《傳感器原理及應(yīng)用》課件-第七章

01緒論目錄02傳感器的理論及技術(shù)基礎(chǔ)03物理量傳感器04化學(xué)傳感器05生物傳感器06微機(jī)電（MEMS）傳感器07集成傳感器08傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用第七章集成傳感器7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理主要組成部分：溫度傳感器、64位ROM、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器圖1

DS18B20結(jié)構(gòu)圖7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理引腳配置圖2

DS18B20引腳配置1.GND：接地接口2.DQ：數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端3.VDD：外接電源輸入端（當(dāng)為寄生電源供電方式時(shí)該引腳必須接地）7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理供電方式：2種圖3寄生電源供電圖4外部電源供電注意：當(dāng)DS18B20處于寄生電源模式時(shí)，VDD引腳必須接地7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理64位ROM每個(gè)DS18B20都包含一個(gè)存儲(chǔ)在ROM中的唯一的64位編碼：最低8位：DS18B20的1-Wire系列代碼28h接下來(lái)的48位：每個(gè)DS18B20唯一的序列號(hào)最高8位：循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）碼每個(gè)DS18B20的ROM數(shù)據(jù)都是唯一的，因此可以通過(guò)單總線對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行尋址。圖5

ROM7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理存儲(chǔ)器組成：SRAM高速暫存器、非易失性可電擦除的EEPROM存儲(chǔ)器圖6存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理圖7配置寄存器配置寄存器暫存器的字節(jié)4包含配置寄存器，該寄存器中的R0和R1位可以控制DS18B20的轉(zhuǎn)換分辨率。

表1配置寄存器與分辨率關(guān)系表R1R0分辨率（bits）最大轉(zhuǎn)換時(shí)間00993.75ms（tCONV/8）0110187.5ms（tCONV/4）1011375ms（tCONV/2）1112750ms（tCONV）7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理圖8單線CRC碼CRC生成器CRC（ROM或暫存器）的等效多項(xiàng)式函數(shù)是：CRC=X8+X5+X4+17.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理DS18B20的核心是可以直接將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字的溫度傳感器。其分辨率可設(shè)置為9、10、11和12位(默認(rèn))，分別對(duì)應(yīng)于0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃的精度。溫度數(shù)據(jù)以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在溫度寄存器中的第1、2字節(jié)。符號(hào)位（S）表示溫度的正負(fù)：S=0表示為正數(shù)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；S=1表示為負(fù)數(shù)，需先將補(bǔ)碼變換為原碼，再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制值。工作原理-測(cè)溫操作7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理表2溫度數(shù)字輸出數(shù)據(jù)工作原理-測(cè)溫操作溫度（℃）數(shù)字輸出（二進(jìn)制）數(shù)字輸出（十六進(jìn)制）+125000001111101000007D0h+85*00000101010100000550h+25.062500000001100100010191h+10.125000000001010001000A2h+0.500000000000010000008h000000000000000000000h-0.51111111111111000FFF8h-10.1251111111101011110FF5Eh-25.06251111111001101111FE6Fh-551111110010010000FC90h7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理-報(bào)警操作如果測(cè)量溫度不在TL-TH范圍內(nèi)，則觸發(fā)報(bào)警標(biāo)志。每進(jìn)行一次溫度測(cè)量就會(huì)更新該標(biāo)志，因此，如果報(bào)警條件消失，則報(bào)警標(biāo)志在下一次溫度轉(zhuǎn)換后將會(huì)被關(guān)閉。主機(jī)可以通過(guò)發(fā)出報(bào)警搜索[ECh]命令來(lái)檢查總線上所有DS18B20的報(bào)警標(biāo)志狀態(tài)。7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程訪問(wèn)順序①初始化②ROM操作命令（后跟所需的數(shù)據(jù)交換）③DS18B20功能命令（后跟所需的數(shù)據(jù)交換）④數(shù)據(jù)處理

