1、0101绪论绪论目目录录0202传感器的理论及技术基础传感器的理论及技术基础 0303物理量传感器物理量传感器0404化学传感器化学传感器0505生物传感器生物传感器0606微机电（微机电（MEMS）传感器传感器0707集成传感器集成传感器0808传感器在物联网中的应用传感器在物联网中的应用第七章集成传感器7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理主要组成部分：温度传感器、64位ROM、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器图1 DS18B20结构图7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理引脚配置图2 DS18B20引脚配置1.GND：接地接口
2、2.DQ：数字信号输入/输出端3.VDD：外接电源输入端（当为寄生电源供电方式时该引脚必须接地）7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理供电方式：2种图3 寄生电源供电图4 外部电源供电注意：当DS18B20处于寄生电源模式时，VDD引脚必须接地7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理64位ROM 每个DS18B20都包含一个存储在ROM中的唯一的64位编码：最低8位：DS18B20的1-Wire系列代码28h接下来的48位：每个DS18B20唯一的序列号最高8位：循环冗余校验（CRC）码每个DS18B20的ROM数据都是唯一的，因此可以通过单总线对
3、多个DS18B20进行寻址。图5 ROM7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理存储器组成：SRAM高速暂存器、非易失性可电擦除的EEPROM存储器图6 存储器结构图7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理图7 配置寄存器配置寄存器暂存器的字节4包含配置寄存器，该寄存器中的R0和R1位可以控制DS18B20的转换分辨率。表1 配置寄存器与分辨率关系表R1R0分辨率（bits）最大转换时间00993.75ms（tCONV/8）0110187.5ms（tCONV/4）1011375ms（tCONV/2）1112750ms（tCONV）7.1 集成温度传感
4、器DS18B207.1.1 结构和工作原理图8 单线CRC码CRC生成器 CRC（ROM或暂存器）的等效多项式函数是：CRC=X8+X5+X4+17.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理 DS18B20的核心是可以直接将温度转换为数字的温度传感器。其分辨率可设置为9、10、11和12位(默认)，分别对应于0.5、0.25、0.125和0.0625的精度。温度数据以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在温度寄存器中的第1、2字节。符号位（S）表示温度的正负：S=0表示为正数，直接将二进制位转换为十进制；S=1表示为负数，需先将补码变换为原码，再转换为十进制值。工作原理-测温
5、操作7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理表2 温度数字输出数据 工作原理-测温操作温度（）数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+1250000 0111 1101 000007D0h+85*0000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1
6、110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FE6Fh-551111 1100 1001 0000FC90h7.1 集成温度传感器DS18B207.1.1 结构和工作原理工作原理-报警操作 如果测量温度不在TL-TH范围内，则触发报警标志。每进行一次温度测量就会更新该标志，因此，如果报警条件消失，则报警标志在下一次温度转换后将会被关闭。主机可以通过发出报警搜索ECh命令来检查总线上所有DS18B20的报警标志状态。7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程访问顺序初始化ROM操作命令（后跟所需的数据交换）DS18B20功能命令（后跟所需的数据
