CN113514168B - 多路温度传感器测试装置 - Google Patents

Abstract

多路温度传感器测试装置，涉及温度传感器测试技术领域，具体而言，涉及两种温度传感器测试装置及方法。多路温度传感器测试装置包括老化电路板、测试主板、交流转直流电源适配器、数字温度传感器DS18B20；其中：测试主板内部有DC/DC电源模块、线性稳压块、电压基准源、模拟信号端口、数字信号端口、液晶显示屏、具有A/D转换单元的单片机、操控按键组；模拟温度传感器LM235安装在老化电路板上；设置若干测试组通过测试端口与模拟信号端口连接；数字温度传感器DS18B20通过测试主板的一个数字信号端口与单片机连接。本发明的装置可以同时测试两种温度传感器，测试误差小，而且测试效率高。

Description

多路温度传感器测试装置

技术领域

本发明涉及温度传感器测试技术领域，具体而言，涉及两种温度传感器测试装置及方法。

背景技术

在调焦变倍机构中，需要使用温度传感器测试调焦变倍机构的温度，并依据此温度控制调焦变倍机构的镜头进行温度补偿，从而达到图像清晰的效果。常用温度传感器有模拟温度传感器LM235和数字温度传感器DS18B20，两种传感器都需要对其进行测试以满足生产实践需要。

LM235是精密的集成电路温度传感器，易于校准。作为双端齐纳二极管，LM235初始精度1℃，它的击穿电压与10mV/°K时绝对温度成正比。该器件的动态电阻小于1Ω，工作电流范围为400uA至5mA，性能变化很小。在环境温度25℃下校准时，LM235在100℃温度范围内的误差小于1℃。与其他传感器不同，LM235具有线性输出。LM235的工作温度范围为-40℃至125℃，具有TO92封装和SO8封装。TO92封装，如图1所示。

标定方法是使用恒流源进行供电，恒流源设置到1mA电流，经过一个2k电阻后接到模拟温度传感器LM235上，再测试模拟温度传感器LM235在25℃时输出电压是否标准。单个模拟温度传感器LM235测试工装电路图如图2所示。使用线性稳压器产生5V电压，通过一个2k电阻限流后加到模拟温度传感器LM235上。

数字温度传感器 DS18B20的TO-92封装如图3所示，它采用独特的单口接线方式传输，在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯，不需要外围器件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，外加电源范围是 3.0-5.5V。单个数字温度传感器DS18B20测试电路如图4，芯片信号端经过一个4.7k欧姆上拉电阻连接到电源正端，芯片信号端与单片机I/O口直接连接。测温范围从-55℃到+125℃，在-10℃～+85℃固有分辨率为0.5℃，测量结果以 9 位到 12 位数字量方式直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。单片机读写DS18B20的ROM操作时序如图5a、图5b、图5c、图5d所示。

现有的模拟温度传感器LM235的测试方法如图6所示，把单个模拟温度传感器LM235测试工装电路板2放到高低温箱3中，直流电源1通过电缆给模拟温度传感器LM235测试工装电路板2供电。高低温箱设置在不同的温度，测试者使用万用表4测试模拟温度传感器LM235测试工装电路板输出电压，测试完成再把测试得到的电压值通过计算得到对应的温度值，与高低温箱的温度进行比较,记录其差值，并与标准的模拟温度传感器LM235的误差值进行比较，从而判断是否合格。

现有的模拟温度传感器LM235测试装置存在以下缺陷：

1、测量误差大。测量误差大是因为测试环境不标准，合格的模拟温度传感器LM235在25℃电压处于2.98V，这时模拟温度传感器LM235工作电流是1mA。很多设计使用线性稳压块7805产生5V电压，因为7805是直插封装，方便使用面包板焊接。由于稳压块7805实际输出电压在4.8V至5.2V，实际电压与标准5V误差较大，导致测试环境不标准。在测试经过标定合格的多个模拟温度传感器LM235时，实测温度值与高低温箱显示的温度比较，两者在温度25℃时差值最大时达到2℃，减去此器件在温度25℃进行标定时得到的精度误差，测试误差仍有±1℃。

