智能溫度傳感器是在半導(dǎo)體集成溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其主要優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測(cè)溫度；能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)；用戶可設(shè)定溫度上、下限，有越限自動(dòng)報(bào)警功能；自帶總線接口，適配各種微處理器和單片機(jī)，便于開發(fā)具有一定智能功能的溫度測(cè)控系統(tǒng)。其中，DS1820就是典型的智能溫度傳感器。
DS1820基本特性
DS1820是美國(guó)生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器。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)。因體積小、轉(zhuǎn)換快、分辨率高、數(shù)字量傳輸?shù)?，使?/span>在多點(diǎn)測(cè)溫、智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用。與其他溫度傳感器相比，DS1820具有以下特點(diǎn)：
①獨(dú)特的單線接口方式，DS8120在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。
②DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，一條總線上可以掛多片DS1820，最多可達(dá)248只。
③DS1820在使用中不需要任何外圍元件。
④測(cè)溫范圍為-55~125℃，固有測(cè)溫分辨率為0.5℃。若采用高分辨率模式，分辨率可達(dá)0.1℃。溫度/數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間的典型值為220ms，最大值為500ms。
⑤測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
DS1820工作原理
DS1820的內(nèi)部框圖如圖1所示，它包括三個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：64為ROM；溫度傳感器；溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。
說明：
1：電源檢測(cè) 2：64位ROM與單線接口
3：存儲(chǔ)器與控制邏輯 4：便箋式RAM
5：溫度傳感器 6：高溫觸發(fā)器TH
7：低溫觸發(fā)器TL 8：8位CRC發(fā)生器
圖1 DS1820內(nèi)部框圖
DS1820測(cè)溫原理如圖2所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于生產(chǎn)固定頻率的脈沖信號(hào)，其輸出給計(jì)數(shù)器1.高溫系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化，所產(chǎn)生的信號(hào)反映被測(cè)溫度，作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。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)上。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。當(dāng)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，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫系數(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。圖中的斜率累加計(jì)數(shù)器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)設(shè)值。
說明
1：預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)器 2：斜率累加計(jì)數(shù)器
3：低溫度系數(shù)振蕩器 4：減法計(jì)數(shù)器
5：計(jì)數(shù)比較器 6：預(yù)置計(jì)數(shù)器
7：減到零 8：溫度寄存器
9：高溫度系數(shù)振蕩器 10：減法計(jì)數(shù)器
11：減到零 12：增加
13：停止 14：設(shè)置/清除最低有效位
圖2 DS1820內(nèi)部測(cè)溫電路框圖
DS1820屬于“單線-總線”技術(shù)芯片，所謂單線總線技術(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。為了使其他設(shè)備也能使用這條總線，單線總線協(xié)議采用了一個(gè)三態(tài)門，使得每一個(gè)設(shè)備在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)空出該數(shù)據(jù)線給其他設(shè)備。單線總線在外部需要一個(gè)上拉電阻器，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)。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。
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)可掛機(jī)額多片DS1820，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。圖3所示是DS1820 與單片機(jī)電路接線示意圖，在單線總線上必須接上拉電阻，其電阻值約為5kΩ(標(biāo)稱值可取5.1kΩ或4.7kΩ)。
圖3 多片DS1820與單片機(jī)的接線
DS1820使用注意事項(xiàng)
DS1820雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用處理器I/0端口少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意幾方面的問題:
①I/O的時(shí)序問題。較小的硬件開銷意味著相對(duì)復(fù)雜的軟件補(bǔ)償，DS1820與處理器間采用串行的數(shù)據(jù)通信，因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)尤其是設(shè)計(jì)匯編程序時(shí)要注意I/O的時(shí)序。
②寄生電源供電問題。雖然DS1820支持寄生電源工作方式，但是當(dāng)總線上所掛DS1820超過8個(gè)時(shí)，最好不采用寄生電源的供電方式、而采用電源直接供電的方式，以保證溫度測(cè)量的可靠性。
③總線上所掛DS1820數(shù)量問題。在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個(gè)時(shí)，微處理器的總線驅(qū)動(dòng)需要另外解決。
④避免總線斷線或元件接觸不好的問題。當(dāng)向傳感器發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令后，處理器還要等待DS1820的返回信號(hào)。一旦總線上的某一個(gè)元件接觸不好或斷線，就很容易造成沒有返回信號(hào)工程序會(huì)進(jìn)入死循環(huán)。因此，在進(jìn)行硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)要格外注意。
⑤提高測(cè)量分辨率問題。DS1820內(nèi)含暫存存儲(chǔ)器，共9個(gè)字節(jié)。字節(jié)0是溫度的低字節(jié)，它是以補(bǔ)碼的形式表示的。字節(jié)1表示的是符號(hào)，當(dāng)溫度為正時(shí)是00H；當(dāng)溫度為負(fù)時(shí)是11H。字節(jié)2和字節(jié)3是上下限報(bào)警值。字節(jié)4和字節(jié)5是保留字節(jié)。字節(jié)6存放計(jì)數(shù)器余值。字節(jié)7存放的是每攝氏度的計(jì)數(shù)值。字節(jié)8存放冗余校驗(yàn)碼。DS1820本身可以達(dá)到0.5℃的溫度分辨率，為了滿足高分辨率的測(cè)量需求，可以直接從暫存存儲(chǔ)器中讀數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。首先，讀取當(dāng)前溫度值，將9位數(shù)據(jù)的最低位舍棄，變成一個(gè)8位數(shù)據(jù)記為A(由字節(jié)1和字節(jié)2決定)，隨后讀取在門控周期停止后留在計(jì)數(shù)器中的殘留值(字節(jié)6)記為B，然后再讀取每一度生產(chǎn)的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)(字節(jié)7)記為C，最后用公式T=A+0.75-B/C計(jì)算實(shí)際溫度值T，可以得到0.1℃的溫度分辨率。
DS1820應(yīng)用
①高速機(jī)車軸承監(jiān)測(cè)。隨著鐵路的提速，機(jī)車速度的提高和牽引功率的增加，機(jī)車與鋼軌之間的沖擊、動(dòng)力效應(yīng)和振動(dòng)增大，必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)車行走部分的軸箱軸承、牽引電動(dòng)機(jī)軸承、抱軸承和空心軸承的發(fā)熱增多。為了保障機(jī)車的高速安全運(yùn)行，實(shí)時(shí)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。數(shù)字式智能溫度傳感器DS1820軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)可隨意增減測(cè)溫點(diǎn)數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各測(cè)點(diǎn)的溫度，超標(biāo)時(shí)可聲光報(bào)警并記錄報(bào)警信息。
圖4 DS1820的軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
②地下電纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。熱電廠地下電纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用圖5所示的分布式溫度巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有9個(gè)子站，溫度傳感器采用DS1820。可測(cè)溫度點(diǎn)位183點(diǎn)，根據(jù)方向和位置的不同分屬于兩條總線，其中一條總線帶4個(gè)子站，另一條總線帶5個(gè)子站。整個(gè)系統(tǒng)的覆蓋變徑可達(dá)1000m左右。實(shí)際運(yùn)行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠正確檢測(cè)出越限溫度，并完成所要求的其他各項(xiàng)任務(wù)，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
1：PC主站
2：通信適配器
3：子站
4：測(cè)溫點(diǎn)
圖5 地下電纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
由于DS1820具有單線掛接多個(gè)測(cè)溫元件，容易構(gòu)成多點(diǎn)測(cè)溫，在測(cè)量中又無需進(jìn)行通道切換，A/D轉(zhuǎn)換和結(jié)果修正，能夠直接讀出所測(cè)溫度。因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。在常溫測(cè)量中有較大優(yōu)勢(shì)，在工作過程控制、橋梁質(zhì)量監(jiān)測(cè)、空調(diào)系統(tǒng)、智能樓宇、糧倉、蔬菜大棚溫度控制等領(lǐng)域的溫度測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用。
