序
溫度傳感器應用廣泛，數量眾多，居各類傳感器之首。溫度傳感器的發展大致經歷了以下三個階段:
1.傳統的分立溫度傳感器(包括敏感元件)主要是在非電量和電量之間進行轉換。2.模擬集成溫度傳感器/控制器。
3.智能溫度傳感器。目前，世界上的新型溫度傳感器正從模擬向數字、集成化向智能化、網絡化發展。
溫度傳感器的分類
根據傳感器與被測介質的接觸方式，溫度傳感器可分為兩類:壹類是接觸式溫度傳感器，另壹類是非接觸式溫度傳感器。
接觸式溫度傳感器的測溫元件應與被測對象有良好的熱接觸，通過熱傳導和對流原理達到熱平衡，即為被測對象的指示值。這種溫度測量方法精度高，可以測量物體內部的溫度分布。但對於熱容量小、對感溫元件有腐蝕作用的運動物體，這種方法會產生很大的誤差。
非接觸式測溫的測溫元件不與被測物體接觸。通常使用輻射熱交換的原理。這種穩定性測量方法的主要特點是可以測量運動中的小目標和熱容量小或變化快的物體，也可以測量溫度場的溫度分布，但受環境影響較大。
溫度傳感器的發展
1.傳統的分立溫度傳感器-熱電偶傳感器
熱電偶傳感器是工業測量中應用最廣泛的溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響，具有較高的精度。測量範圍寬，從-50~1600℃可連續測量。特殊熱電偶，如金-鐵-鎳-鉻，可測量低至-269℃，鎢-稀土可測量高達2800℃。
2.模擬集成溫度傳感器
集成傳感器是由矽半導體集成工藝制成的，所以也叫矽傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器於20世紀80年代問世。它將溫度傳感器集成在壹個芯片上，可以完成溫度測量和模擬信號輸出的功能。
模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單壹(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應快、傳輸距離遠、體積小、功耗低等。無需非線性校準，外圍電路簡單，適用於遠距離溫度測量。
2.1光纖傳感器
光纖測溫原理
光纖測溫技術可分為兩類:壹是基於輻射測量原理，利用光纖作為傳導光通量的導體，利用光敏元件構成結構傳感器；第二，光纖本身是感溫元件，是傳輸光通量的功能傳感器。光纖柔韌性好，傳輸頻譜寬，傳輸損耗低，便於本地使用或遠程傳輸，光纖直徑小，結構布置簡單，體積小，可單束、成束、Y形或陣列方式使用。因此，作為溫度計，它幾乎可以適用於各種檢測對象，可以用於其他溫度計難以適用的特殊場合，如密封、高壓、強磁場、核輻射、嚴格防爆、防水、防腐、特小空間或特小工件等。目前，光纖測溫技術主要包括總輻射測溫、單輻射測溫、雙波長測溫和多波長測溫。
2.1.1總輻射測溫法
總輻射測溫是測量所有波段的輻射能量，這是由普朗克定律決定的:
在測量中，周圍背景的輻射、測試距離、介質的吸收、發射和透過率的變化都會嚴重影響精度。同時，發射率很難預測。但由於高溫計結構簡單、操作方便、可自動測量、測溫範圍寬，在工業上壹般用作固定靶溫度監測裝置。這種光纖溫度計的測量範圍壹般為600 ~ 3000℃，最大誤差為65438±06℃。
2.1.2單輻射測溫法
根據黑體輻射定律，物體在壹定溫度下的單色輻射是溫度的單值函數，單色輻射的增長速度比溫度上升的速度快得多，因此可以通過測量單個輻射的亮度來獲得溫度信息。在普通溫度和波長範圍內，單色輻射亮度由維恩公式表示:
2.1.3雙波長測溫法
雙波長測溫法是利用兩個不同工作波長的信號的比值與溫度的單值關系來確定物體的溫度。兩個信號的比率由以下公式給出:
在國際應用中，測得R(T)後，查表即可得到溫度T。同時，如果適當選取λ1和λ2，使被測物體的ε(λ1，T)和ε(λ2，T)在這兩個特定波段近似相等，就可以得到與發射率無關的真實目標溫度。該方法響應速度快，不受電磁感應影響，抗幹擾能力強。特別是在粉塵、煙霧等惡劣環境下，在目標不充滿視場的地方測量運動或振動物體的溫度，具有明顯的優勢。但在實際應用中受到限制，因為它假設兩個波段的發射率相等，這只能由灰體來滿足。這類儀器的溫度範圍壹般為600 ~ 3000℃，精度可達±2℃。
