基于一線總線的溫濕度傳感器設計

摘 要：采用Honeywell公司相對濕度傳感器HIH3610，配合DALLAS公司一線總線器件DS2438設計出一種完全符合一線總線規范的溫濕度傳感器。文中對傳感器結構進行了詳盡的闡述。
關鍵詞：一線總線；溫濕度傳感器；計算機測量
一 、概述
由傳統的溫濕度傳感器構成的計算機溫濕度測控系統，需要使用電源、信號、地線等多根導線，并要求系統為其提供電源和模擬量輸入接口，同時對信號傳輸距離、電磁干擾也要求較為嚴格，尤其是在測量點數較多時，上述問題顯得尤為突出，這不僅使系統成本增加，也使系統可靠性大為降低。而如果沿著電纜線也能傳送電源的話，那么就可替代外部電源來為系統供電。一種巧妙的、從數據線上“竊電”的方法，使得多個器件可掛接在同一根電纜線上，并雙向傳送數據，同時為器件提供電源，這就是單總線微網技術。這種方法不僅節省了額外的連線和遠端電源，有效地降低了成本，更有意義的是單總線上掛接的器件具有全球唯一的序列號，和自定時控制器，因此簡化了溫濕度測控系統設計。
目前DALLAS公司提供了多種一線總線溫度傳感器，如DS1820、DS18B20、DS18S20等，采用上述器件并利用單總線微網技術，可輕松構成全數字化的萬點測溫系統。但對于濕度的測量，DALLAS公司并未提供相應的傳感器，這就給利用單總線微網技術測量溫濕度帶來不便，針對這種情況，我們采用Honeywell公司相對濕度傳感器HIH-3610，配合DALLAS公司一線總線器件DS2438設計出一種完全符合一線總線規范的溫濕度傳感器，可直接掛接在一線總線上，構成一線總線溫濕度測控系統。
二、一線總線溫濕度傳感器結構
掛在一線總線上的器件必須滿足以下幾方面的要求：
1、低功耗：一線總線的電源通常由一個連接于3V～5.5V電源端的4.7kW上拉電阻提供，其提供的電源能量是非常有限的，故要求一線總線器件必須滿足低功耗的特性。
2、具有唯一的身份碼：一線總線是通過身份碼來識別掛在同一總線上的不同器件的，因此要求每個一線總線器件均具有全球唯一的64位ROM識別碼。
3、必須滿足一線總線器件的時序要求。

根據上述對一線總線器件的要求設計出的一線總線溫濕度傳感器如圖1所示。這里選用了具有功耗低特性的HIH-3610濕度傳感器，以滿足一線總線對低功耗的要求，選用了一線總線器件DS2438以滿足身份碼及時序要求，下面對上述器件予以詳細介紹。
三、HIH-3610集成濕度傳感器
HIH-3610是美國Honeywell公司生產的相對濕度傳感器，該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時在內部集成了信號處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉換成線性電壓輸出的任務，同時該傳感器還具有精度高、響應快速、高穩定性、低溫漂、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優點，其性能指標如表1所示，輸出電壓與相對濕度的關系曲線如圖2所示。

即輸出電壓不僅正比于濕度測量值，且與電源電壓值有關，若固定為5V，則其值僅由相對溫度值決定，但由于一線總線上的供電電壓值為變量，故要求在進行濕度測量的同時還應測量電源電壓的值。
3、HIH-3610測量的濕度值還與環境溫度有關，故應進行溫度補償，補償公式為：式中：T為環境攝氏溫度值。
因此，為得到準確的濕度測量值，還應在測量濕度的同時測量環境溫度和一線總線電源電壓值。
四、一線總線器件DS2438
為實現上述參數的計算機測量，要求所選用的器件不僅能完成溫度、濕度和電壓值的測量，還應滿足一線總線對器件身份碼及時序的要求，因此只有選用一線總線器件才能同時滿足上述要求。若選用DS2450一線總線A/D轉換器，并配合一線總線數字溫度傳感器DS1820，雖可完成溫濕度測量功能，但會增加傳感器的軟件硬件復雜程度，故這里選用DALLAS公司的智能電池監視器件DS2438，該器件主要特性如下：
一線總線接口，只有一根信號線與CPU連接；
無需備份電源，可用數據線供電；
片內10位精度的電壓ADC，（0～10V輸入10位，0～5V輸入9位）；
片內10位精度的電流ADC（帶符號）；
片內13位精度的溫度傳感器；
溫度測量范圍-55℃～125℃，測量精度為±0.5℃；
片內40Byte的E2PROM，可用于保存電池參數、充電時間；
片內實時時鐘；
64Bit ID ROM。
由上述特性可知DS2438硬件資源有2 個ADC和一個溫度傳感器，電壓ADC對0~10V輸入信號實現10位變換或通過內部多路開關對0~5V輸入信號實現9位變換，用來讀取加在電源引腳上的電壓。電流ADC用來測量大電池電流流經外部0.05W電阻時產生的電壓，具有帶符號的10位精度，全量程電壓為±250mV。DS2438還有一個類似于DS18B20的13位溫度傳感器，其測溫精度為±0.5℃，除此之外該器件還具有實時時鐘功能及提供了40字節非易失性存儲器。由上述介紹可知，DS2438較多的硬件資源，恰好可滿足本設計中溫濕度測量的需要。
本系統利用DS2438內部的溫度傳感器實現環境溫度的測量，此溫度一方面由于溫度值輸出，另一方面用于濕度測量時溫度值的補償。然后利用DS2438內部的電壓ADC，通過多路開關切換分別得到濕度測量值和濕度測量時一線總線的電壓值。這樣，通過DS2438可獲得溫濕度測量值及溫度補償值。
此外，利用DS2438內部的E2PROM可存儲溫度傳感器HIH3610的標定技術參數，如型號、件號、卷宗、流水號，5V電壓下的標定值、精度等，由此可知，選用DS2438使傳感器的軟硬件設計得到簡化。
五、供電電路
由圖1可見，使用DS2438可方便地把一個電壓輸出的濕度傳感器轉換成智能化的具備多點測量功能的一線總線溫濕度傳感器。此外由于需從一線總線上獲取電源提供給DS2438和HIH3610，故還應設計相應的電源電路。電源電路由VD1、VD2及電容C1構成，其中肖特基二極管BAT54S和電容C1構成半波整流電路，在總線空閑時為DS2438供電，C1為 0.1mF的容量足以滿足HIH3610所需的200mA工作電流，這實際上也是一線總線器件內部所采用的寄生供電方式，只是在本系統中用分立器件方式實現。肖特基二極管VD2接在一線總線與地線之間，目的是將負向信號偏移限制在-40V以內以實現電路的保護功能。
六、結束語
本文根據一線總線規范設計出一種一線總線溫濕度傳感器，一線總線主機可根據讀取的濕度值、溫度值及電壓值經計算后得到實際的濕度值，同時可利用存儲在DS2438 E2PROM中的傳感器標定參數對傳感器輸出值進行修正，以減少傳感器標識誤差。因此本傳感器具有較高的智能化程度和測量精度。同時由于每個傳感器均掛在一條總線上，從而大大減少了布線及安裝費用，使采用單總線微網技術構成的多點溫濕度測量系統成為可能，因而具有廣泛的應用前景。