2、测量效率低。现有的测试装置使用万用表进行单个测试，一次只能测试一个模拟温度传感器LM235，而且每次测试得到的模拟电压还需要通过计算才能得到对应的温度值，计算量大。由于每次测试从低温到高温需要测试多个温度点，每个温度点高低温箱需要保温1小时，导致需要两天时间才能测试一个，测试周期长，使模拟温度传感器LM235的检测只能“抽检”，不能“全检”。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种新型的基于单片机的多路温度传感器测试装置，利用单片机内部的A/D转换单元测试模拟温度传感器LM235的温度，可以实现对封装TO92的模拟温度传感器LM235的批量测试，同时可以测试封装TO92的数字温度传感器DS18B20。不仅操作方便,而且测量误差小，测试效率高。

多路温度传感器测试装置，其特征在于该装置包括老化电路板、测试主板、交流转直流电源适配器、数字温度传感器DS18B20；其中：

测试主板内部有DC/DC电源模块、线性稳压块、电压基准源、模拟信号端口、数字信号端口、液晶显示屏、具有A/D转换单元的单片机、操控按键组；

模拟温度传感器LM235安装在老化电路板上；设置若干测试组通过测试端口与模拟信号端口连接；

数字温度传感器DS18B20通过测试主板的一个数字信号端口与单片机连接；

所述交流转直流电源适配器实现220V交流电压转24V直流电压，通过DC/DC电源模块实现24V转12V直流电压，通过线性稳压块实现12V转5V直流电压供给测试主板的其他模块使用；通过电压基准源得到高精度5V直流电压供给老化电路板使用，模拟信号端口用于提供高精度5V直流电压给老化电路板使用，同时接收老化电路板的模拟电压信号；

所述单片机接收模拟信号端口的模拟信号并进行A/D转换，每个通道A/D转换的结果采用中位值平均滤波算法对采样数据进行处理，得到的数据与0℃的值进行比较，最后将得到的数值转换成温度后通过液晶显示屏显示；

所述数字信号端口用于连接数字温度传感器DS18B20，DS18B20的信号端与单片机一个普通数字I/O端口连接；使用单片机依据DS18B20工作时序控制DS18B20内部A/D进行温度转换，转换完成后再以串行传送给单片机，单片机对接收数据进行编组取值，最后把取值转化成温度通过液晶显示屏显示；

所述中位值平均滤波算法具体是：定义采样次数为N，让N个采样数据互相比较后，从小到大排列，定义第2个至第N-1个数的和是sum，定义滤波结果为filter，则计算公式为：filter=sum/(N-2)；

所述模拟温度传感器LM235数值转换成温度的计算过程是：

测试主板单片机电源定义为Vdd，老化电路板模拟温度传感器LM235输出电压定义为Vout；

标准的模拟温度传感器LM235在25℃电压处于2.98V，每上升1℃电压上升10mV，如果待测温度传感器线性良好，则模拟温度传感器LM235在0℃的电压应该是2.73V；

单片机采用STC12C5A60S2，内部A/D是10位，模数转换值为1024*Vout/Vdd，采用中位值平均滤波算法对采样数据进行处理，得到的数定义为NUMad，模拟温度传感器LM235在0℃电压处于Vzero，模拟温度传感器LM235在0℃电压的模数转换值NUMzero=1024*Vzero/Vdd；

模拟温度传感器LM235实测温度定义为Tlm；

如果模拟温度传感器LM235温度≥0℃，即NUMad≥NUMzero；

则Tlm＝(NUMad-NUMzero)*(Vdd/1024)*100；

如果模拟温度传感器LM235温度小于0℃，即NUMad＜NUMzero；

则Tlm＝-(NUMzero-NUMad)*(Vdd/1024)*100；

所述数字温度传感器DS18B20编组取值方式是：

单片机对接收数据进行编组，连续3个数据为一组，如果采样数据第一个数据为85℃，舍弃第一个数据，后面两个数据取平均值，如果采样数据第一个数据不是85℃，去掉最大和最小的两个数据，采纳中间的那个值作为当前温度；