2.1.4多波長輻射測溫法
多波長輻射測溫是利用目標的多光譜輻射測量信息，對數據進行處理，獲得材料的真實溫度和光譜發射率。考慮到多波長高溫計具有n個通道，第I個通道的輸出信號Si可以表示為:
通過將公式(9)～(13)中的任何壹個與公式(8)結合，可以通過擬合或求解該方程來獲得溫度t和光譜發射率。在1988中，Coates討論了多波長高溫計在方程(9)和(10)假設下的數據擬合方法和精度。1991年Mansoor[10]總結了多波長高溫計的數據擬合方法和精度。該方法具有較高的準確性。目前，歐盟和美國的Hiernaut等人已經研制出壹種亞毫米6波長高溫計(圖4)，用於測量2000-5000K[11]的真溫。哈爾濱工業大學研制了分光棱鏡35波長高溫計，用於測量燒蝕材料的真實溫度。多波長高溫計在輻射真溫測量中顯示出巨大的潛力。多波長高溫計在測量高溫、超高溫，特別是瞬態高溫物體的真實溫度方面是壹種很有前途的儀器。這種儀器的溫度範圍很寬，可用於測量600 ~ 5000℃溫度範圍內的真溫，精度為65438±0%。
2.1.5結論
光纖技術的發展為非接觸測溫在生產中的應用提供了非常有利的條件。光纖測溫技術解決了熱電偶和常規紅外測溫儀無法解決的許多問題。在高溫領域，光纖測溫技術正顯示出越來越強大的生命力。總輻射測溫法是通過測量所有波段的輻射能量來得到溫度。周圍背景的輻射、介質吸收率的變化、發射率εT的預測都會給測量帶來困難，很難達到高精度。單輻射測溫選擇的波段越窄越好。但如果帶寬太窄，探測器接收到的能量就會變得太小，影響其測量精度。多波長輻射測溫法是壹種非常精確的方法，但過程復雜，成本高，難以推廣應用。雙波長測溫采用窄帶波長比較技術，克服了上述方法的諸多缺點。在非常惡劣的條件下，如煙霧、灰塵、蒸汽、顆粒，目標表面發射率變化的情況下，仍然可以獲得很高的精度。
2.2半導體吸收式光纖溫度傳感器是壹種透光式光纖溫度傳感器。所謂光纖溫度傳感器，是指在光纖傳感系統中，只利用光纖作為光波的傳輸路徑，利用光學或機械等其他敏感元件來感受被測溫度的變化。這種類型主要使用數值孔徑和纖芯直徑較大的階躍多模光纖。由於它采用光纖傳輸信號，還具有光纖傳感器電絕緣、抗電磁幹擾和安全防爆的優點，適用於傳統傳感器無法勝任的地方進行測量。在這些傳感器中，半導體吸收式光纖溫度傳感器是研究比較深入的壹種。
半導體吸收式光纖溫度傳感器由半導體吸收器、光纖、光發射器和包括光探測器在內的信號處理系統組成。它具有體積小、靈敏度高、工作可靠、制造容易、無雜散光損失等優點。因此，在壹些特殊場合如高壓功率器件的溫度測量中具有很高的應用價值。
B半導體吸收式光纖溫度傳感器的測溫原理
半導體吸收式光纖溫度傳感器是利用半導體材料的吸收光譜隨溫度變化的特性實現的。據研究，在20~972K的溫度範圍內，半導體的帶隙能量Eg與半導體的能量有關。
溫度t之間的關系是
"
3.智能溫度傳感器
智能溫度傳感器(又稱數字溫度傳感器)於90年代中期問世。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術的結晶。目前，國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器包括溫度傳感器、A/D傳感器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有些產品還有多路復用器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。
智能溫度傳感器可以輸出溫度數據和相關的溫度控制量，適應各種微控制器(MCU)，通過軟件實現測試功能，即智能化取決於軟件的開發水平。
3.1數字溫度傳感器。
