摘要：闡述了通過單總線測溫元件DS1820來實現(xiàn)多點測溫的技術(shù)，實現(xiàn)方法是利用DS1820和89C51單片機構(gòu)建單線多點溫度測控系統(tǒng)，通過軟件對單片機進行控制，從而實現(xiàn)一根總線多點測溫，達到理想的測溫效果。實驗結(jié)果表明，該測控技術(shù)具有測溫系統(tǒng)簡單，測溫精度高，連接方便，占用口線少等優(yōu)點。該技術(shù)的創(chuàng)新主要在于能夠利用一個通信接口同時監(jiān)測幾個甚至幾十個溫度數(shù)據(jù)，從而達到節(jié)省帶寬，簡化硬件設(shè)施的目的。
關(guān)鍵詞：DS1820；多點溫度測控；89C51；單總線
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代儀器的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字化溫度傳感器DS1820采用單總線協(xié)議，即與微機接口僅需占用1個I／O端口，無需任何外部元件，直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以9位數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大簡化了傳感器與微處理器的接口。
1 DS1820簡介
DS1820是美國DALLAS公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板(ON-BOARD)專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只晶體管大小的集成電路內(nèi)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
與其他溫度傳感器相比，DS1820具有以下特性：
(1)獨特的單線接口方式。DS1820在與微處理器連接時僅需要1條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通信。
(2)DS1820支持多點組網(wǎng)功能。多個DS1820可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。
(3)DS1820在使用中不需要任何外圍元件。
(4)測溫范圍為-55～+125℃，固有測溫分辨率為0．5℃。
(5)測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
2 工作原理
DS1820測溫原理如圖2所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化，其振蕩率有明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。
圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。DS1820特點如下：硬件接口簡單，性能穩(wěn)定，單線接口，僅需一根口線與MCU連接，無需外圍元件；由總線提供電源；測溫范圍為-55～+75℃；精度為0．5℃；9位溫度讀數(shù)；A／D變換時間為200 ms；用戶自設(shè)定溫度報警上下限，其值是非易失性的；報警搜索命令可識別哪片DS1820超溫度限。
3 溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計
3．1 硬件設(shè)計
由于每片DS1820含有惟一的硅串行數(shù)，所以在一條總線上可掛接多個DS1820芯片。從DS1820讀出信息或?qū)懭隓S1820信息，僅需要1根口線(單線接口)。讀／寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。DS1820提供9位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。對DS1820的使用，多采用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時，將DS1820信號線與單片機一位口線相連，單片機可掛接多片DS1820，從而實現(xiàn)多點溫度檢測系統(tǒng)。由于DS1820只有3個引腳，其中2根是電源線VDD和GND，另外兩根用作總線DQ(DataIn／Out)，由于其輸出和輸入均是數(shù)字信號，且與TTL電平兼容，因此可以與微處理器直接進行接口，從而省去了一般傳感器所必需的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。
該設(shè)計以DS1820為傳感器，以AT89C51單片機為控制核心，組成的多點溫度測試系統(tǒng)如圖3所示。
3．2 軟件設(shè)計
程序處理是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，簡潔的硬件結(jié)構(gòu)是靠復(fù)雜的軟件來支持的。多個器件掛在一條總線上去識別不同的器件，在程序設(shè)計過程中一般有初始化命令、傳送ROM命令、傳送RAM命令、數(shù)據(jù)交換命令4個步驟。
需要注意的是，無論是單點還是多點溫度檢測，在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機逐個與DS182掛接，讀出其序列號。它的工作過程為：主機發(fā)出一個脈沖，待“0”電平大于480μs后，復(fù)位DA1820，在DS1820所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機接收后，主機再發(fā)讀ROM命令代碼33H，然后發(fā)一個脈沖(15μs)，并接著讀取DS1820序列號的1位。用同樣方法讀取序列號的56位。另外，由于DS1820單線通信功能是分時完成的，遵循嚴格的時隙概念，因此系統(tǒng)對DS1820和各種操作必須按協(xié)議進行，即初始化DS182(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。
在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨率為0．5℃。這對于精度要求高的場合有所不足。在詳細分析DS1820測溫原理的基礎(chǔ)上，采取直接讀取DS1820內(nèi)部暫存寄存器的方法，將DS1820的測溫分辨率提高到0．1～0．01℃。圖4為軟件設(shè)計的總流程。
4 結(jié)語
雖然DS1820具有測溫系統(tǒng)簡單，測溫精度高，連接方便，占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中還應(yīng)注意以下幾方面的問題：
系統(tǒng)硬件雖然簡單，但需要相對復(fù)雜的軟件進行補償；由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進行讀／寫編程時，必須嚴格地保證讀／寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。
在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應(yīng)用中并非如此。當單總線上所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。由于信號電纜本身存在電阻，距離過長時將導(dǎo)致信號衰減。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50 m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤；當總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通信距離可達150 m；當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通信距離能進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配的問題。
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