所述数字温度传感器DS18B20数值转换成温度的计算过程是：

单片机依据DS18B20工作时序控制DS18B20内部A/D进行温度转换；A/D转换选择12位模式，最小分辨率为0.0625℃；16位二进制数前5位是符号位，全为0则为正数，全为1则为负数；则数据2048为判断正负的分界线，负数进行温度转换需要取反加一；

数字温度传感器DS18B20采样数据定义为NUMds；

数字温度传感器DS18B20实测温度定义为Tds；

如果数字温度传感器DS18B20温度≥0℃，即NUMds＜2048；

则Tds＝NUMds *0.0625；

如果数字温度传感器温度小于0℃，即NUMds>2048；

则Tds＝-(~NUMds+1) * 0.0625。

本发明能够有效地消除非标准电源对模拟温度传感器LM235的影响，从而较好地解决了模拟温度传感器LM235检测时温度测不准的问题，能较准确地测出模拟温度传感器LM235所处环境的实际温度值。

本发明可以同时测试多路模拟温度传感器LM235(封装TO92)，还可以测试数字温度传感器DS18B20(封装TO92)，由于同时测试两种温度传感器，一种数字和一种模拟，测试结果可以互相验证，可以快速确定问题元器件，从而提高了测试效率。尤其在室外没有高低温箱这种大型设备作为温度参考时，通过此发明同时对两种温度传感器进行测试，通过对两种数据进行比较，也可以快速定位问题元器件，从而排查设备故障。

附图说明

图1a为模拟温度传感器LM235封装图。

图1b为模拟温度传感器LM235使用电路图。

图2为单个模拟温度传感器LM235测试工装电路图。

图3为数字温度传感器DS18B20的TO92封装图

图4为单个数字温度传感器DS18B20测试电路图。

图5 为数字温度传感器DS18B20操作时序图；其中：

图5a为主CPU写0时序图；

图5b为主CPU写1时序图；

图5c为主CPU读0时序图；

图5d为主CPU读1时序图。

图6为单个模拟温度传感器LM235测试电路示意图。

图7为一组模拟温度传感器LM235测试电路图。

图8为本发明温度传感器测试装置的功能框图。

图9为温度传感器测试主板配外壳外形图。

图10为模拟温度传感器LM235老化电路板正面图。

具体实施方式

实施例1：多路温度传感器测试装置，包括老化电路板7、测试主板6、交流转直流电源适配器5、数字温度传感器(DS18B20)8；其中：

测试主板6内部有DC/DC电源模块9、线性稳压块10、电压基准源11、模拟信号端口12、数字信号端口13、液晶显示屏14、单片机15、操控按键组16；

模拟温度传感器LM235安装在老化电路板上，每8个一组，一组共用一个输出端口，共有5组，分别是A测试组17和A测试端口18，B测试组19和B测试端口20，C测试组21和C测试端口22，D测试组23和D测试端口24，E测试组25和E测试端口26。

数字温度传感器DS18B20通过测试主板的一个数字信号端口与单片机连接，可以测试一路DS18B20。

所述老化电路板7正面图如图10所示，老化电路板7可以同时测试40个模拟温度传感器LM235,每8个一组，每组一个测试端口，测试端口有10个管脚，其中两个用于输入电压基准源11产生的高精度5V直流电压，另外8个管脚上的电压值就是8路模拟温度传感器LM235的输出电压。