注意：每次訪問(wèn)DS18B20時(shí)都必須遵循此順序但是，當(dāng)DS18B20發(fā)出SearchROM[F0h]和AlarmSearch[ECh]命令后，主機(jī)必須返回序列中的步驟①。7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程①初始化圖9DS1B20初始化時(shí)序圖（1）總線主機(jī)將單總線拉低至少480μs來(lái)傳輸（TX）復(fù)位脈沖（2）總線主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收模式（RX）（3）釋放總線，單總線拉高至高電平（4）檢測(cè)到上升沿，等待15μs至60μs（5）將單總線拉低60μs至240μs來(lái)發(fā)送應(yīng)答脈沖7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程②ROM操作命令在總線主控器檢測(cè)到存在脈沖之后，它可以發(fā)出ROM命令命令類型命令字節(jié)功能說(shuō)明SearchROMF0h當(dāng)系統(tǒng)初始上電時(shí)，主機(jī)可通過(guò)排除過(guò)程識(shí)別總線上所有從機(jī)的ROM代碼從而確定從機(jī)的數(shù)量及其設(shè)備類型。ReadROM33h該命令只能在總線上有一個(gè)DS18B20時(shí)使用，否則將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。允許總線主機(jī)在不使用SearchROM程序的情況下讀取從機(jī)的64位ROM代碼。MatchROM55h該命令后跟64位ROM代碼，并尋找與之匹配的DS18B20來(lái)響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的功能命令;總線上的所有其他從站將等待復(fù)位脈沖。SkipROMCCh主機(jī)可以使用此命令同時(shí)尋址總線上的所有設(shè)備，而不發(fā)送任何ROM代碼信息。AlarmROMECh只有設(shè)置了警報(bào)標(biāo)志的DS18B20才會(huì)響應(yīng)該命令。表3ROM命令類型及其功能7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程③DS18B20功能命令：可以對(duì)其里面的存器進(jìn)行寫(xiě)入和讀取，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換并確定電源模式。命令類型命令字節(jié)功能說(shuō)明ConvertT[44h]該命令啟動(dòng)單個(gè)溫度轉(zhuǎn)換。若DS18B20由外部電源供電，則主機(jī)可以在轉(zhuǎn)換T命令后發(fā)出讀時(shí)隙，DS18B20將在溫度轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)發(fā)送0，在轉(zhuǎn)換完成時(shí)發(fā)送1。在寄生電源模式下，由于在轉(zhuǎn)換期間需通過(guò)強(qiáng)上拉將總線拉高，因此不能使用該通知技術(shù)。WriteScratchpad[4Eh]該命令允許主機(jī)將3個(gè)字節(jié)（暫存器的字節(jié)2-4）的數(shù)據(jù)寫(xiě)入DS18B20的暫存器。數(shù)據(jù)必須首先傳輸最低有效位，且必須在主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖前寫(xiě)入所有三個(gè)字節(jié)，否則數(shù)據(jù)可能已損壞。ReadScratchpad[BEh]此命令允許主機(jī)讀取暫存器的內(nèi)容。數(shù)據(jù)傳輸從字節(jié)0的最小有效位開(kāi)始，并繼續(xù)通過(guò)暫存器，直到讀取第9個(gè)字節(jié)（字節(jié)8-CRC）。如果僅需要部分暫存器數(shù)據(jù)，則主設(shè)備可以在任何時(shí)間發(fā)出重置以終止讀取。CopyScratchpad[48h]該命令將暫存器TH，TL和配置寄存器（字節(jié)2,3和4）的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM。RecallE2[B8h]該命令從EEPROM中調(diào)用報(bào)警觸發(fā)值（TH和TL）和配置數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分別放在暫存器中的字節(jié)2,3和4中。上電操作在上電時(shí)自動(dòng)進(jìn)行，因此一旦為設(shè)備通電，就會(huì)在暫存器中提供有效數(shù)據(jù)。ReadPowerSupply[B4h]確定總線上的DS18B20的供電模式。接外部電源時(shí)DS18B20發(fā)送1，寄生電源模式發(fā)0。表4DS18B20功能命令類型及其功能7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程讀時(shí)隙所有讀取時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間必須至少為60μs，插槽之間的恢復(fù)時(shí)間至少為1μs；主機(jī)啟動(dòng)一個(gè)讀時(shí)隙，將單總線拉低至少1μs，然后再釋放總線；在啟動(dòng)讀時(shí)隙的下降沿之后，DS18B20的輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)間位15μs。因此，主機(jī)必須釋放總線，然后在從插槽開(kāi)始的15μs內(nèi)采樣總線狀態(tài)。寫(xiě)時(shí)隙所有寫(xiě)時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間必須至少為60μs，最長(zhǎng)不超過(guò)120μs，且兩個(gè)寫(xiě)時(shí)隙之間的恢復(fù)時(shí)間至少為1μs；寫(xiě)入”0“和”1“均由拉低單總線開(kāi)始啟動(dòng)；在主機(jī)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)隙后，DS18B20在一個(gè)持續(xù)15μs至60μs的窗口期間對(duì)單總線進(jìn)行采樣。如果在采樣窗口期間總線為高電平，則會(huì)向DS18B20寫(xiě)入”1“。如果該線為低電平，則寫(xiě)入”0“。7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程圖10DS1B20讀寫(xiě)時(shí)序圖7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程寫(xiě)DS18B20的程序：WRITE_1820:MOVR2,#8CLRCWR1:CLRDQMOVR3,#6DJNZR3,$RRCAMOVDQ,CMOVR3,#23DJNZR3,$SETBDQNOPDJNZR2,WR1SETBDQRETREAD_18200:MOVR4,#2;將溫度高位和低位從DS18B20中讀出MOVR1,#36;低位存入36H(TEMPER_L),高位存入35H(TEMPER_H)RE00:MOVR2,#8RE01:CLRCSETBDQNOPNOPCLRDQNOPNOP

NOPSETBDQMOVR3,#7DJNZR3,$MOVC,DQMOVR3,#23DJNZR3,$RRCADJNZR2,RE01MOV@R1,ADECR1DJNZR4,RE00RET讀DS18B20的程序（從DS18B20中讀出兩個(gè)字節(jié)）：7.1集成溫度傳感器DS18B207.1.2基于單片機(jī)的軟件編程溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值的程序流程圖11單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程圖7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.1

結(jié)構(gòu)和工作原理MLX90807/MLX90808壓力傳感器的特點(diǎn)：?