隨著科學技術的不斷進步和發展，溫度傳感器的種類越來越多。數字溫度傳感器廣泛應用於工業控制、電子溫度計、醫療儀器等溫度控制系統中，因為它們適用於各種微處理器接口組成的自動溫度控制系統，並能克服模擬傳感器與微處理器接口時信號調理電路和A/D轉換器的缺點。其中有代表性的數字溫度傳感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
壹、DS1722的工作原理
1和DS1722的主要特性
DS1722是壹款低成本、低功耗的三總線數字溫度傳感器。其主要特性見表1。
2.DS1722的內部結構
數字溫度傳感器DS1722提供8引腳m-SOP封裝和8引腳SOIC封裝，其引腳排列如圖1所示。它由四個主要部分組成:精密溫度傳感器、模數轉換器、SPI/三線接口電子器件和數據寄存器，其內部結構如圖2所示。
供電開始時，DS1722處於斷電狀態。上電後，用戶改變寄存器的分辨率，使其處於連續切換溫度模式或單次切換模式。在連續轉換模式下，DS1722連續轉換溫度並將結果存儲在溫度寄存器中。讀取溫度寄存器的內容不會影響其溫度轉換。在單轉換模式下，DS1722執行溫度轉換，結果存儲在溫度寄存器中，然後返回關閉模式。這種轉換模式適合對溫度敏感的應用。在應用中，用戶可以通過程序設置分辨率寄存器來實現不同的溫度分辨率，有5種分辨率:8位、9位、10位、11位或12位，對應的溫度分辨率分別為1.0℃、0.5℃、0.25℃和0.60。DS1722有兩個通信接口:摩托羅拉串行接口和標準三線接口。用戶可以通過SERMODE引腳選擇通信標準。
3、DS1722溫度操作方法
傳感器DS1722將溫度轉換為數字量，並以二進制補碼格式存儲在溫度寄存器中。通過SPI或三線式接口，可以讀出溫度寄存器中地址01H和02H的數據。輸出數據的地址如表2所示，輸出數據的二進制形式和十六進制形式之間的確切關系如表3所示。在表3中，假設DS1722配置為12位分辨率。數據通過數字接口連續傳輸，MSB(最高有效位)首先通過SPI傳輸，LSB(最低有效位)首先通過三條線傳輸。
4.DS1722的工作程序
通過選擇適當的狀態寄存器地址，DS1722的所有工作程序都由SPI接口或三總線通信接口完成。表4是寄存器地址表，顯示了DS1722的兩個寄存器(狀態和溫度)的地址。
1SHOT為單步溫度轉換位，SD為閉合斷路器位。如果SD位為“1”，則不會執行連續的溫度轉換。當1SHOT位寫入“1”時，DS1722執行溫度轉換，並將結果存儲在溫度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中，溫度轉換完成後，1722執行溫度轉換。如果SD位為“0”，將進入連續轉換模式，DS1722將連續進行溫度轉換，並將所有結果存儲在溫度寄存器中。雖然寫入1SHOT位的數據被忽略，但用戶仍然可以對該位進行讀/寫訪問。如果SD更改為“1”，正在進行的轉換將繼續，直到轉換完成並存儲結果，然後器件將進入低功耗關閉模式。
當傳感器通電時，默認的1觸發位為“0”。R0、R1和R2是溫度分辨率位，如表5所示(x=任意值)。默認上電狀態下，用戶可以讀寫R2、R1和R0，以及R2 =“0”、r 1 =“0”和R0 =“1”(9位轉換)。此時，通信端口保持有效，用戶對SD位具有讀/寫權限，其默認值為“1”(關閉模式)。
二、智能溫度傳感器DS18B20的原理及應用。
DS18B20是美國達拉斯半導體公司新推出的改進型智能溫度傳感器。與傳統熱敏電阻相比，它可以直接讀取被測溫度，並根據實際要求通過簡單編程實現9 ~ 12位的數字值讀取模式。9位和12位的數字量可以分別在93.75 ms和750 ms內完成，從DS18B20讀取或寫入的信息只需要壹條端口線(單線接口)讀寫，溫度轉換電源來自數據總線，也可以為連接的DS18B20供電，無需。因此，使用DS18B20可以使系統結構更簡單、更可靠。與DS1820相比，在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面都有了很大的提高，給用戶帶來了更方便的使用和滿意的效果。
