DS1820芯片在電化學(xué)傳感器溫度補償中的應(yīng)用

一、前言
　　工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境溫度變化范圍大而劇烈，工作在工業(yè)現(xiàn)場的傳感器大多數(shù)都對溫度有一定的敏感度，這樣就會使傳感器的零點和靈敏度發(fā)生變化，從而造成輸出值隨環(huán)境溫度變化，導(dǎo)致測量出現(xiàn)附加誤差，因此溫度補償問題一直是傳感器技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　溫度補償?shù)姆椒ㄒ话惴譃橛布a償和軟件補償兩種方法。目前應(yīng)用較廣泛的是利用微處理器實現(xiàn)溫度漂移軟件補償方法。本文要介紹的溫度補償方法也屬于一種軟件補償，只是在具體實現(xiàn)的過程中提出了新的設(shè)計方案—采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820芯片和LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)中的神經(jīng)元芯片（Neuron Chip即CPU）實現(xiàn)傳感器的溫度補償，并以電化學(xué)傳感器為例，詳細(xì)介紹了它的硬件電路和軟件設(shè)計部分。
二、傳感器溫度漂移軟件補償原理
　　由于周圍環(huán)境溫度變化而引起傳感器的附加誤差，可以采用軟件的方法來修正，其基本思路是：在傳感器內(nèi)靠近對溫度敏感的部件處，安裝一個測溫元件，用以檢測傳感器所在環(huán)境的溫度；把測溫元件的輸出經(jīng)過多路開關(guān)與信號同一路徑送入CPU（或者采用多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)），根據(jù)溫度誤差的數(shù)學(xué)模型去補償被測信號，以達(dá)到精確測量的目的，其中溫度誤差修正模型一般是根據(jù)具體的傳感器溫度特性用曲線擬合方法而建立的。
　　傳感器采用這種軟件補償方法解決溫度附加誤差時，通常測溫元件大多采用熱電阻，因此必須增加相應(yīng)的熱電阻溫度變送器以及A/D轉(zhuǎn)換兩部分的電路，任何一個環(huán)節(jié)都不能缺少，具體實施起來難免顯得有些繁瑣，而且兩部分電路的溫度特性可能成為新的附加誤差。
三、傳感器溫度漂移軟件補償新方案
　　針對上述提出的問題，我們可以通過用數(shù)字式溫度傳感器代替熱電阻檢測周圍環(huán)境溫度來解決。在這里我們推薦使用美國Dallas半導(dǎo)體公司研制生產(chǎn)的DS1820芯片一種單總線數(shù)字溫度傳感器，它具有許多獨特的優(yōu)良性能：
（1）可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換為9位數(shù)字量，溫度的轉(zhuǎn)換可以在1秒內(nèi)完成；
（2）只通過一根數(shù)據(jù)線就能實現(xiàn)與微處理器的通訊，而且芯片正常工作所需要的電源也可以從這根數(shù)據(jù)線上獲得，無需外部電源；
（3）具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點；
（4）價格便宜，僅為普通溫度變送器的十分之一。
　　經(jīng)實驗研究證明這種傳感器可以很好地解決溫度漂移軟件補償中的測溫問題。
四、電化學(xué)傳感器的溫度補償方案
　　電化學(xué)傳感器通過測量氣體在某個確定電位電解時所產(chǎn)生的電流從而得到氣體的濃度值。這種傳感器體積小、重量輕，不僅靈敏度高，而且測量準(zhǔn)確、響應(yīng)時間快、使用壽命長，是目前比較理想的一種氣體濃度測量傳感器。不過，和大多數(shù)傳感器一樣，其溫度特性不太理想，在實際使用時需要進(jìn)行溫度補償。具體思路是：在確定傳感器輸出量與溫度之間的數(shù)學(xué)模型后，通過數(shù)字溫度傳感器DS1820芯片，直接把溫度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，送入CPU進(jìn)行后續(xù)處理，即根據(jù)傳感器的溫度特性對測量值進(jìn)行修正，實現(xiàn)用軟件的方法消除由于環(huán)境溫度的變化給測量帶來的誤差。