使用时，老化电路板7放在高低温箱3内，A、B、C、D、E共5个测试端口通过5根测试电缆接到高低温箱3外面，使用电缆将测试主板6的模拟信号端口12与老化电路板7的A、B、C、D、E共5个测试端口依次连接，分别进行测试。每次设置温度后，到达设置温度后保温1小时后进行测试，确保温度传感器周围温度与高低温箱3的显示屏上的温度一致。

液晶显示屏14使用带中文字库的液晶显示屏LCD12864，带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

单片机15使用STC12C5A60S2单片机，内部有10位A/D转换单元，模拟电压接到单片机15的8个模拟信号输入I/O端口，通过八选一开关选择其中一路进行A/D转换，参考电压就是单片机15的电源电压，采用中位值平均滤波算法对采样数据进行处理。

电压基准源11采用电压基准源芯片REF195，输出电压5V，初始最大误差±2mV，最大负载电流30mA，具有短路保护功能。

线性稳压块10采用稳压芯片LM1117-5.0，输出电压4.9V-5.0V，最大负载电流800mA，使用高精度电压表测试这个电压值，作为参考电压，用于计算单片机13的模拟电压输入端的实际输入电压值。

整个温度传感器测试装置的工作流程为：交流转直流电源适配器5实现220V交流电压转24V直流电压，通过DC/DC电源模块9实现24V转12V直流电压，通过线性稳压块10实现12V转5V直流电压供给测试主板的其他模块使用。通过电压基准源11得到高精度5V直流电压供给老化电路板7使用，模拟信号端口12用于提供高精度5V直流电压给老化电路板7使用，同时接收老化电路板7的模拟电压信号。单片机15接收模拟信号端口12的模拟信号并进行A/D转换，每个通道A/D转换的结果采用中位值平均滤波算法对采样数据进行处理，得到的数据与0℃的值进行比较，最后将得到的数值转换成温度后通过液晶显示屏14显示出来，从而得到模拟温度传感器LM235所处环境温度。数字信号端口13用于连接数字温度传感器DS18B20，DS18B20的信号端与单片机15一个普通数字I/O端口连接。操控按键组16用于系统电源复位、通道复位、通道增加和通道减小操作。

中位值平均滤波算法具体计算方法是：定义采样次数为N，让N个采样数据互相比较后，从小到大排列，定义第2个至第N-1个数的和是sum，定义滤波结果为filter，则计算公式为：filter=sum/(N-2)。即，假如采样12次，去掉一个最大值和一个最小值，剩下10个数取平均值，这样可以降低电源噪声对测试准确度的影响。

模拟温度传感器LM235的数值转换成温度的具体过程是：

测试主板6上单片机电源定义为Vdd，老化电路板模拟温度传感器输出电压定义为Vout，标准的模拟温度传感器LM235在25℃电压处于2.98V，每上升1℃电压上升10mV，如果待测模拟温度传感器线性良好，则模拟温度传感器LM235在0℃的电压应该是2.73V。单片机15模数转换值为1024*Vout/Vdd，采用中位值平均滤波算法对采样数据进行处理，得到的数定义为NUMad，模拟温度传感器LM235在0℃电压处于Vzero，模拟温度传感器LM235在0℃电压的模数转换值NUMzero=1024*Vzero/Vdd。为了计算方便，在数据计算过程中采用无符号数进行计算，则：

模拟温度传感器LM235实测温度定义为Tlm；

如果模拟温度传感器LM235温度≥0℃，即NUMad≥NUMzero；

则Tlm＝(NUMad-NUMzero)*(Vdd/1024)*100；

如果模拟温度传感器LM235温度小于0℃，即NUMad＜NUMzero；

则Tlm＝-(NUMzero-NUMad)*(Vdd/1024)*100。

在测试模拟温度传感器LM235时，使用10个温度点进行测试，分别是-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、15℃、25℃、35℃、45℃和55℃。测试完成后把每一路模拟温度传感器LM235的各个测试点的测试数据统计下来，最后把测试数据与标准的模拟温度传感器LM235的数据进行比较，以判断器件是否合格。