2DS18B20的內部結構
DS18B20采用3針PR35封裝或8針SOIC封裝，其內部結構框圖如圖1所示。
(1) 64 b閃存ROM的結構如下:？
前8位是產品類型的序列號，後面是每個設備的唯壹序列號。* * *有48位，後8位是前56位的CRC校驗碼，這也是為什麽多個DS18B20可以壹條線通信的原因。
(2)非易失性溫度報警觸發器TH和TL可以通過軟件寫入用戶報警的上下限。
(3)高速暫存
DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括壹個暫存RAM和壹個非易失性電可擦E？淩晨2點.後者用於存儲TH和TL值。數據先寫入RAM，再送到E？淩晨2點.配置寄存器是高速寄存器中的第五個字節，其內容用於確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20工作時，溫度根據該寄存器中的分辨率轉換成相應精度的值。字節位定義如下:
低5位始終為1，TM為測試模式位，用於設置DS18B20是工作模式還是測試模式。當DS18B20出廠時，該位設置為0，因此用戶不得更改。R1和R0決定溫度轉換的精度，即設置分辨率，如表1所示(DS18B20出廠時設置為12位)。？
從表1可以看出，設置的分辨率越高，所需的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要考慮分辨率和轉換時間。
除了配置寄存器之外，暫存存儲器還包含另外8個字節，分配如下。其中溫度信息(字節1，2)，th和TL值的第3、4、6 ~ 8字節不使用，顯示全邏輯1；第9個字節讀取之前所有8個字節的CRC代碼，可用於確保通信正確。？
當DS18B20接收到溫度轉換命令時，它開始轉換。轉換後，溫度值以16位帶符號擴展二進制補碼的形式存儲在暫存存儲器的1和2字節中。單片機可以通過單線接口讀取數據。讀取時，低位在前，高位在後，數據格式為0？062 5 ℃/LSB形式。溫度值的格式如下:？
對應溫度計算:當符號位S=0時，二進制位直接轉換成十進制；當S=1時，先將補碼轉換成原碼，再計算十進制值。表2顯示了壹些相應的溫度值。？
完成DS18B20的溫度轉換後，將測得的溫度值與th和TL進行比較。如果T >；TH或t < TL，設置設備中的告警標誌，響應主機發送的告警搜索命令。因此，可以使用多個DS18B20同時測量溫度和進行報警搜索。
(CRC的產生
循環冗余校驗碼(CRC)存儲在64 b ROM的最高有效字節中。主機根據ROM的前56位計算CRC值，並與存儲在DS18B20中的CRC值進行比較，判斷主機接收到的ROM數據是否正確。？
3DS18B20的溫度測量原理
DS18B20的溫度測量原理如圖2所示。圖中低溫度系數晶體振蕩器的振蕩頻率受溫度影響很小[1]，用來產生壹個固定頻率的脈沖信號，送到減法計數器1。高溫度系數晶體振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化明顯，產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入。該圖還暗示了壹個計數門。當計數門打開時，DS計數門的打開時間由具有高溫度系數的振蕩器決定。每次測量前，將-55℃對應的基數分別放入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器預置在？-55 ℃?相應的基礎值。減法計數器1減去低溫度系數晶體振蕩器產生的脈沖信號。當減法計數器1的預設值減小到0時，溫度寄存器的值將增加1，減法計數器1的預設值將被重新加載。減法計數器1再次開始對溫度系數低的晶振產生的脈沖信號計數，以此類推，直到減法計數器2計數到0，溫度才會停止。圖2中的斜率累加器用於補償和校正溫度測量過程中的非線性，其輸出用於校正減法計數器的預設值。只要計數門還開著，就重復上述過程，直到溫度寄存器值達到測得的溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。
