DS18B20在測(cè)溫系統(tǒng)光電隔離中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問(wèn)題、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問(wèn)題等技術(shù)問(wèn)題，才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。而新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20的出現(xiàn)，為克服上面提到的三個(gè)問(wèn)題提供了很好的解決方法。

Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。這種新的”一線器件“體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。

DS18B20的應(yīng)用

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳T0-92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9～12位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，微處理器只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

DS18B20的工作原理

DS18B20的工作原理如上圖所示。固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)振蕩器隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。上圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是DS18B20的測(cè)溫原理。另外，由于DS18B20一線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）一發(fā)ROM功能命令一發(fā)存儲(chǔ)器操作命令一處理數(shù)據(jù)。

微處理器與DS18B20的典型接口設(shè)計(jì)

DS18B20的手冊(cè)上推薦了幾個(gè)不同應(yīng)用方式的測(cè)溫電路，分別為寄生電源供電方式、寄生電源強(qiáng)上拉供電方式和外部電源供電方式。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，在這種方式下，充分發(fā)揮了DS18820寬電源電壓范圍的特點(diǎn)，即使電源電壓VCC降到3V時(shí)，也能夠保證溫度測(cè)量精度。下圖給出了具體的原理圖。

為了滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的需要，傳感器DS18820需要安裝到各種惡劣條件的地點(diǎn)，由于DS18B20直接與微處理器I/O連接，當(dāng)外部有強(qiáng)烈干擾，會(huì)通過(guò)DS18B20和連接的電纜傳入微處理器，容易造成微處理器損壞。為了隔離干擾，傳統(tǒng)的方法是采用光耦進(jìn)行隔離，但是由于DS18B20的通信方式為單總線式，在一條數(shù)據(jù)線上完成讀寫，具有雙向傳輸數(shù)據(jù)的功能，而光耦沒有雙向通信功能。

通過(guò)對(duì)DS18820的讀寫時(shí)序的仔細(xì)研究，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)DS18B20的讀寫控制可以分別采用兩個(gè)I/O口進(jìn)行控制，其中一個(gè)I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀，另一個(gè)I/O口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫。具體原理見下圖。

從上圖中可以看出，原理在實(shí)現(xiàn)上并不是需要很大的改動(dòng)，只是多使用了微處理器一條I/O口線，并且在程序上也不需要很大的改動(dòng)，只是在讀寫的時(shí)候分別適用不同的I/O。由于DS18B20的時(shí)序要求非常嚴(yán)格，所以，DC光耦選擇了高速光耦HCPL0611，并且電源使用了DC/DC隔離模塊，使DS18B20與微處理器之間完全實(shí)現(xiàn)了電氣上的隔離，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性。