自供电温度传感器

2010年2月IEEE Spectrum上介绍了两种长寿命传感器。这两种方法都基于压电发电，一个微机电系统（MEMS）悬臂把机械运动转换成电能，而这个悬臂的运动可以用不同的方式来驱动。一种是用放射性同位素，另一种则用环境收集到的振动。所有自供电通信节点必须保持它们的记忆状态，周期性地发送其状态。这需要0.1微瓦到1毫瓦的能量。 康内尔大学的研究人员用少量镍-63（Ni-63）放射性同位素加入其原子核中的中子做成压电发电器。它可以放射无害的beta粒子，以维持每3分钟5mW的RF脉冲。其寿命可达100年。 荷兰的一个纳电子研究中心Imac创造了一个无线、自治的温度传感器，如下图所示。用铝氮化合物振动收集器。振动能量收集一般要求在特定频率下1微米的振动。该传感器每15秒可以测量温度，并把数据传到15米以外的基站。但是，这个传感器不能在大气压下封装，必须真空封装才能达到85微瓦。 这两个方案都被认为是原始创新，工业界尤其看好后一个方案，认为是有前途的。 这使我想起学科交叉的重要性。在我国，也有人研究过低功耗的传感器，自供电传感器，传感器节点。但是，搞计算机的人提出电源局部供电加控制，搞电子的人提出降低电压、修改电路，搞战略研究的人提出需求，搞材料的人提出CMOS工艺中某些材料的修改。所有这些想法也都不错，就是形不成像上面说的那样的长寿传感器方案，并用实验证明其可行性。我们的研究老给我一个感觉，浮在上面，或者隔靴搔痒，类比的东西比较多，纸面上说说的东西比较多。最近，我在审一篇国内文章，谈软件容错。他不谈真正的软件容错技术，而是研究各种软件容错方法之间的调度算法。你软件容错方法一个都没研究，你怎么选择、调度呢？只能是纸面上的空谈。http://blog.51xuewen.com/upload/blog/Aimg/2010/3/22/%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8.JPG

1．什么是线性NTC温度传感器？　　 线性温度传感器就是线性化输出的负温度系数（简称NTC）热敏元件，它实际上是一种线性温度-电压转换元件，就是说在通以工作电流（100uA）的条件下，元件的电压值随温度呈线性变化，从而实现了非电量到电量的线性转换。 2．线性NTC温度传感器的主要特点是什么？　　 这种温度传感器其主要特点就是在工作温度范围内温度-电压关系为一直线，这对于二次开发测温、控温电路的设计，将无须线性化处理，就可以完成测温或控温电路的设计，从而简化仪表的设计和调试。 3．线性NTC温度传感器的测温范围是如何规定的？　　 就总的而言，测温范围可在-200～+200℃之间，但考虑实际的需要，一般无须如此宽的温度范围，因而规定三个不同的区段，以适应不同封装设计，同时在延长线的选用上亦有所不同。而对于温度补偿专用的线性热敏元件，则只设定工作温度范围为-40℃～+80℃。完全可以满足一般电路的温度补偿之用。 4．延长线的选用应遵循什么原则？　　 一般的在-200～+20℃、-50～+100℃宜选用普通双胶线；在100～200℃范围内应选用高温线。 5．基准电压的含义是什么？　　 基准电压是指传感器置于0℃的温场（冰水混合物），在通以工作电流（100μA）的条件下，传感器上的电压值。实际上就是0点电压。其表示符号为V（0），该值出厂时标定，由于传感器的温度系数S相同，则只要知道基准电压值V（0），即可求知任何温度点上的传感器电压值，而不必对传感器进行分度。其计算公式为：V（T）=V（0）+S×T示例：如基准电压V（0）=700mV；温度系数S=-2mV/℃，则在50℃时，传感器的输出电压V（50）=700—2×50=600（mV）。这一点正是线性温度传感器优于其它温度传感器的可贵之处。 6．温度系数S的含义是什么？ 　　 温度系数S是指在规定的工作条件下，传感器的输出电压值的变化与温度变化的比值，即温度每变化1℃传感器的输出电压变化之值： S=△V/△T（mV/℃）。温度系数是线性温度传感器做为温度测量元件的物理基础，其作用与热敏电阻的B值相似，这个参数在整个工作温度范围内是同一值，即-2mV/℃，而且各种型号的传感器也是同一值，这一点传统的热敏电阻温度传感器是无可比拟的。 7．互换精度这一参数有什么意义？　　 互换精度是指在同一工作条件下（同一工作电流、同一温场）对于同一个确定的理想拟合直线，每一只传感器的电压V（T）—温度T曲线与该直线的最大偏差，这个偏差通常按传感器的温度—电压转换系数S折合成温度来表示。