另外，由於DS18B20單線通信功能是分時完成的，對時隙有嚴格的概念，所以讀寫時序非常重要。必須根據協議執行DS18B20上系統的所有操作。操作協議為:初始化DS18B20(發送復位脈沖)→發送ROM功能命令→發送存儲器操作命令→處理數據。各種操作的時序圖與DS1820相同。請參考[2]。？
4DS18B20與單片機的典型接口設計
以MCS51單片機為例，圖3采用寄生電源供電方式，P1？1端口與單線總線相連。為了確保在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可以使用壹個MOSFET管和89C51的P1。0來完成總線[2]的上拉。DS18B20在存儲器寫操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強上拉，最大上拉開啟時間為10μ s..寄生電源供電方式是VDD和GND端子都接地。因為單線系統只有壹根線，所以發送和接收端口必須是三態的。上位機控制DS18B20完成溫度轉換，必須經過初始化、ROM操作指令和存儲器操作指令三個步驟。假設單片機系統使用的晶振頻率為12 MHz，根據DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫三個子程序:init為初始化子程序，WRITE為寫(命令或數據)子程序，read為讀數據子程序。所有數據讀寫都從最低位開始。其實實驗中並不使用這種方法，只要在數據線上加壹個上拉電阻4就可以了。？
5DS18B20的精確延時問題
雖然DS18B20有很多優點，但是不好用。由於采用單總線數據傳輸方式，DS18B20的數據I/O由同壹條線完成。所以讀寫的操作時序是嚴格的。為了保證DS18B20嚴格的I/O時序，需要進行更精確的延時。在DS18B20的操作中，使用的時間延遲為15 μs、90 μs、270 μs、540 μs等。因為這些延遲都是15 μs的整數倍，所以我們可以用下面的源代碼寫壹個DELAY15(n)函數:
只要用這個函數延遲15 μs×N n左右，有了更精確的延遲保證，我們就可以讀寫，轉換溫度，顯示DS18B20。
3.2智能溫度傳感器發展的新趨勢
(1)提高溫度測量精度和分辨率。
智能溫度傳感器采用8位A/D轉換器，測溫精度低，分辨率只能達到1℃。目前國外已經推出了多種高速高分辨率的智能溫度傳感器，采用9 ~ 12位A/D轉換器，分辨率壹般可以達到0.5 ~ 0.0625℃。美國達拉斯半導體公司最新研制的DS1624高分辨率智能溫度傳感器，可輸出13位二進制數據，分辨率高達0.03125℃，測溫精度為0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率，有些芯片采用高速逐次逼近型A/D轉換器。以AD7817 5通道智能溫度傳感器為例，它對於本地傳感器和每個遠程傳感器的轉換時間分別只有27微秒和9微秒。
(2)增加測試功能
溫度傳感器的測試功能也在增加。比如DS1629單線智能溫度傳感器，增加了實時日歷時鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內部的256字節E*EPROM存儲器，可以存儲用戶的短消息。此外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道發展，這為多通道溫度測控系統的研發創造了良好的條件。
傳感器有多種工作模式可供選擇，主要有單次轉換模式、連續轉換模式、待機模式，有的還加入了低溫極限擴展模式，操作起來非常簡單。對於壹些智能溫度傳感器，主機(外部微處理器或單片機)還可以通過相應的寄存器設置其A/D轉換速率、分辨率和最大轉換時間。
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