第13章 集成传感器

传感器原理及应用第13章集成化智能传感器传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.1概述半导体技术和电子技术的进步推动了传感器技术的迅猛发展。目前，传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。据预测，目前智能传感器的市场销售量将以每年20%的速度增长，应用领域也越来越广泛，仅在汽车上使用的智能传感器就达几十种，如：加速度传感器、压力传感器、温度传感器、液位传感器；还有高智能化的用于车道跟踪、车辆识别、车距探测、卫星定位等新型传感器。单片集成传感器作为21世纪最具有影响力和发展前景的一项高科技产品，必然引起国内外相关领域的高度关注。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.1.1智能传感器基本特点智能传感器的最大特点是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起，一定意义上看具有类似人工智能的作用。智能传感器的主要功能与特点如下：1.智能传感器的功能加智能传感器不仅可自动检测各种被测量，还具有自动调零、自动调节平衡、自动校准、自标定功能。2.智能传感器的特点与传统传感器相比，智能传感器的主要特点是：高精度、宽量程、多功能化、高可靠性、高性价比、自适应能力、微型化、微功耗、高信噪比等。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.1.2智能传感器发展智能传感器正朝着单片集成化、网络化、系统化、多功能、高精度、高可靠性的方向发展。其发展趋势主要表现在以下几个方面：1.新的半导体工艺计算机技术和微电子技术的进步推动了传感器技术发展，这种技术和生产力的转化使传感器的研究和制作有新的突破功能。指纹芯片，内嵌指纹识别技术的芯片，能够片上实现指纹的图像采集、特征提取、特征比对的芯片2.单片传感器系统单片系统的英文缩写为SOC（SystemOnChip），可译为“系统级芯片”或“系统芯片”，其含义是将一个可灵活应用的系统集成在一个芯片上。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.1.2智能传感器发展3.智能微尘传感器理想的智能微尘（SmartMicroDust）是一种具有电脑功能的超微型传感器。用肉眼看，它和一粒沙子差不多大，但是内部包含了从信息收集、信息处理到信息传输所必需的全部部件。目前智能微尘直径约为5mm。•4.总线技术的标准化与规范化•传感器的总线技术正逐步实现标准化、规范化。目前智能型传•感器的总线主要有：1-WIRE总线——单总线；USB——通用串行总线；SPI——三线串行总线；I2C——二线串行总线；123GNDI/OVDD传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.1.2智能传感器发展5.虚拟传感器和网络传感器所谓虚拟传感器有虚拟仪器的概念，就是基于软件系统开发和研制智能传感器。霍尼威尔的精密智能压力传感器PPT系列传感器是一个既非常精确又标准的模拟电压输出装置,也是一个完善的、具有地址的数字传感器,并可在RS232总线上很多传感器一起联网使用。PPT传感器可以帮助用户向数字丈量系统过渡,而不用增加新的昂贵的硬件设备。6.可靠性与安全性设计智能传感器一般具有自检和自校准功能。利用传感器的自检模式，可以模拟各种条件下的不同状态，定期检查系统的性能。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.2单片智能温度传感器目前，温度传感器正向着单片集成化、数字化、智能化、网络化和系统化的方向发展。实际应用中单片集成式温度传感器分为：数字集成温度传感器；模拟式集成温度传感器；智能温度传感器；通用智能温度控制器。工作原理、输出信号和使用方法上也有一定的差别。智能型温度传感器、温控器是将A/D转换电路，ROM存储器集成在一个芯片上，广泛应用于自动控制系统。智能传感器的总线技术已实现标准化、规范化；传感器作为从机，通过专用总线接口与主机进行通讯，传输数据。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.2.1基于1-WIRE总线的DS18B20型智能温度传感器DS1820是DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器与其它温度传感器相比有以下特点：123GNDI/OVDD两种封装形式；I/O：输入/输出端VDD：外部电源+5VGND：地；NC：空脚DB18B20引脚、封装•单线接口方式，可实现双向通讯；•支持多点组网功能，多个18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温；•内部有唯一序列号；•使用中不需要任何外围器件；•测量结果以9位数字量方式串行传送；•温度范围-55～+125℃；•供电电压+3～+5.5V。•每一个DSl820包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl820内部的ROM(只读存贮器)中开始8位是产品类型编码(DSl820编码均为10H)接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码传感器原理及应用第13章集成化智能传感器基于1-WIRE总线的DS18B20型智能温度传感器内部原理框图DS18B20内部电路框图主要包括7个部分：寄生电源、温度传感器、64位ROM与接口、便笺式RAM、高速暂存器、高温TH触发寄存器、低温TL触发寄存器，存储与控制逻辑，8位循环冗余校验码（CRC）发生器。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器测温原理•低温度系数振荡器温度影响小，用于产生固定频率信号送计数器1;•高温度系数振荡频率随温度变化，产生信号脉冲送计数器2；•计数器1和温度寄存器被预置在-55℃对应的基数值；•计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲进行减法计数；•当计数器1预置减到0时，温度寄存器加1，计数器1预置重新装入；•计数器1重新对低温度系数振荡器计数；传感器原理及应用第13章集成化智能传感器测温原理•如此循环，直到计数器2计数到0时，停止对温度寄存器累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。•高温度系数振荡器相当于T/f转换器，将被测温度转换成频率信号f；•当门打开时对低温度系数振荡器计数；•计数门的开启时间有高温度系数振荡器决定。