在测试经过标定合格的多个模拟温度传感器LM235时，实测温度值与高低温箱3显示的温度比较，两者在25℃时差值最大时达到1.5℃，减去此器件在25℃进行标定时得到的精度误差，测试误差为±0.5℃。

数字温度传感器DS18B20的数值转换成温度的具体过程是：

数字温度传感器DS18B20放在高低温箱内，数字温度传感器DS18B20的信号端与单片机15一个普通数字I/O端口连接。使用单片机依据DS18B20工作时序控制DS18B20内部A/D进行温度转换，转换完成后再以"一线总线"串行传送给单片机，单片机对接收数据进行编组，连续3个数据为一组，由于DS18B20初始化后ROM内部的数据为85℃，如果采样数据第一个数据为85℃，舍弃第一个数据，后面两个数据取平均值，如果采样数据第一个数据不是85℃，去掉最大和最小的两个数据，采纳中间的那个值作为当前温度，最后把测试的温度通过液晶显示屏进行中文显示。A/D转换选择12位模式，最小分辨率为0.0625℃。16位二进制数前5位是符号位，全为0则为正数，全为1则为负数。为了计算方便，在数据计算过程中采用无符号数进行计算，则数据2048为判断正负的分界线，负数进行温度转换需要取反加一，具体是：

数字温度传感器DS18B20采样数据定义为NUMds；

数字温度传感器DS18B20实测温度定义为Tds；

如果数字温度传感器DS18B20温度≥0℃，即NUMds＜2048；

则Tds＝NUMds *0.0625；

如果数字温度传感器温度小于0℃，即NUMds>2048;

则Tds＝-(~NUMds+1) * 0.0625。

在测试经过专业部门检测合格的多个数字温度传感器DS18B20时，实测温度值与高低温箱3显示的温度比较，两者在-10℃至55℃时差值最大时达到0.5℃，两者在-40℃至-15℃时差值最大时达到2℃，验证了此器件在-10℃～+85℃固有分辨率为0.5℃，而低于-10℃则温度测试误差较大。

测试主板6外形图如图9，操控按键组16位于测试主板左上角，用于实现系统电源复位、通道复位、通道增加和通道减小操作。其中按键S1用于电源复位，按键S2用于通道复位，按键S3用于通道增加，按键S4用于通道减小。实际按键操作方法：当需要系统复位时，按一下按键S1；当需要测试DS18B20时，按一下按键S2，液晶显示屏14第一行显示“传感器DS18B20”，第二行显示“测试通道号0”，第三行显示DS18B20实际测试温度；当需要测试LM235时，按一下按键S3实现通道增加，按一下按键S4实现通道减小，可以在8个模拟温度传感器LM235测试通道内循环查询，液晶显示屏14第一行显示“传感器LM235”，第二行显示当前测试通道，通道号从1至8，第三行显示LM235实际测试温度。

本发明可以同时测试多路模拟温度传感器LM235(封装TO92)，还可以测试数字温度传感器DS18B20(封装TO92)，由于同时测试两种温度传感器，一种数字和一种模拟，测试结果可以互相验证，可以快速确定问题元器件，从而提高了测试效率。如在室温25℃左右环境下测试，如果LM235测试得到温度为25℃左右，DS18B20多次测试数据全是85℃，则可以判断DS18B20损坏，反过来如果DS18B20测试得到温度为25℃左右，某一路LM235测试得到温度为55℃左右，则可以判断某一路LM235损坏。

Claims (3)

1.多路温度传感器测试装置，其特征在于该装置包括老化电路板、测试主板、交流转直流电源适配器、数字温度传感器DS18B20；其中：

测试主板内部有DC/DC电源模块、线性稳压块、电压基准源、模拟信号端口、数字信号端口、液晶显示屏、具有A/D转换单元的单片机、操控按键组；

模拟温度传感器LM235安装在老化电路板上；设置若干测试组通过测试端口与模拟信号端口连接；

数字温度传感器DS18B20通过测试主板的一个数字信号端口与单片机连接；

所述交流转直流电源适配器实现220V交流电压转24V直流电压，通过DC/DC电源模块实现24V转12V直流电压，通过线性稳压块实现12V转5V直流电压供给测试主板的其他模块使用；通过电压基准源得到高精度5V直流电压供给老化电路板使用，模拟信号端口用于提供高精度5V直流电压给老化电路板使用，同时接收老化电路板的模拟电压信号；

