數(shù)字溫度傳感器DS1722原理及應(yīng)用

摘要：在分析數(shù)字溫度傳感器DS1722的功能、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及時(shí)序的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了由傳感器DS1722和單片機(jī)89C51構(gòu)成的溫度測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明：數(shù)字溫度傳感器DS1722在0℃～100℃測(cè)溫范圍內(nèi)誤差小于±0.5℃，且最遠(yuǎn)傳輸距離為5m。

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，溫度傳感器的種類日益繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開(kāi)始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式和三總線式方向發(fā)展。而數(shù)字溫度傳感器更因適用于各種微處理器接口組成的自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)具有可以克服模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的弊端等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測(cè)溫計(jì)、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中。其中，比較有代表性的數(shù)字溫度傳感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。本文主要介紹了數(shù)字溫度傳感器DS1722的特性、使用方法以及它的時(shí)序等，并闡述了傳感器DS1722和單片機(jī)89C51構(gòu)成的溫度測(cè)量系統(tǒng)。

二、DS1722的工作原理

1 、DS1722的主要特點(diǎn)

DS1722是一種低價(jià)位、低功耗的三總線式數(shù)字溫度傳感器，其主要特點(diǎn)如表1所示。

2、DS1722的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

數(shù)字溫度傳感器DS1722有8管腳m-SOP封裝和8管腳SOIC封裝兩種，其引腳排列如圖1所示。它由四個(gè)主要部分組成：精密溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、SPI/三線接口電子器件和數(shù)據(jù)寄存器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

開(kāi)始供電時(shí)，DS1722處于能量關(guān)閉狀態(tài)，供電之后用戶通過(guò)改變寄存器分辨率使其處于連續(xù)轉(zhuǎn)換溫度模式或者單一轉(zhuǎn)換模式。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，DS1722連續(xù)轉(zhuǎn)換溫度并將結(jié)果存于溫度寄存器中，讀溫度寄存器中的內(nèi)容不影響其溫度轉(zhuǎn)換;在單一轉(zhuǎn)換模式，DS1722執(zhí)行一次溫度轉(zhuǎn)換，結(jié)果存于溫度寄存器中，然后回到關(guān)閉模式，這種轉(zhuǎn)換模式適用于對(duì)溫度敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。在應(yīng)用中，用戶可以通過(guò)程序設(shè)置分辨率寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的溫度分辨率，其分辨率有8位、9位、10位、11位或12位五種，對(duì)應(yīng)溫度分辨率分別為1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的默認(rèn)分辨率為9位。DS1722有摩托羅拉串行接口和標(biāo)準(zhǔn)三線接口兩種通信接口，用戶可以通過(guò)SERMODE管腳選擇通信標(biāo)準(zhǔn)。

3、DS1722溫度操作方法

傳感器DS1722將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后以二進(jìn)制的補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)于溫度寄存器中，通過(guò)SPI或者三線接口，溫度寄存器中地址01H和02H中的數(shù)據(jù)可以被讀出。輸出數(shù)據(jù)的地址如表2所示，輸出數(shù)據(jù)的二進(jìn)制形式與十六進(jìn)制形式的精確關(guān)系如表3所示。在表3中，假定DS1722 配置為12位分辨率。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字接口連續(xù)傳送，MSB(最高有效位)首先通過(guò)SPI傳輸，LSB(最低有效位)首先通過(guò)三線傳輸。

4、DS1722的工作程序

DS1722的所有的工作程序由SPI接口或者三總線通信接口通過(guò)選擇狀態(tài)寄存器位置適合的地址來(lái)完成。表4為 寄存器的地址表格，說(shuō)明了DS1722兩個(gè)寄存器(狀態(tài)和溫度)的地址。

1SHOT是單步溫度轉(zhuǎn)換位，SD是關(guān)閉斷路位。如果SD位為“1”，則不進(jìn)行連續(xù)溫度轉(zhuǎn)換，1SHOT位寫入“1”時(shí)，DS1722執(zhí)行一次溫度轉(zhuǎn)換并且把結(jié)果存在溫度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中，完成溫度轉(zhuǎn)換后1SHOT自動(dòng)清“0”。如果SD位是“0”，則進(jìn)入連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，DS1722將連續(xù)執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換并且將全部的結(jié)果存入溫度寄存器中。雖然寫到1SHOT位的數(shù)據(jù)被忽略，但是用戶還是對(duì)這一位有讀/寫訪問(wèn)權(quán)限。如果把SD改為“1”，進(jìn)行中的轉(zhuǎn)換將繼續(xù)進(jìn)行直至完成并且存儲(chǔ)結(jié)果，然后裝置將進(jìn)入低功率關(guān)閉模式。

