。这些指令通常温度限制，如果超出，将中断微控制器的温度传感器在集成电路上的数字信号。然后微控制器可以调整风扇速度，或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制下。
这种类型装置有多样性的特点。远程温度传感，为了能够远程测量，大多数的高效处理器提供一个温度的模拟电压芯片晶体。（晶体管的两个 p-n 结仅被使用）。图 3 显示了一个使用这种技术检测的处理器。其他应用利用离散的晶体管实现相同的功能。
图 3设计的温度传感器可远程测试处理器芯片上的p-n结温度。
这种类型的传感器的另一个重要特征是测量温度在高或低极限外有中断微控制器的能力（包括在图 3 中所示的传感器）。在其他的传感器上，当测量的温度超过极限的时候，它会产生一个高或低的温度门限，对於在图 3 中的传感器，那些极限经由SMBus 接口被传送到温度传感器。如果温度移动到周围画线范围上面或下面，报警信号会中断处理器。
在图 4 中画一种类似的装置。而不是监测一个p-n结温度，它会检测四个结和其内部的温度。因为Maxim的 MAX1668 消耗很小的能量，它内部的温度接近周围温度。周围温度的测量给出关于系统风扇是否正常工作的指示。
图 4温度传感器可检测自己本地的温度和四个远程 p-n 结的温度。
在图5中显示，控制风扇是在远程温度监测时集成电路的主要功能。这一部分的使用能在风扇控制的两种不同的模式之间进行选择。在 PWM 模式中，微控制器控制风扇转速是通过更改发送到风扇的信号周期测量温度的一种功能。它允许电力消耗远少于该部分的线性模式控制所提供的。因为某些风扇在PWM信号控制它的频率下发出一种听得见的声音，这种线性模式可以是有利的，但是需要较高功率的消耗和附加的电路。额外的功耗是整个系统功耗的一小部分。
图 5风扇控制器/温度传感器集成电路也可使用PWM或一个线性模式控制方案。
当温度超出指定界限的时候，在这个集成电路提供中断微控制器的警告信号。这个被叫做过热温度的信号形式里，安全特征也被提供。如果温度升到一个危险级别的时候或软件被锁定，警报信号将不再有用。然而，温度经由 SMBus升高到一个水平，过热能被直接用去关闭这个系统电源，没有控制和阻止潜在的灾难性故障。
这种数字设备的 I/O 类广泛使用在查找服务器、 电池组和硬磁盘驱动器中。为了增加服务器的可靠性，温度在很多位置被检测：在主板 （本质上是在底盘内部的周围温度），在处理器钢模之内，和在其他发热原件例如图形加速器和硬磁盘驱动器。出于安全原因电池组结合温度传感器和使其最优化以达到电池最大寿命。
检测依靠中心马达的速度和周围温度的硬盘驱动器的温度有两个好的理由：在驱动器中读取错误增加温度极限。而且硬盘 MTBF 大大改善温度控制。通过测量系统里面的温度，就能控制马达速度将可靠性和性能最佳化。驱动器也能被关闭。在高端系统中，警告能为系统管理员指出温度极限或数据可能丢失的状况。
模拟正温度感应器
“模拟正量”传感器通常匹配比较简单的测量应用软件。这些集成电路产生逻辑输出量来自被测温度，而且区别于数字输入/输出传感器，因为他们在一条单线上输出数据，与串行总线相对。
在一个模拟正量传感器的最简单的实例中，当特定的温度被超过时，逻辑输出出错；其它，是当温度降到一个温度极限的时候。当其他传感器有确定的极限的时候，这些传感器中的一些允许使用电阻去校正温度极限。
在图6中，装置显示购买一个特定的内在温度极限。这三个电路说明这种类型的设备的常见用途： 提供警告，关闭仪器，或开启风扇。
图 6温度超过某一界限的时候，集成电路信号能报警和进行简单的开/关风扇控制。
当需要读实际温度时，微控制器是可以利用的，在单线上传送数据的传感器可能是有用的。用微处理器的内部计数器，来自于这个类型温度传感器的信号容易被转换的温度来测量。图7中传感器输出频率与周围温度成正比例的方波。图8中的设备很相似，但方波周期是与周围温度成比例的。
图 7热控制电路部分在绝对温标形式下，频率与被测温度成比例的产生方波的温度传感器。
图 8。这个温度传感器传送它的周期与被测温度成正比例的方波。因为只发送温度数据需要一条单一线，就需要单一光绝缘体隔离信道。
图9，在这条公共线上允许连接达到8 个温度传感器。当微控制器的 I/O端口同时关闭在这根线上的所有传感器的时候，开始提取来自这些传感器的温度数据。微控制器很快地重新装载接受来自每个传感器的数据。在传感器关闭期间，数据被编码。在特定时间范围内每个传感器对闸门脉冲之后的时间编码。分配给每个传感器自己允许的时间范围，这样可以避免碰撞。
图 9用一条公共线与8个温度传感器连接的微控制器，而且从同一条线接收每个传感器传送得温度数据。
通过这个方法达到的准确性令人惊讶：0.8 ° C 是典型的室温，正好与被传送方波频率的电路相匹配，同样适用于方波周期的装置。
这些装置在电线应用中非常突出的。例如，当一个温度传感器被微控制器隔离的时候，成本被保持在一个最小量，因为只需要一个光绝缘体。这些传感器在汽车制造HVAC应用中也是很有效的，因为它们减少了铜的损耗数量。