所述单片机接收模拟信号端口的模拟信号并进行A/D转换，每个通道A/D转换的结果采用中位值平均滤波算法对采样数据进行处理，得到的数据与0℃的值进行比较，最后将得到的数值转换成温度后通过液晶显示屏显示；

所述数字信号端口用于连接数字温度传感器DS18B20，DS18B20的信号端与单片机一个普通数字I/O端口连接；使用单片机依据DS18B20工作时序控制DS18B20内部A/D进行温度转换，转换完成后再以串行传送给单片机，单片机对接收数据进行编组取值，最后把取值转化成温度通过液晶显示屏显示；

所述中位值平均滤波算法具体是：定义采样次数为N，让N个采样数据互相比较后，从小到大排列，定义第2个至第N-1个数的和是sum，定义滤波结果为filter，则计算公式为：filter=sum/(N-2)；

所述模拟温度传感器LM235数值转换成温度的计算过程是：

测试主板单片机电源定义为Vdd，老化电路板模拟温度传感器LM235输出电压定义为Vout；

标准的模拟温度传感器LM235在25℃电压处于2.98V，每上升1℃电压上升10mV，如果待测温度传感器线性良好，则模拟温度传感器LM235在0℃的电压应该是2.73V；

单片机采用STC12C5A60S2，内部A/D是10位，模数转换值为1024*Vout/Vdd，采用中位值平均滤波算法对采样数据进行处理，得到的数定义为NUMad，模拟温度传感器LM235在0℃电压处于Vzero，模拟温度传感器LM235在0℃电压的模数转换值NUMzero=1024*Vzero/Vdd；

模拟温度传感器LM235实测温度定义为Tlm；

如果模拟温度传感器LM235温度≥0℃，即NUMad≥NUMzero；

则Tlm＝(NUMad-NUMzero)*(Vdd/1024)*100；

如果模拟温度传感器LM235温度小于0℃，即NUMad＜NUMzero；

则Tlm＝-(NUMzero-NUMad)*(Vdd/1024)*100；

所述数字温度传感器DS18B20编组取值方式是：

单片机对接收数据进行编组，连续3个数据为一组，如果采样数据第一个数据为85℃，舍弃第一个数据，后面两个数据取平均值，如果采样数据第一个数据不是85℃，去掉最大和最小的两个数据，采纳中间的那个值作为当前温度；

所述数字温度传感器DS18B20数值转换成温度的计算过程是：

单片机依据DS18B20工作时序控制DS18B20内部A/D进行温度转换；A/D转换选择12位模式，最小分辨率为0.0625℃；16位二进制数前5位是符号位，全为0则为正数，全为1则为负数；则数据2048为判断正负的分界线，负数进行温度转换需要取反加一；

数字温度传感器DS18B20采样数据定义为NUMds；

数字温度传感器DS18B20实测温度定义为Tds；

如果数字温度传感器DS18B20温度≥0℃，即NUMds＜2048；

则Tds＝NUMds *0.0625；

如果数字温度传感器温度小于0℃，即NUMds>2048；

则Tds＝-(~NUMds+1) * 0.0625。

2.如权利要求1所述的多路温度传感器测试装置，其特征在于所述操控按键组用于系统电源复位、通道复位、通道增加和通道减小操作。

3.如权利要求1所述的多路温度传感器测试装置，其特征在于所述模拟温度传感器LM235安装在老化电路板上，每8个一组，一组共用一个输出端口，共有5组。

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