傳感器上電時(shí)默認(rèn)1SHOT位為“0”。R0，R1，R2為溫度分辨率位，如表5所示(x=任意值)。用戶可以讀寫訪問(wèn)R2，R1和R0位，上電默認(rèn)狀態(tài)時(shí)R2=“0”，R1=“0”，R0=“1”(9位轉(zhuǎn)換)。此時(shí)，通信口保持有效，用戶對(duì)SD位有讀/寫訪問(wèn)權(quán)限，并且其默認(rèn)值是“1”(關(guān)閉模式)。

三、DS1722測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、軟件設(shè)計(jì)

傳感器DS1722提供了兩種串行接口模式，當(dāng)模式選通管腳SERMODE接VDDD時(shí)選擇SPI通信，當(dāng)該管腳接地時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)三總線通信。

以三總線模式為例，溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件電路由數(shù)字溫度傳感器DS1722和單片機(jī)AT89C51及顯示部分組成。用P1口作數(shù)據(jù)的輸出端口，采集到的溫度信號(hào)由單片機(jī)處理后送到P1口，經(jīng)74LS47驅(qū)動(dòng)送至七段碼譯碼器顯示。其電路框圖如圖3所示。

2、軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)分為四個(gè)大部分：數(shù)據(jù)的采集部分、數(shù)據(jù)整數(shù)部分的轉(zhuǎn)化部分、數(shù)據(jù)小數(shù)部分的轉(zhuǎn)化部分、數(shù)據(jù)的顯示部分。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

四、測(cè)溫結(jié)果及分析

在溫度測(cè)量過(guò)程中，將傳感器DS1722放入0℃冰水混合的容器中，逐漸給容器加熱升溫，用溫度計(jì)觀察容器中水溫變化，并記錄傳感器經(jīng)單片機(jī)89C51處理后的輸出溫度值，所得數(shù)據(jù)如表6所示。如果用公式“絕對(duì)誤差=實(shí)際溫度—實(shí)測(cè)溫度”來(lái)計(jì)算溫度傳感器DS1722的誤差，那么實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：隨著溫度的升高，實(shí)驗(yàn)誤差越來(lái)越大。誤差隨溫度變化的曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，傳感器DS1722的溫度誤差與溫度呈線性關(guān)系，產(chǎn)生溫度誤差的因素大概有以下幾個(gè)方面：

(1)實(shí)驗(yàn)電路本身的因素;

(2)人為因素，在讀數(shù)時(shí)可能存在人為誤差;

(3)環(huán)境的因素，因?yàn)榘褌鞲衅鞣诺搅嗽嚬軆?nèi)，管內(nèi)溫度和水溫有一定的差別;

(4)傳感器自身因素，實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器焊接到八腳雙列直插管座上，不能和試管壁充分接觸，這也存在一定的誤差。

綜合考慮以上的各種因素，這個(gè)誤差范圍是傳感器DS1722所允許的，所以，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

五、結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字溫度傳感器DS1722可接受寬電壓范圍的模擬信號(hào)和低功率的數(shù)字邏輯信號(hào)，因而可滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)便攜和混合信號(hào)系統(tǒng)多電壓的要求。增加的標(biāo)準(zhǔn)三線和SPI串行接口使設(shè)計(jì)者在嵌入式系統(tǒng)中使用不同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)定方面有很大的靈活性。

數(shù)字溫度傳感器DS1722的應(yīng)用領(lǐng)域可以涉及到個(gè)人計(jì)算機(jī)/服務(wù)器/工作組、單元電話、辦公設(shè)備或者任何熱敏系統(tǒng)，缺點(diǎn)是不能暴露在一些工業(yè)應(yīng)用需要的環(huán)境壓力下，例如燃燒狀況下。相信隨著DS1722使用者的增多，其必將發(fā)揮更大的作用。