單總線數(shù)字溫度傳感器原理及應(yīng)用

1 前言

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(gè)重要方向[1]。美國(guó)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(jī)接口僅需占用一個(gè)I/O端口，無(wú)需任何外部元件，直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，以9位數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器的接口。

2 工作原理

目前大多數(shù)傳感器系統(tǒng)都采用放大--傳輸--數(shù)模轉(zhuǎn)換這種處理模式。這種模式一般要占用數(shù)條數(shù)據(jù)/控制線，限制了單片機(jī)功能的擴(kuò)展。而一線總線技術(shù)則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。一線總線技術(shù)就是在一條總線上僅有一個(gè)主系統(tǒng)和若干個(gè)從系統(tǒng)組成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于總線上的所有器件都通過(guò)一條信號(hào)線傳輸信息，總線上的每個(gè)器件在不同的時(shí)間段驅(qū)動(dòng)總線，這相當(dāng)于把數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線合在了一起。所以整個(gè)系統(tǒng)要按單總線協(xié)議規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行工作。為了使其它設(shè)備也能使用這條總線，一線總線協(xié)議采用了一個(gè)三態(tài)門，使得每一個(gè)設(shè)備在不傳送數(shù)據(jù)時(shí)空出該數(shù)據(jù)線給其它設(shè)備。一線總線在外部需要一個(gè)上拉電阻器，所以在總線空閑時(shí)是高電平。掛在單總線上的器件稱為單總線器件，為了區(qū)分總線上的不同器件，生產(chǎn)單總線器件時(shí)，廠家都刻錄了一個(gè)64位的二進(jìn)制ROM代碼作為芯片的唯一序列號(hào)。這樣通過(guò)尋址就可以把每個(gè)器件識(shí)別出來(lái)。64位ROM的結(jié)構(gòu)如下：開(kāi)始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)（DS1820為10H），接著是每個(gè)器件的唯一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS1820可以采用一線進(jìn)行通信的原因。

3 DS1820介紹

DS1820是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司推出的第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理[2]。

DS1820的工作原理是：DS1820采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其中 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(kāi)路輸出，常態(tài)下呈高電平；VDD是外部+5V電源端，不用時(shí)應(yīng)接地；NC為空腳。圖1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(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL解發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器等七部分。

DS1820特點(diǎn)如下：硬件接口簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，單線接口，僅需一根口線與MCU連接無(wú)需外圍元件；由總線提供電源；測(cè)溫范圍為-55～75℃；精度為0.5℃；9位溫度讀數(shù)；A/D變換時(shí)間為200ms；用戶自設(shè)定溫度報(bào)警上下限，其值是非易失性的；報(bào)警搜索命令可識(shí)別那片DS1820超溫度限。

DS1820的溫度測(cè)量原理如下[3]：DS1820測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量電路框圖如圖2所示。內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)一個(gè)受溫度影響的振蕩器的脈沖計(jì)數(shù)，低溫時(shí)振蕩器的脈沖可以通過(guò)門電路，而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時(shí)，振蕩器的脈沖無(wú)法通過(guò)門電路。計(jì)數(shù)器設(shè)置為-55℃時(shí)的值，如果計(jì)數(shù)器到達(dá)0之前，門電路未關(guān)閉，則溫度寄存器的值將增加，這表示當(dāng)前溫度高于-55℃。同時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位在當(dāng)前溫度值上，電路對(duì)振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始計(jì)數(shù)直到回零。如果門電路仍然未關(guān)閉，則重復(fù)以上過(guò)程。溫度表示值為9bit，高位為符號(hào)位。

4 溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于每片DS1820含有唯一的硅串行數(shù)，所以在一條總線上可掛接多個(gè)DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根口線（單線接口）。讀寫(xiě)及溫度變換功率來(lái)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(wú)需額外電源。DS1820提供9位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。對(duì)DS1820的使用，多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時(shí)，將DS1820信號(hào)線與單片機(jī)一位口線相連，單片機(jī)可掛接多片DS1820，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。由于DS1820只有三個(gè)引腳，其中兩根是電源線VDD和GND，另外兩根用作總線DQ(Data In/Out)，由于其輸出和輸入均是數(shù)字信號(hào)且與TTL電平兼容，因此其可以與微處理器直接進(jìn)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)。

本設(shè)計(jì)中以DS1820為傳感器、AT89C52單片機(jī)為控制核心組成的多點(diǎn)溫度測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示[4]。用6只DS1820同時(shí)測(cè)控6路溫度（視實(shí)際需要還可擴(kuò)展通道數(shù)）。89C52單片機(jī)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(shí)鐘周期內(nèi)能提供足夠的電流，圖3中采用一個(gè)MOSFET管和89C52的H.0口來(lái)完成對(duì)DS1820的總線上拉。鍵盤掃描和動(dòng)態(tài)掃描的顯示共用一片可編程接口芯片8279，顯示采用8位共陰極LED數(shù)碼管，它可用來(lái)顯示通道數(shù)、溫度測(cè)量值以及TH、TL的值。

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程序處理是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，即簡(jiǎn)潔的硬件結(jié)構(gòu)是靠復(fù)雜的軟件來(lái)支持的。多個(gè)器件掛在一條總線上為了識(shí)別不同的器件，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中一般有四個(gè)步驟：初始化命令；傳送ROM命令；傳送RAM命令；數(shù)據(jù)交換命令。

需要注意的是，無(wú)論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)溫度檢測(cè)，在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機(jī)逐個(gè)與DS1820掛接，讀出其序列號(hào)。其工作過(guò)程為：主機(jī)發(fā)出一個(gè)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(jī)接收后，主機(jī)再發(fā)讀ROM命令代碼33H，然后發(fā)一個(gè)脈沖（15μs），并接著讀取DS1820序列號(hào)的一位。用同樣方法讀取序列號(hào)的56位。另外，由于DS1820單線通信功能是分時(shí)完成的，遵循嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此，系統(tǒng)對(duì)DS1820和各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行，即初始化DS1820（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對(duì)DS1820操作的總體流程圖如圖4所示。

在正常測(cè)溫情況下，DS1820的測(cè)溫分辨力為0.5℃。采用下述方法可獲得高分辨率的溫度測(cè)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(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測(cè)實(shí)際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值Cs和每度計(jì)數(shù)值CD?？紤]到DS1820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25和0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系.

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)概念，這一粒三極管一樣的傳感器相當(dāng)于傳統(tǒng)的溫度傳感器+ 數(shù)字化+ CPU+ 總線協(xié)議及接口。一線器件采用單條連線，解決了控制、通信和供電等問(wèn)題，降低了系統(tǒng)成本，并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，為未來(lái)傳感器的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。