單總線數字溫度傳感器原理及應用

　　1、前言
　　
　　隨著科學技術的發展，特別是現代儀器的發展，微型化、集成化、數字化正成為傳感器發展的一個重要方向。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和若干個從系統組成的計算機應用系統。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。所以整個系統要按單總線協議規定的時序進行工作。為了使其它設備也能使用這條總線，一線總線協議采用了一個三態門，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解發器存儲與控制邏輯、8位循環冗余校驗碼(CRC)發生器等七部分。　　
　　DS1820特點如下：硬件接口簡單，性能穩定，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。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節。
　　
　　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：主機發出一個脈沖，待"0"電平大于480μs后，復位DA1820，在DS1820所發響應脈沖由主機接收后，主機再發讀ROM命令代碼33H，然后發一個脈沖(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，系統對DS1820和各種操作必須按協議進行，即初始化DS1820(發復位脈沖)→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。系統對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
　　
　　對應于傳統概念，這一粒三極管一樣的傳感器相當于傳統的溫度傳感器+數字化+CPU+總線協議及接口。一線器件采用單條連線，解決了控制、通信和供電等問題，降低了系統成本，并簡化了設計，為未來傳感器的發展和應用開辟了新的領域。