單總線(xiàn)數字溫度傳感器原理及應用

發(fā)布時(shí)間:2010-7-27 12:49    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: 單總線(xiàn) , 溫度傳感器
1 前言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)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(gè)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(xiàn)協(xié)議,即與微機接口僅需占用一個(gè)I/O端口,無(wú)需任何外部元件,直接將溫度轉化成數字信號,以9位數字碼方式串行輸出,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(xiàn),限制了單片機功能的擴展。而一線(xiàn)總線(xiàn)技術(shù)則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。一線(xiàn)總線(xiàn)技術(shù)就是在一條總線(xiàn)上僅有一個(gè)主系統和若干個(gè)從系統組成的計算機應用系統。由于總線(xiàn)上的所有器件都通過(guò)一條信號線(xiàn)傳輸信息,總線(xiàn)上的每個(gè)器件在不同的時(shí)間段驅動(dòng)總線(xiàn),這相當于把數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)合在了一起。所以整個(gè)系統要按單總線(xiàn)協(xié)議規定的時(shí)序進(jìn)行工作。為了使其它設備也能使用這條總線(xiàn),一線(xiàn)總線(xiàn)協(xié)議采用了一個(gè)三態(tài)門(mén),使得每一個(gè)設備在不傳送數據時(shí)空出該數據線(xiàn)給其它設備。一線(xiàn)總線(xiàn)在外部需要一個(gè)上拉電阻器,所以在總線(xiàn)空閑時(shí)是高電平。掛在單總線(xiàn)上的器件稱(chēng)為單總線(xiàn)器件,為了區分總線(xiàn)上的不同器件,生產(chǎn)單總線(xiàn)器件時(shí),廠(chǎng)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。這樣通過(guò)尋址就可以把每個(gè)器件識別出來(lái)。64位ROM的結構如下:開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型的編號(DS1820為10H),接著(zhù)是每個(gè)器件的唯一的序號,共有48位,最后8位是前56位的CRC校驗碼,這也是多個(gè)DS1820可以采用一線(xiàn)進(jìn)行通信的原因。

3 DS1820介紹

DS1820是美國Dallas半導體公司推出的第一片支持"一線(xiàn)總線(xiàn)"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、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn),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(xiàn)總線(xiàn)),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(xiàn)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(hù)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(diǎn)如下:硬件接口簡(jiǎn)單,性能穩定,單線(xiàn)接口,僅需一根口線(xiàn)與MCU連接無(wú)需外圍元件;由總線(xiàn)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(shí)間為200ms;用戶(hù)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(shí)使用特有的溫度測量技術(shù),其測量電路框圖如圖2所示。內部計數器對一個(gè)受溫度影響的振蕩器的脈沖計數,低溫時(shí)振蕩器的脈沖可以通過(guò)門(mén)電路,而當到達某一設置高溫時(shí),振蕩器的脈沖無(wú)法通過(guò)門(mén)電路。計數器設置為-55℃時(shí)的值,如果計數器到達0之前,門(mén)電路未關(guān)閉,則溫度寄存器的值將增加,這表示當前溫度高于-55℃。同時(shí),計數器復位在當前溫度值上,電路對振蕩器的溫度系數進(jìn)行補償,計數器重新開(kāi)始計數直到回零。如果門(mén)電路仍然未關(guān)閉,則重復以上過(guò)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含有唯一的硅串行數,所以在一條總線(xiàn)上可掛接多個(gè)DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或寫(xiě)入DS1820的信息,僅需要一根口線(xiàn)(單線(xiàn)接口)。讀寫(xiě)及溫度變換功率來(lái)源于數據總線(xiàn),總線(xiàn)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,構成多點(diǎn)溫度檢測系統而無(wú)需任何外圍硬件。對DS1820的使用,多采用單片機實(shí)現數據采集。處理時(shí),將DS1820信號線(xiàn)與單片機一位口線(xiàn)相連,單片機可掛接多片DS1820,從而實(shí)現多點(diǎn)溫度檢測系統。由于DS1820只有三個(gè)引腳,其中兩根是電源線(xiàn)VDD和GND,另外兩根用作總線(xiàn)DQ(Data In/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(jìn)行接口,從而省去了一般傳感器所必需的中間轉換環(huán)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(diǎn)溫度測試系統如圖3所示。用6只DS1820同時(shí)測控6路溫度(視實(shí)際需要還可擴展通道數)。89C52單片機P1.1口接單線(xiàn)總線(xiàn)。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DS1820的總線(xiàn)上拉。鍵盤(pán)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數碼管,它可用來(lái)顯示通道數、溫度測量值以及TH、TL的值。  

  

程序處理是整個(gè)系統的關(guān)鍵,即簡(jiǎn)潔的硬件結構是靠復雜的軟件來(lái)支持的。多個(gè)器件掛在一條總線(xiàn)上為了識別不同的器件,在程序設計過(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;數據交換命令。

需要注意的是,無(wú)論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)溫度檢測,在系統安裝及工作之前,應將主機逐個(gè)與DS1820掛接,讀出其序列號。其工作過(guò)程為:主機發(fā)出一個(gè)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(gè)脈沖(15μs),并接著(zhù)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(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的,遵循嚴格的時(shí)隙概念,因此,系統對DS1820和各種操作必須按協(xié)議進(jìn)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最低有效位(LSB),得到所測實(shí)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?紤]到DS1820測量溫度的整數部分以0.25和0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系.  


結束語(yǔ)

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(xiàn)協(xié)議及接口。一線(xiàn)器件采用單條連線(xiàn),解決了控制、通信和供電等問(wèn)題,降低了系統成本,并簡(jiǎn)化了設計,為未來(lái)傳感器的發(fā)展和應用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。
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