由于传感器的输出线性化及温度—电压转换系数相同，即在测温范围内全程互换，所以互换精度表示了基准电压值的离散程度，即用基准电压值的离散值折合成温度值的大小来描述整批传感器之间的互换程度。一般分为三级：I级的互换偏差不大于0.3℃;J级不大于0.5℃;K级不大于1.0℃。 8．线性度的意义是什么？　　 线性度是描述传感器的输出电压值随温度变化的线性程度，实际上也就是传感器输出电压在工作温度范围内相对于理想拟合直线的最大偏差。一般情况下，其线性度的典型值为±0.5%，很显然传感器的线性度越高（其值越小），对于仪表的设计就越简单，在仪表的输入级完全不必采用线性化处理。 9．为什么说线性温度传感器是规范化输出？　　 所谓规范化输出，就是在0℃温度点上传感器在规定的工作条件下，输出的电压值仅限于某一小范围内，即使不互换，其基准电压值仅限定在690-7１0mV之间，这样在电路设计时，易于在宏观上把握传感器的输出情况，不论在桥路设计还是温度补偿，只要在690-7１0mV之间考虑，在调试中稍加调整即可。而不象普通的热敏电阻由于型号不同，其阻值也不同，针对不同的型号，需进行不同的设计计算。所以线性温度传感器的规范化输出，可以使仪表电路实现规范化设计。 10．用户如何检验线性温度传感器？　　 用户在购买传感器后，可在恒流的条件下，依温区的大小，采用两点或三点测试，以检验互换精度、线性度和温度系数。一般情况下，最简单的检验方法只要检验基准电压值即可。而所有电气参数，在交货时均有随货参数表（合格证），以提供该批传感器的详细参数指标。对测试条件有如下要求：恒流源：100μA±0.5%；恒温温场：波动度：≤±0.05℃；测试仪表：41/2或51/2数字电压表。 11．实际使用温度传感器是否一定要采用恒流源供电？　　 一般情况下是不必要的，桥路恒压供电完全可以（参见图1、图2）。这是因为在100μA左右的电流条件下，传感器的温度—电压转换系数变化量很小，可以给一个实测数量级的概念：在100μA时 S=-2mV/℃在40μA 时 S=-2.1mV/℃在1000μA时S=-1.9mV/℃而在实际的桥路恒压供电时,其电流变化不会有如此大的幅度。恒压供电时，传感器负载电阻值如何确定？　　 恒压供电时，负载电阻接在电源与传感器正极之间，信号从传感器正极与负极之间输出，设计电阻值R时，以在0C时使传感器工作电流为100μA即可。如传感器的基准电压为V（0）（mV），恒压源为VDD（mV），则R=（VDD-V（0））(mV)/0.1(mA)。对于计算出的电阻值R，如果实际的电阻没有这种阻值，可就近阻值选用，对测温精度没有影响。 12．线性温度补偿元件做为电路温度补偿有什么优越性？　　 这主要考虑热敏元件的输出规范化及温度系数的一致性，便于设计。另外，由于温度系数与晶体管电路中的晶体管基、射极电压的温度系数相同，做为稳定晶体管电路的工作点的基极偏流元件是非常合适的。而将几只元件串联使用，可以通过并联电位器方式，通过电位器的调节出不同的温度系数，以实现精确的温度补偿作用（参见图3）。这种温度系数可调的补偿元件，无须繁杂设计，对元件的工作电流也无严格要求，这也是这种线性热敏元件用于温度补偿的一大优点。 13．稳定性的含义是什么？　　 稳定性是指传感器的基准电压值年漂移量，这个漂移量再按温度—电压转换系数折合成温度值，即稳定性=±△V/S/年。线性温度传感器的稳定性为±0.05℃/年。这一参数描述了传感器在各种使用条件下保持原有特性的能力。 14．长线传输对传感器信号是否有影响？　　 应当说影响不大，一般情况下传输距离可达1000米以上。如果距离再远，可以考虑将传感器输出的信号在当地转换成数字量，这样可以方便地实现更远距离的传输。

1、温度传感器DS18B20介绍　　　　DALLAS公司单线数字温度传感器DS18B20是一种新的“一线器件”，它具有体积小、适用电压宽等特点。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5℃；通过编程可实现9～12位的数字值读数方式；可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。每个DS18B20具有唯一的64位长序列号，存放于DS18B20内部ROM只读存储器中。　　　　DS18B20温度传感器的内部存储器包括1个高速暂存RAM和1个非易失性的电可擦除E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前2字节为测得的温度信息，第1个字节为温度的低8位，第2个字节为温度的高8位。