由單片機和多片DS1820組成的多點溫度測控系統(tǒng)

1 概述

DS1820 是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理，而且每片DS1820都有唯一的產(chǎn)品號并可存入其ROM中，以使在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛任意多個 DS1820芯片。從DS1820讀出或?qū)懭隓S1820信息僅需要一根口線，共讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的 DS1820供電，而無需額處電源。DS1820能提供九位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構(gòu)成溫度檢測系統(tǒng)。

2 DS1820的工作原理

DS1820采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，管腳排列如圖1所示。圖中GND為地，I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端（即單線總線），該腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平。VDD是外部+5V電源端，不用時應(yīng)接地。NC為空腳。

圖2所示為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL解發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器等七部分。

2.1 寄生電源

寄生電源由二極管VD1、VD2和寄生電容C組成。電源檢測電路用于判定供電方式。寄生電源供電時，VDD端接地，器件從單線總線上獲取電源。在 I/O線呈低電平時，改由C上的電壓Vc繼續(xù)向器件供電。該寄生電源有兩個優(yōu)點：第一，檢測遠程溫度時無需本地電源；第二，缺少正常電源時也能讀ROM。若采用外部電源VDD，則通過VD2向器件供電。

2.2 溫度測量原理

DS1820 測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。其測量電路框圖如圖3所示。DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當計數(shù)門打開時，DS1820對f0計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以被償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為9位（符號點1位），但因符號位擴展成高8位，故以16位被碼形式讀出，表1給出了溫度和數(shù)字量的關(guān)系。

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2.3 64位激光ROM

64位ROM的結(jié)構(gòu)如下：

開始8位是產(chǎn)品類型的編號（DS1820為10H），接著是每個器件的唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS1820可以采用一線進行通信的原因。主機操作ROM的命令有五種，如表2所列

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2.4 高速暫存器

它由便箋式RAM和非易失性電擦寫 EERAM組成，后者用于存儲TH、TL值。數(shù)據(jù)選寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給EERAM。便箋式EAM點9個字節(jié)，包括溫度信息（第1、2字節(jié)）、TH 和TL值（3、4字節(jié)）、計數(shù)寄存器（7、8字節(jié)）、CRC（第9字節(jié)）等，第5、6字節(jié)不用。暫存器的命令共6條，見表3所列。

在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨力為0.5℃，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測實際溫度的整數(shù)部分Tz，然后現(xiàn)用BEH指令取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值Cs和每度計數(shù)值CD?？紤]到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進位界限的關(guān)系，實際溫度Ts可用下式計算：
Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD

2.5 告警信號

DS1820 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH、TL作比較。若T>TH或T<TL，則將該器件內(nèi)的告警標志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS1820同時測量溫度并進行告警搜索。一旦某測溫點越限，主機利用告警搜索命令即可識別正在告警的器件，并讀出其序號，而不必考慮非告警器件。

2.6 CRC的產(chǎn)生

在64 位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（CRC）。主機根據(jù)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS1820中的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。CRC的函數(shù)表達式為：CRC=X8+X5+X3+1。此外，DS1820尚需依上式為暫存器中的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生一個8位CRC 送給主機，以確保暫存器數(shù)據(jù)傳送無誤。

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3 多路溫度測控儀的電路設(shè)計

用單片機控制的多路測度測控儀的電路如圖4所示?，F(xiàn)用6只DS1820同時測控6路溫度（視實際需要還可任意擴展通道數(shù)）。圖4中采用89C51單片機，其 P1.1口接單線總線。DS1820采用寄生電源供電方式。為保證在有效的DS1820時鐘周期內(nèi)能提供足夠的電流，圖4中采用一個MOSFET管和 89C51的H.0口來完成對DS1820的總線上拉。P1.2～P1.7口用來輸出溫度測控信號，經(jīng)驅(qū)動器MC1413后分別驅(qū)動6只固態(tài)繼電器，通過改變加熱或致冷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可實現(xiàn)對被監(jiān)測系統(tǒng)的實時控制。

為提高系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)設(shè)計了由硬件與軟件組成的“看門狗”。硬件看門狗由MAX813L及其外圍電路組成，同時還具有電源監(jiān)控和復(fù)位功能。 P1.1定時輸出喂狗，按鍵S1為手動復(fù)位。鍵盤掃描和動態(tài)掃描的顯示共用一片可編程接口芯征8279，顯示采用8位共陰極LED數(shù)碼管，它可用來顯示通道數(shù)、溫度測量值以及TH、TL的值。

需要注意的是，在系統(tǒng)安裝及工作之前應(yīng)將主機逐個與DS1820掛接，以讀出其序列號。其工作過程為：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序列號的一位。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DS1820（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)。系統(tǒng)對DS1820操作的總體流程圖如圖5所示