7、交换）数据处理 注意：每次访问DS18B20时都必须遵循此顺序但是，当DS18B20发出Search ROM F0h和Alarm Search ECh命令后，主机必须返回序列中的步骤。7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程初始化图9 DS1B20初始化时序图（1）总线主机将单总线拉低至少480s来传输（TX）复位脉冲（2）总线主机释放总线并进入接收模式（RX）（3）释放总线，单总线拉高至高电平（4）检测到上升沿，等待15s至60s（5）将单总线拉低60s至240s来发送应答脉冲7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程ROM操作命令在总线
8、主控器检测到存在脉冲之后，它可以发出ROM命令命令类型命令字节功能说明Search ROMF0h当系统初始上电时，主机可通过排除过程识别总线上所有从机的ROM代码从而确定从机的数量及其设备类型。Read ROM33h该命令只能在总线上有一个DS18B20时使用，否则将发生数据冲突。允许总线主机在不使用Search ROM程序的情况下读取从机的64位ROM代码。Match ROM55h该命令后跟64位ROM代码，并寻找与之匹配的DS18B20来响应主机发出的功能命令;总线上的所有其他从站将等待复位脉冲。Skip ROMCCh主机可以使用此命令同时寻址总线上的所有设备，而不发送任何ROM代码信息。
9、Alarm ROMECh只有设置了警报标志的DS18B20才会响应该命令。表3 ROM命令类型及其功能7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程DS18B20功能命令：可以对其里面的存器进行写入和读取，启动温度转换并确定电源模式。命令类型命令字节功能说明Convert T44h该命令启动单个温度转换。若DS18B20由外部电源供电，则主机可以在转换T命令后发出读时隙，DS18B20将在温度转换正在进行时发送0，在转换完成时发送1。在寄生电源模式下，由于在转换期间需通过强上拉将总线拉高，因此不能使用该通知技术。Write Scratchpad4Eh该命令允许主机将3个字
10、节（暂存器的字节2-4）的数据写入DS18B20的暂存器。数据必须首先传输最低有效位，且必须在主机发出复位脉冲前写入所有三个字节，否则数据可能已损坏。Read ScratchpadBEh此命令允许主机读取暂存器的内容。数据传输从字节0的最小有效位开始，并继续通过暂存器，直到读取第9个字节（字节8-CRC）。如果仅需要部分暂存器数据，则主设备可以在任何时间发出重置以终止读取。Copy Scratchpad48h该命令将暂存器TH，TL和配置寄存器（字节2,3和4）的内容复制到EEPROM。Recall E2B8h该命令从EEPROM中调用报警触发值（TH和TL）和配置数据，并将数据分别放在暂存器
11、中的字节2,3和4中。上电操作在上电时自动进行，因此一旦为设备通电，就会在暂存器中提供有效数据。Read Power SupplyB4h确定总线上的DS18B20的供电模式。接外部电源时DS18B20发送1，寄生电源模式发0。表4 DS18B20功能命令类型及其功能7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程读时隙所有读取时隙的持续时间必须至少为60s，插槽之间的恢复时间至少为1s；主机启动一个读时隙，将单总线拉低至少1s，然后再释放总线；在启动读时隙的下降沿之后，DS18B20的输出数据有效时间位15s。因此，主机必须释放总线，然后在从插槽开始的15s内采样总线状态。
12、写时隙所有写时隙的持续时间必须至少为60s，最长不超过120s，且两个写时隙之间的恢复时间至少为1s；写入”0“和”1“均由拉低单总线开始启动；在主机启动写时隙后，DS18B20在一个持续15s至60s的窗口期间对单总线进行采样。如果在采样窗口期间总线为高电平，则会向DS18B20写入”1“。如果该线为低电平，则写入”0“。7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程图10 DS1B20读写时序图7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程写DS18B20的程序：WRITE_1820:MOV R2,#8 CLR CWR1:CLR DQ MOV R
13、3,#6 DJNZ R3,$RRC A MOV DQ,C MOV R3,#23 DJNZ R3,$SETB DQ NOP DJNZ R2,WR1 SETB DQRETREAD_18200:MOV R4,#2;将温度高位和低位从DS18B20中读出 MOV R1,#36;低位存入36H(TEMPER_L),高位存入35H(TEMPER_H)RE00:MOV R2,#8RE01:CLR C SETB DQ NOP NOP CLR DQ NOP NOP NOP SETB DQ MOV R3,#7 DJNZ R3,$MOV C,DQ MOV R3,#23 DJNZ R3,$RRC A DJNZ R2,