1、電化學(xué)傳感器溫度補償硬件電路設(shè)計
　　硬件電路設(shè)計如圖1所示，其核心部分主要是神經(jīng)元芯片和DS1820芯片。神經(jīng)元芯片有11個雙向、可編程I/O口（管腳IO_0至IO_10）。這些I/O口可根據(jù)需求不同，靈活選擇接口方式，實現(xiàn)與外圍設(shè)備的接口。另外，Neuron芯片有34個預(yù)編程的操作模式（即I/O對象），支持電平、脈沖、頻率等各種信號，可以實現(xiàn)有效的測量和控制。本文涉及到的I/O對象主要有Neurowire I/O對象和Touch I/O對象，前者主要用于傳送全同步串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一次傳輸8位，首先傳輸最高有效位；后者主要用于與Dallas半導(dǎo)體公司開發(fā)的One-Wire協(xié)議接口，以便與觸摸式存儲器（Touch Memories）和相似的設(shè)備進(jìn)行通信（DS1820芯片就屬于One-Wire設(shè)備），對于DS1820芯片工作時所需要的一系列初始化序列，Touch I/O對象都有相應(yīng)的內(nèi)部函數(shù)支持，例如：touch_reset，該函數(shù)插入一個復(fù)位脈沖，如果檢測到存在脈沖則返回1，如果未檢測到存在脈沖則返回0，或1-WIRE總線總是為低電平則返回-1。有了這些函數(shù)的支持，神經(jīng)元芯片對外圍電路DS1820芯片的控制與通信就顯得非常方便，因此在這一點上明顯優(yōu)于其他的微處理器。
2、電化學(xué)傳感器溫度補償軟件設(shè)計
　　從前面給出的硬件電路可以發(fā)現(xiàn)：電化學(xué)傳感器溫度補償環(huán)節(jié)的硬件電路比較簡單，然而簡潔的硬件配置是靠復(fù)雜的軟件來支撐的。為保證數(shù)據(jù)可靠傳送，任一時刻單總線上只能有一個控制信號或數(shù)據(jù)。因此進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，要符合單總線協(xié)議，一般有以下四個過程：初始化信號、傳送ROM命令、傳送RAM命令和數(shù)據(jù)交換。神經(jīng)元芯片的編程語言是Neuron C語言，其軟件流程圖如圖2所示。





　　通過軟硬件測得環(huán)境溫度值之后，接著就要對一定環(huán)境溫度下檢測到的氣體濃度值進(jìn)行修正。我們以華誠5FCO電化學(xué)傳感器為例進(jìn)行溫度補償新方案的測試。
　　首先需要了解傳感器的溫度特性，根據(jù)廠家提供的實驗數(shù)據(jù)由最小二乘擬合原理得到CO電化學(xué)傳感器的溫度特性為：Y=-0.000088X2+0.009612X+0.835393;其中：X—環(huán)境溫度值；Y—表示該環(huán)境溫度下濃度測量值與20℃時濃度值的百分比（20℃為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度）。
　　應(yīng)用LonWorks現(xiàn)場總線節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder進(jìn)行硬件和軟件聯(lián)調(diào), 并在實驗室和現(xiàn)場進(jìn)行多次測試，測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，未進(jìn)行溫度補償時的最大誤差為16.4%，補償后的最大誤差為1.5%。因為CO電化學(xué)傳感器的溫度特性函數(shù)是由最小二乘法擬合而得，所以1.5%的誤差中還包含有擬合誤差，實驗表明DS1820芯片的使用很好地完成了溫度補償?shù)娜蝿?wù)。
五、結(jié)束語
　　傳感器的溫度漂移問題是影響傳感器正常工作的一個比較棘手的難題，通過本文的例子可以看出，單總線芯片DS1820不僅可以應(yīng)用于溫度檢測，而且更加方便地解決了傳感器的溫度漂移補償，而且DS1820系列芯片不斷有新的功能推出，它在傳感器溫度補償中的應(yīng)用前景是廣泛的。