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器DS18B20型智能温度传感器接口电路第一种方法利用一个CMOS管，把传感器的数据线接连接到电源的正，利用微机来控制CMOS管的导通与截止，即给数据线提供一个很强的上拉电压；使用这种方法时，必须把传感器第三引脚VDD接到电源的接地端；不对E2ROM进行操作时，传感器处于省电状态。对E2ROM进行操作时，由导通的CMOS管通过数据线给传感器提供一个较大的工作电流，这个时间至少要维持10μS以上。省电方式连接传感器原理及应用第13章集成化智能传感器DS18B20接口电路第二种方法把传感器的数据线通过一个上拉电阻直接接到正电源的上，同时把第三引脚也连接到正电源上。使用这种方法，在对E2ROM进行操作时，不要求通过传感器的数据线来给传感器提供工作电流，因此可以在该I/O线上连接其它的驱动。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器DS18B20接口电路在进行温度数据转换的时候，发出跳过内存命令和转换启动命令即可。需要注意的是在这种工作方式下，只要传感器的3脚上有正电压，传感器就处于工作状态。18B20的耗电比较小，无须考虑省电状态，这种方法使用起来不但硬件电路比较简单，软件设计也较简单。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器DS18B20接口电路由于DS1820输出端属于漏极开路输出，传感器数据线通过上拉电阻时常态为高电平；可在I/O线连接其它驱动。可同时在一根总线上进行8个温度通道的测量。温度传感器18B20几乎不需要什么外围器件，有专门的转换以及读写指令。其转换速度快，转换一个12位的温度数据不超过750ms，在温度转换期间，数据总线上必需达到1.5mA的电流。传感器原理及应用第13章集成化智能传感器DS18B20操作指令18B20内部自带5个ROM指令、6条专用指令：ROM指令；ReadROM(33h），读ROMMatchROM(55h)，比较SkipROM(CCh)，跳过ROMSearchROM(F0h)，搜索、查找AlarmROM(ECh)，报警专用指令；WriteScratchpad[便签式](4Eh)，写便签RAMReadScratchpad(BEh),读数据CopyScratchpad(48h),复制ConvertT(44h),启动转换RecallE2(B8h),搜索、调用ReadPowerSupply(B4h)，读电源电压传感器原理及应用第13章集成化智能传感器DS18B20编程温度转换关系表•通过数据线，利用串行传输方式，先发出跳过ROM命令，再发出温度转换命令；•温度传感器把采集到的温度经过转换后，以十六进制10H表示1℃存储于自带的存储器E2ROM中；•后发出读数据指令，把温度传感器E2ROM中的数据读入单片机。•在E2ROM中，当温度为负值时，以补码的形式表示。复位时，其值为+85℃。温度的低字节、温度的高字节分别装入两个单元传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.3集成湿度传感器近年来，国内外湿度传感器取得了长足的发展和进步，湿敏传感器从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发湿度/温度测控系统和提高测量技术水平提供了有利条件。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品有：Honeywell公司的HIH-3602\HIH-3605\HIH-3610型；Humirel公司的HM1500\HM1520\HTF3223\HF3223型；瑞士Sensiron（森斯瑞）公司的SHT11\SHT15型。这些产品主要分为四种类型：1）线性电压输出式；2）线性频率输出式；3）频率/温度输出式；4）单片智能化集成温/湿度传感器传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.3.1HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器HM1500/HM1520传感器内部包含一个由HS1101湿敏电容器构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能够输出与相对湿度呈线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70Ω，适配带ADC的单片机。采用+5V电源供电，工作电流典型值为0.4mA，漏电流≤300μA，工作温度范围是-30℃～+60℃。HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围0～100%RH，输出电压+1V～+4V，相对湿度为55%时的标称输出电压为2.48V。测量精度±3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为+0.1%RH/℃，响应时间10s。1.HM1500\HM1520结构特征传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.3.1HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器元件尺寸为34mm（长）×22mm（宽）×9mm（高），3个引脚分别是：GND；Ucc（电源）；Uo（电压输出）；相对湿度在（10%～95%）RH范围内，TA=+23℃时，输出电压Uo与相对湿度RH的对应关系见表13-1。输出电压的计算公式为：2.HM1500\HM1520工作原理1.0790.2568UoRH传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.3.1HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器2.HM1500\HM1520工作原理RH(%)101520253035404550Uo/V1.3251.4651.6001.7351.8601.9902.1102.2352.360RH(%)556065707580859095Uo/V2.4802.6052.3702.8602.9903.1253.2603.4053.555HM1500的输出电压Uo与相对湿度RH的对应关系（TA-+23℃）传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.3.1HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器3.HM1500\HM1520典型应用HM1500／1520传感器测湿电路原理框图传感器原理及应用第13章集成化智能传感器13.3.1HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器3.HM1500\HM1520典型应用由HM1500／1520型湿度传感器和单片机构成的智