14、RE01 MOV R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET读DS18B20的程序（从DS18B20中读出两个字节）：7.1 集成温度传感器DS18B207.1.2 基于单片机的软件编程温度转换读取温度数值的程序流程图11 单片机实现温度转换读取温度数值程序流程图7.2 集成压力传感器MLX9080 x7.2.1 结构和工作原理MLX90807/MLX90808压力传感器的特点：紧凑的单片（单模）解决方案 总体误差范围小于1 可通过连接器进行编程 偏置和灵敏度可调 片上信号调理（单芯片方案）输出与施加的压力成正比 可诊断电源线断裂和传感器损坏 输出保护可防止电池两端短路7.2 集
15、成压力传感器MLX9080 x7.2.1 结构和工作原理MLX9080 x由一个与数字核心和片上温度传感器相互作用的模拟信号链组成。它的输出与施加的压力成比例。图12 MLX9080 x原理图7.2 集成压力传感器MLX9080 x7.2.1 结构和工作原理封装信息表5 引脚定义和描述封装引脚编号引脚名称功能11Vdd外接电源13OUT输出引脚14Vss接地引脚，2个可用，但只能连接一个接地引脚图13 MLX9080 x封装引脚图7.2 集成压力传感器MLX9080 x7.2.1 结构和工作原理MLX90807/90808压力传感器的应用领域：1）汽车应用：发动机管理：MAP/TMAP，气压计
16、；燃油管理：燃油蒸汽，燃油分配，CNG/LPG；制动系统：制动助力器；油压：发动机，变速箱；过滤器控制；暖通空调系统。2）家电应用：洗衣机，洗碗机，锅炉；家用HVAC系统。3）医疗应用：呼吸器，血压监测。7.2 集成压力传感器MLX9080 x7.2.1 结构和工作原理参数符号最小值最大值单位电源电压（过压）VDD-1416V电源电压（工作电压）VDD4.55.5V电源电流，当VDD=16V时的IDDIDD25mA输出电压Vout-0.516V输出电流，单输出短接到0V16VIDD100mA反向电源电流限制IDD160mA编程温度范围（快速移动单元）TP-20100工作温度范围TA-40140
17、存储温度范围TB-50150静电放电敏感性-22kV表6 绝对最大额定值注意：超过绝对最大额定值可能会造成永久性损坏；长时间暴露在绝对最大额定条件下可能会影响器件的可靠性。7.2 集成压力传感器MLX9080 x7.2.1 结构和工作原理独特的功能：（1）极限诊断（2）输出保护（3）存储器锁定功能（4）钳位电平7.2 集成压力传感器MLX9080 x7.2.2 MLX90807的编程与校准MLX90807临时存储器的编程:编程通过足够高的强制供电（VCC_T）来启用，通过OUT引脚输入数据;在编程结束时，OUT保持高电平，直到VCC达到其正常电平（VCC_N），此后再断开OUT图14 MLX9
18、0807的编程时序图7.2 集成压力传感器MLX9080 x7.2.2 MLX90807的编程与校准MLX90807的快速存储单元：90807的永久存储器是由快速存储单元组成的。一般情况下应使用正常模式（TC 5：0=00h）并将1位编程为临时存储器中的“1”。之后需要增加电源电压（VCC_Z）以便能够消除该位。当OUT变高（OUT_Z）时，切换开始。图15 MLX90807切换时序图7.3 集成光电开关ULN33307.3.1 主要结构和工作原理组成部分：光敏二极管、低电平放大器、电平探测器、输出功率驱动器和稳压电路图16 ULN-3330结构图7.3 集成光电开关ULN33307.3.1
19、主要结构和工作原理3种封装形式，图从左至右依次为：ULN-3330D采用TD-52带玻璃窗的圆形金属封装，主要用于方向性强的光探测ULN-3330T采用厚度仅2.0mm的平透明塑料封装ULN-3330Y采用半椭球透明塑料封装图17 ULN-3330三种封装形式7.3 集成光电开关ULN33307.3.1 主要结构和工作原理参数名称符号单位条件规范值最小值典型值最大值电源电压VCCV-4.06.015电源电流ICCmA-4.08.0输出电流IOUT1mA 50光临界阈值EONlx输出接通（ON）455361EOFFlx输出关断（OFF）63 ON态输出电压VOUTmV IOUT=15mA 300
20、500IOUT=25mA 500800OFF态输出电流IOUT2微安VOUT=15V 1.0输出下降时间tfns90%10%200500输出上升时间trns10%90%200500工作温度范围TA-40+70储存温度 TSULN3330D-55+150ULN3330T-55+110ULN3330Y-55+110表7 ULN3330的主要特性参数表7.3 集成光电开关ULN33307.3.2 ULN3330的应用该器件最大输出电流可达50mA，因此可直接与各种负载连接：1、接驱动灵敏继电器，如各种小型密封继电器、干簧继电器等；2、直接驱动白炽灯泡；3、直接驱动发光二极管（LED），但需根据使用要求再串联一只限流电阻；4、直接驱动微型直流马达；5、可与TTL电路直接相连；6、可与CMOS电路直接相连。.图18 ULN-3330驱动LED 课后习题1、什么是集成传感器？它的特点是什么？2、请编写DS18B20读写数据的汇编语言程序并注释语言功能。3、举例说明ULN-3330 的实际应用。
