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單總線數字溫度傳感器原理及應用

   2012年02月16日 11:53  
  1、前言
  
  隨著科學技術的發(fā)展,特別是現代儀器的發(fā)展,微型化、集成化、數字化正成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。美國Dallas半導體公司推出的數字化溫度傳感器DS1820采用單總線協(xié)議,即與微機接口僅需占用一個I/O端口,無需任何外部元件,直接將溫度轉化成數字信號,以9位數字碼方式串行輸出,從而大大簡化了傳感器與微處理器的接口。
  
  2、工作原理
  
  目前大多數傳感器系統(tǒng)都采用放大--傳輸--數模轉換這種處理模式。這種模式一般要占用數條數據/控制線,限制了單片機功能的擴展。而一線總線技術則很好地解決了這個問題。一線總線技術就是在一條總線上僅有一個主系統(tǒng)和若干個從系統(tǒng)組成的計算機應用系統(tǒng)。由于總線上的所有器件都通過一條信號線傳輸信息,總線上的每個器件在不同的時間段驅動總線,這相當于把數據總線、地址總線和控制總線合在了一起。所以整個系統(tǒng)要按單總線協(xié)議規(guī)定的時序進行工作。為了使其它設備也能使用這條總線,一線總線協(xié)議采用了一個三態(tài)門,使得每一個設備在不傳送數據時空出該數據線給其它設備。一線總線在外部需要一個上拉電阻器,所以在總線空閑時是高電平。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,生產單總線器件時,廠家都刻錄了一個64位的二進制ROM代碼作為芯片的*序列號。這樣通過尋址就可以把每個器件識別出來。64位ROM的結構如下:開始8位是產品類型的編號(DS1820為10H),接著是每個器件的*的序號,共有48位,zui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。
  
  3、DS1820介紹
  
  DS1820是美國Dallas半導體公司推出的*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*力強、易配微處理器等優(yōu)點,可直接將溫度轉化成串行數字信號供微機處理。
  
  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為數據輸入/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,不用時應接地;NC為空腳。圖1所示為DS1820的內部框圖,它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數據的高速暫存器(內含便箋式RAM),用于存儲用戶設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。
  
  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;A/D變換時間為200ms;用戶自設定溫度報警上下限,其值是非易失性的;報警搜索命令可識別那片DS1820超溫度限。
  
  DS1820的溫度測量原理如下:DS1820測量溫度時使用*的溫度測量技術,其測量電路框圖如圖2所示。內部計數器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數,低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路,而當到達某一設置高溫時,振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數器設置為-55℃時的值,如果計數器到達0之前,門電路未關閉,則溫度寄存器的值將增加,這表示當前溫度高于-55℃。同時,計數器復位在當前溫度值上,電路對振蕩器的溫度系數進行補償,計數器重新開始計數直到回零。如果門電路仍然未關閉,則重復以上過程。溫度表示值為9bit,高位為符號位。
  
  4、溫度檢測系統(tǒng)設計
  
  由于每片DS1820含有*的硅串行數,所以在一條總線上可掛接多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或寫入DS1820的信息,僅需要一根口線(單線接口)。讀寫及溫度變換功率來源于數據總線,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,構成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。對DS1820的使用,多采用單片機實現數據采集。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,從而實現多點溫度檢測系統(tǒng)。由于DS1820只有三個引腳,其中兩根是電源線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字信號且與TTL電平兼容,因此其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換環(huán)節(jié)。
  
  本設計中以DS1820為傳感器、AT89C52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[4]。用6只DS1820同時測控6路溫度(視實際需要還可擴展通道數)。89C52單片機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時鐘周期內能提供足夠的電流,圖3中采用一個MOSFET管和89C52的H.0口來完成對DS1820的總線上拉。鍵盤掃描和動態(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數碼管,它可用來顯示通道數、溫度測量值以及TH、TL的值。
  
  程序處理是整個系統(tǒng)的關鍵,即簡潔的硬件結構是靠復雜的軟件來支持的。多個器件掛在一條總線上為了識別不同的器件,在程序設計過程中一般有四個步驟:初始化命令;傳送ROM命令;傳送RAM命令;數據交換命令。
  
  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,應將主機逐個與DS1820掛接,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,復位DA1820,在DS1820所發(fā)響應脈沖由主機接收后,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)復位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數據。系統(tǒng)對DS1820操作的總體流程圖如圖4所示。
  
  在正常測溫情況下,DS1820的測溫分辨力為0.5℃。采用下述方法可獲得高分辨率的溫度測量結果: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果,然后切去測量結果中的zui低有效位(LSB),得到所測實際溫度的整數部分Tz,然后再用BEH指令取計數器1的計數剩余值Cs和每度計數值CD。考慮到DS1820測量溫度的整數部分以0.25和0.75℃為進位界限的關系。
  
  5、結束語
  
  對應于傳統(tǒng)概念,這一粒三極管一樣的傳感器相當于傳統(tǒng)的溫度傳感器+數字化+CPU+總線協(xié)議及接口。一線器件采用單條連線,解決了控制、通信和供電等問題,降低了系統(tǒng)成本,并簡化了設計,為未來傳感器的發(fā)展和應用開辟了新的領域。

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