緊湊的單片（單模）解決方案?

總體誤差范圍小于1％?

可通過(guò)連接器進(jìn)行編程?

偏置和靈敏度可調(diào)?

片上信號(hào)調(diào)理（單芯片方案）?

輸出與施加的壓力成正比?

可診斷電源線斷裂和傳感器損壞?

輸出保護(hù)可防止電池兩端短路7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.1

結(jié)構(gòu)和工作原理MLX9080x由一個(gè)與數(shù)字核心和片上溫度傳感器相互作用的模擬信號(hào)鏈組成。它的輸出與施加的壓力成比例。圖12MLX9080x原理圖7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.1

結(jié)構(gòu)和工作原理封裝信息表5引腳定義和描述封裝引腳編號(hào)引腳名稱功能11Vdd外接電源13OUT輸出引腳14Vss接地引腳，2個(gè)可用，但只能連接一個(gè)接地引腳圖13MLX9080x封裝引腳圖7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.1

結(jié)構(gòu)和工作原理MLX90807/90808壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：1）汽車應(yīng)用：發(fā)動(dòng)機(jī)管理：MAP/TMAP，氣壓計(jì)；燃油管理：燃油蒸汽，燃油分配，CNG/LPG；制動(dòng)系統(tǒng)：制動(dòng)助力器；油壓：發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱；過(guò)濾器控制；

暖通空調(diào)系統(tǒng)。2）家電應(yīng)用：洗衣機(jī)，洗碗機(jī)，鍋爐；家用HVAC系統(tǒng)。3）醫(yī)療應(yīng)用：呼吸器，血壓監(jiān)測(cè)。7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.1

結(jié)構(gòu)和工作原理參數(shù)符號(hào)最小值最大值單位電源電壓（過(guò)壓）VDD-1416V電源電壓（工作電壓）VDD4.55.5V電源電流，當(dāng)VDD=16V時(shí)的IDDIDD25mA輸出電壓Vout-0.516V輸出電流，單輸出短接到0V…16VIDD100mA反向電源電流限制IDD160mA編程溫度范圍（快速移動(dòng)單元）TP-20100℃工作溫度范圍TA-40140℃存儲(chǔ)溫度范圍TB-50150℃靜電放電敏感性-22kV表6絕對(duì)最大額定值注意：超過(guò)絕對(duì)最大額定值可能會(huì)造成永久性損壞；長(zhǎng)時(shí)間暴露在絕對(duì)最大額定條件下可能會(huì)影響器件的可靠性。7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.1

結(jié)構(gòu)和工作原理獨(dú)特的功能：（1）極限診斷（2）輸出保護(hù)（3）存儲(chǔ)器鎖定功能（4）鉗位電平7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.2MLX90807的編程與校準(zhǔn)MLX90807臨時(shí)存儲(chǔ)器的編程:編程通過(guò)足夠高的強(qiáng)制供電（VCC_T）來(lái)啟用，通過(guò)OUT引腳輸入數(shù)據(jù);在編程結(jié)束時(shí)，OUT保持高電平，直到VCC達(dá)到其正常電平（VCC_N），此后再斷開(kāi)OUT圖14MLX90807的編程時(shí)序圖7.2集成壓力傳感器MLX9080x7.2.2MLX90807的編程與校準(zhǔn)MLX90807的快速存儲(chǔ)單元：90807的永久存儲(chǔ)器是由快速存儲(chǔ)單元組成的。一般情況下應(yīng)使用正常模式（TC[5：0]=00h）并將1位編程為臨時(shí)存儲(chǔ)器中的“1”。之后需要增加電源電壓（VCC_Z）以便能夠消除該位。當(dāng)OUT變高（OUT_Z）時(shí)，切換開(kāi)始。圖15MLX90807切換時(shí)序圖7.3集成光電開(kāi)關(guān)ULN33307.3.1

主要結(jié)構(gòu)和工作原理組成部分：光敏二極管、低電平放大器、電平探測(cè)器、輸出功率驅(qū)動(dòng)器和穩(wěn)壓電路圖16

ULN-3330結(jié)構(gòu)圖7.3集成光電開(kāi)關(guān)ULN33307.3.1

主要結(jié)構(gòu)和工作原理3種封裝形式，圖從左至右依次為：

ULN-3330D采用TD-52帶玻璃窗的圓形金屬封裝，主要用于方向性強(qiáng)的光探測(cè)ULN-3330T采用厚度僅2.0mm的平透明塑料封裝ULN-3330Y采用半橢球透明塑料封裝圖17

ULN-3330三種封裝形式7.3集成光電開(kāi)關(guān)ULN33307.3.1

主要結(jié)構(gòu)和工作原理參數(shù)名稱符號(hào)單位條件規(guī)范值最小值典型值最大值電源電壓