高8位中，前4位表示温度的正(全“0”)与负(全“1”)；第3个字节和第4个字节为TH、TL的易失性拷贝；第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，此三个字节内容在每次上电复位时被刷新；第6、7、8个字节用于内部计算；第9个字节为冗余检验字节。所以，读取温度信息字节中的内容，可以相应地转化为对应的温度值。表1列出了温度与温度字节间的对应关系。　　　　2、系统硬件结构　　　　系统分为现场温度数据采集和上位监控PC两部分。图1为系统的结构图。需要指出的是，下位机可以脱离上位PC机而独立工作。增加上位机的目的在于能够更方便地远离现场实现监控、管理。现场温度采集部分采用8051单片机作为中央处理器，在P1.0口挂接10个DS18B20传感器，对10个点的温度进行检测。非易失性RAM用作系统温度采集及运行参数等的缓冲区。上位PC机通过RS485通信接口与现场单片微处理器通信，对系统进行全面的管理和控制，可完成数据记录，打印报表等工作。　　　　系统各模块分析如下：　　　　2.1DS18B20与单片机的接口电路　　　　DS18B20与8051单片机连接非常简单，只需将DS18B20信号线与单片机一位I/O线相连，且一位I/O线可连接多个DS18B20，以实现单点或多点温度测量。DS18B20可以通过2种方式供电：外加电源方式和寄生电源方式。前者需要外加电源，电源的正负极分别与DS18B20的VDD和GND相连接。后者采用寄生电源，将DS18B20的VDD与GND接在一起，当总线上出现高电平时，上拉电阻提供电源；当总线低电平时，内部电容供电。由于采用外加电源方式更能增强DS18B20的抗干扰性，故本设计采用这种方式。在实际应用中，传感器与单片机的距离往往在几十米到几百米，传输线的寄生电容对DS18B20的操作也有一定的影响，所以往往在接口的地方稍加改动，以增加芯片的驱动能力和减少传输线电容效应带来的影响，达到远距离传输的目的。　　　　2.2键盘及显示　　　　键盘通过编程设置可完成以下功能：对温度值进行标定，定时显示各路的温度值，单独显示某路的温度值，给每一路设定上下限报警值等。LED则可为用户提供直观的视觉信息。在工作现场，用户可通过6位LED的显示数据来确定系统的当前工作状态以及采样的温度值信息等。　　　　2.3报警电路　　　　当被测温度值超过预先设定的上下限时，报警电路作出响应，蜂鸣器发出响声，告知用户温度的异常。具体哪一个传感器温度值超限，可由软件查询各DS18B20内部告警标志而确定，继而调整该现场温度，以达到对温度波动的控制。　　　　3、软件设计及流程　　　　3.1下位机软件　　　　系统下位测温部分软件采用MCS51汇编语言编写，主要完成对DS18B20的读写操作，实现实时数据的采集，并获取最终温度值送至单片机内存。但需要注意的是，由于DS18B20的单总线方式，数据的读写都占用同一根线，所以每一种操作都必须严格按照时序进行。图2为测温子系统流程图。单片机首先发送复位脉冲，该脉冲使信号线上所有的DS18B20芯片都被复位，接着发送ROM操作命令，使得序列号编码匹配的DS18B20被激活。被激活后的DS18B20进入接收内存访问命令状态，内存访问命令完成温度转换、读取等工作(单总线在ROM命令发送之前存储命令和控制命令不起作用)。　　　　3.2上位机软件　　　　系统上位机的软件采用VC++6.0编写。主要完成的功能包括：与下位单片微机的实时通信；模拟显示各采集点温度曲线；保存各测温点温度数据；统计各采集点平均温度值；打印各点温度统计报表等。　　　　4、结论　　　　本系统具有如下特点：　　　　a.结构简单，成本低廉，维护方便。　　　　b.直接将温度数据进行编码，可以只使用单根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性强。　　　　c.配置灵活、方便、易于扩展。可扩展多路下位温度采集子系统，将它们通过RS485与上位PC机组网，形成多点温度采集网络。也可在各子系统中有选择性地增减温度传感器。　　　　d.工作稳定，测温精度高。实验表明，在长达200m的一位总线上挂接24个DS18B20温度传感器，系统可正确地进行温度采集，分辨率为0.5℃。　　　　e.适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。在大范围温度多点监控系统中具有十分诱人的应用前景。