预期的温度传感器发展
集成电路温度传感器提供各式各样的功能和接口。同样的这些装置继续发展，系统设计师将会看到更多特殊应用就像传感器与系统接口连接的新方式一样。最后，在相同的钢模区域内集成更多电子元件，芯片设计师的能力将确保温度传感器很快会包括新功能和特殊的接口。
温度控制系统的设计
摘要：研究了基于AT89S 51单片机温度控制系统的原理和功能，温度测量单元由单总线数字温度传感器DS18B20构成。该系统可进行温度设定，时间显示和保存监测数据。如果温度超过任意设置的上限和下限值，系统将报警并可以和自动控制的实现，从而达到温度监测智能一定范围内。基于系统的原理，很容易使其他各种非线性控制系统，只要软件设计合理的改变。该系统已被证明是准确的，可靠和满意通过现场实践。
I. 导言
温度是在人类生活中非常重要的参数。在现代社会中，温度控制（TC）不仅用于工业生产，还广泛应用于其它领域。随着生活质量的提高，我们可以发现在酒店，工厂和家庭，以及比赛设备。而比赛的趋势将更好地服务于整个社会，因此它具有十分重要的意义测量和控制温度。
在AT89S51单片机和温度传感器DS18B20的基础上，系统环境温度智能控制。温度可设定在一定范围内动任意。该系统可以显示在液晶显示屏的时间，并保存监测数据，并自动地控制温度，当环境温度超过上限和下限的值。这样做是为了保持温度不变。该系统具有很高的抗干扰能力，控制精度高，灵活的设计，它也非常适合这个恶劣的环境。它主要应用于人们的生活，改善工作和生活质量。这也是通用的，因此它可以方便地扩大使用该系统。因此，设计具有深刻的重要性。一般的设计，硬件设计和软件系统的设计都包括在内。
II. 系统总体设计
该系统硬件包括微控制器，温度检测电路，键盘控制电路，时钟电路，显示，报警，驱动电路和外部RAM。基于AT89S51单片机，DS18B20的将温度信号传送到数字信号的检测。和信号发送到微控制器进行处理。最后，温度值显示在液晶12232F。这些步骤是用来实现温度检测。使用键盘接口芯片HD7279在设定温度值，使用微控制器保持一定的温度，并使用液晶显示的温度控制设定值。此外，时钟芯片DS1302用于显示时间和外部RAM6264是用来保存监测数据。报警将给予及时蜂鸣器如果温度超过了上限和下限温度值。
III. 硬件设计
A. 微控制器
在AT89S51单片机是一种低功耗，高性能CMOS 8位4K的系统内可编程闪存字节微控制器。该设备是采用Atmel的高密度非易失性内存技术，并与业界标准的80C51指令集和引脚兼容。片上闪存程序存储器可以编程就可以在系统或由传统的非易失性存储器编程。通过结合在系统灵活的8位CPU集成在一个芯片可编程闪存，Atmel的单片机AT89S51是一个功能强大的微控制器提供了一个高度灵活的和具有成本效益的解决方案很多嵌入式控制应用。为了节省监测数据，6264是用来作为外部RAM。它是一个静态RAM芯片，低功耗具有8K字节的内存。
B. 温度检测电路
温度传感器是该系统的关键部分。达拉斯DS18B20的使用，它支持1 - Wire总线接口，板上专利是在内部使用。所有的传感器部分和转换电路集成在一个晶体管集成电路像[1]。其测量范围为-55℃〜125℃，在-10℃〜85℃精度为plusmn;0.5℃[2，3]。由DS18B20的温度采集传输在1 - Wire总线的方式，这种高度提高了系统的抗干扰，使之适合在恶劣的环境现场温度测量[4]。有两个电源DS18B20的供应方式。首先是外部电源供给：DS18B20的第一脚连接到地面，第二引脚用作信号线，三是连接到电源。第二种方式是寄生电源[5]。由于寄生电源会导致硬件电路，软件控制的难度和芯片的性能下降等，但DS18B20的（s）的复杂性，可以连接到I/ O端口的单片机在外部电源供电方式，它更受欢迎。因此，外部电源供应使用，而第二个接脚连接到引脚P1.3可单片机AT89S51。其实，如果多有被检测，DS18B20的（S）可以连接到1 - Wire总线。但是，当数超过8，有一个向驾驶和更复杂的软件设计，以及1 - Wire总线长度的关注。一般而言，这是不超过50米。为了实现远程控制，该系统可在一个无线之一，旨在打破了1 - Wire总线长度的限制[6]。
C. LCD显示器电路
液晶显示12232F使用，这可以用来显示字符，温度值和时间，并提供一个友好的显示界面。该12232F是一个具有8192128times;32像素的汉字数据库和128个16 times;8像素的ASCII字符集图形液晶显示。它主要由行驱动器/列驱动器和128times; 32点阵的充分显示图形，以及7.5 times;2个汉字功能的液晶显示器。它是在并行或串行方式连接到外部CPU[7]。为了节约硬件资源，12232F应以串行方式连接到单片机AT89S51，只有4个输出使用的
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