第 3 章 泡茶機裝置
3.3 溫度感測裝置
3.3.1 熱電偶溫度感測器
熱電偶的主要原理乃是依據席貝克效應產生。熱電偶一般來說是由兩種不同 的金屬所組成，當電偶的兩端有一溫度差產生時，此一熱電偶便會產生電動勢 E
（圖3.4），其大小正比於熱電偶兩端的溫度差；而影響電壓大小除了溫度差之外，
還取決於組成熱電偶的兩種金屬材料及材料的線徑，當線徑越大，使用的溫度就 越高。常見的熱電偶材料有：鐵－銅鎳合金（J 型）、銅－銅鎳合金（T 型）與鉻
－鋁（K 型）三種。
圖3.4 電動勢
黃等人（2000）在數位化溫度控制器設計研究當中之感測器的使用，以熱電 偶與熱敏電阻（RTD）為主，輔以熱敏電阻來使熱電偶作冷接點補償(圖 3.5)。兩 種不同的金屬其自由電子數也不相同，兩金屬連接在一起時形成一個閉迴路時，
兩端會產生一個溫度差，則在迴路裡就會有電流通過。而兩端溫度相同時，端點 產生之熱電動勢相同，因此也不會有電流通過；溫度較高的接點稱為熱接點，反 之，溫度較低的點稱為冷接點。在量測時接將熱接點至於測溫處，再根據所量測 之直流訊號與冷接點作冷接點補償。
圖3.5 電路設計（黃等人，2000）
3.3.2 電阻式溫度感測器
電阻式溫度感測器又稱為熱敏電阻，是一隨溫度改變而變化的溫度偵測裝 置，由於它具有低價與高精度的優點，所以常做為工業溫度控制的檢測裝置。熱 敏電阻一般有一個誤差範圍，用來規定樣品之間的一致性，根據使用的材料不同，
誤差值通常在百分之1 至百分之 10 之間，熱敏電阻與溫度關係：
R=R（1+α1T +α2T2 +α3T3 +....）
其中R 為攝氏 0 度電阻值，α 、1 α 、2 α3…αn為電阻溫度係數，T 為攝氏溫度。
周（2005）於現代化雞舍管理研究中，使用 PT100 白金電阻溫度感測器監控 雞舍之溫度，藉由監控溫度做出適當之措施，以維持雞舍溫度。在電阻式溫度感 測器中，最常見的就是白金電阻溫度感測器，其電阻溫度係數：α1 =3.92×10−3， 可量測範圍：攝氏負 200 度～攝氏 850 度。一般而言，當金屬隨著溫度上升，電 阻值也會跟著上升，亦即具正溫度係數，由於能偵測到溫度之變化，所以可以拿 來測試溫度。除了白金可當電阻式溫度感測器之外，尚有銅（Cu）或鎳（Ni）可 使用，因白金之純度高，所以其溫度係數越高、電阻-溫度特性幾乎為一定(圖 3.6)
3.3.3 IC 型溫度感測器
陳（2007）利用 AD590 偵測血液溫度變化，其中採正溫度係數，溫度上升時 電阻值變小，所通過的電流即增加；最後再以運算放大器感應其電流變化，傳至 資料擷取卡，以分析溫度對波形訊號與血液流速的影響。
圖3.7 AD590 實體包裝與等效電路（陳，2007）
而溫度感測用在煮水溫度的感測與茶湯溫度的感測，在泡茶機的設計上，建 議採用達拉斯半導體公司（Dallas Semiconductor Co.）所出品之 DS1821 IC 型溫度 感測器(圖 3.8)規格：型號-PIN PR 35，解析度攝氏 1 度，溫度範圍為攝氏負 55 度
～攝氏125 度；DS1821 有三支腳，第一支接地（GND），第二支則是控制腳（DQ），
控制溫度輸入與輸出，第三支接電源5 伏特（VDD）。DS1821 輸出訊號是數位 8 bit 訊號，並非類比訊號，因此可以省去 A/D 轉換的麻煩，其輸出的資料可以直接給 各種數位電路使用處理。
DS1821內有4個8位元暫存器，分為高溫觸發暫存器（TH）、低溫觸發暫存器
（TL）、測溫結果暫存器（TR）、狀態暫存器（SR）；其中高溫觸發暫存器、低 溫觸發暫存器、狀態暫存器為電子抹除式可複寫唯讀記憶體（EEPROM），而測 溫結果暫存器為隨機存取記憶體（RAM）。它有兩種工作模式：單線通訊模式－
可對DS1821下達指令，包括設定DS1821各種功能，寫入資料或是讀出DS1821內部 的暫存器資料或溫度資料；另一種則是恆溫控制模式，如果溫度超過上限溫度或 低於下限溫度，依設定輸出高或低的訊號，以驅動控制溫度的週邊電路。進入 DS1821的單線讀寫模式中，最重要的動作就是重置（RESET），因為每次進行讀 取、寫入前，一定要先做重置動作，才能送出指令碼並執行下個動作, 其功能指令 如表3.1。
在8位元的二補數法中可表示-128～+127，用在溫度上之數值如表3.2所示，而 本次實驗預設溫度為攝氏90度，在二進制表示法為01011010B，十六進制的表示法 為5AH。當量測到溫度超過DS1821內部暫存器所設定之值後，DS1821就會輸出一 訊號以利單晶片啟動下個執行動作。
圖3.8 DS1821 接腳（達拉斯公司）
表3.1 DS1821 功能指令