單線數字溫度傳感器的原理與應用

分類：解決方案日期：2009-06-08 11:03:26 來源：

　　摘　要：介紹單線數字溫度傳感器 DS1820的特性及工作原理，給出了DS1820與89C51單片機接口的應用實例，以及由DS1820組成溫度檢測系統的方法，并給出了對DS1820進行各種操作的軟件流程圖。

美國DALLAS公司生產的單線數字溫度傳感器DS182,可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供微機處理。由于每片DS1820含有唯一的硅串行數所以在一條總線上可掛接任意多個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提供九位溫度讀數，構成多點溫度檢測系統而無需任何外圍硬件。

本文給出了DS1820與89C51單片機接口的應用實例和DS1820組成溫度檢測系統的方法，并給出了對DS1820進行各種操作的軟件流程圖。

　　1. DS1820的特性

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℃
九位溫度讀數
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哪片DS1820超溫度限
2 DS1820引腳及功能
DS1820的引腳見圖１（PR35封裝）。
GND：地；
DQ：數據輸入／輸出腳（單線接口，可作寄生供電）；
VDD：電源電壓。
3 DS1820的工作原理
DS1820的內部結構如圖２所示。由圖２可知，DS1820由三個主要數字器件組成：
① 64bit閃速ROM；②溫度傳感器；③非易失性溫度報警觸發器TH和TL。64bit閃速ROM的結構如下：

它既可寄生供電也可由外部５Ｖ電源供電。在寄生供電情況下，當總線為高電平時，DS1820從總線上獲得能量并儲存在內部電容上當總線為低電平時，由電容向DS1820供電。
DS1820的測溫原理：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，其結構如下：

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。
系統對DS1820的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現。
3.1 ROM命令代碼及其含義
READROM命令代碼［33H］：如果只有一片DS1820，可用此命令讀出其序列號，若在線DS1820多于一個，將發生沖突。
MATCHROM命令代碼［55H］：多個DS1820在線時，可用此命令匹配一個給定序列號的DS1820，此后的命令就針對該DS1820。
SKIPROM命令代碼［CCH］：此命令執行后的存儲器操作將針對在線的所有DS1820。
SEARCHRDH命令代碼［F0H］：用以讀出在線的DS1820的序列號。
ALARMSEARCH命令代碼［ECH］：當溫度值高于TH或低于TL中的數值時，此命令可以讀出報警的DS1820。
3.2 存儲器操作命令代碼及其含義
WRITESCRATCHPAD命令代碼［4EH］：寫兩個字節的數據到溫度寄存器。
READSCRATCHPAD命令代碼[BEH]：讀取溫度寄存器的溫度值。
COPYSCRATCHPAD命令代碼［48H］：將溫度寄存器的數值拷貝到EERAM中，保證溫度值不丟失。
CONVERT命令代碼［44H］：啟動在線DS1280做溫度A/D轉換。
RECALL EE命令代碼［B8H］：將EERAM中的數值拷貝到溫度寄存器中。

·READPOWERSUPPLY命令代碼［B4H］：在本命令送到DS1280之后的每一個讀數據間隙，指出電源模式：“0”為寄生電源；“1”為外部電源。
DS1820單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念。因此系統對DS1820的各種操作必須按協議進行。操作協議為：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。各種操作的時序圖如圖３和圖４所示。
4 溫度檢測系統原理及程序流程圖

溫度檢測系統原理圖如圖5所示，采用寄生電源供電方式。為保證在有效的 DS1820時鐘周期內，提供足夠的電流，我們用一個MOSFET管和89C51的一個I/O口（P1.0）來完成對DS1820總線的上拉。當DS1820處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs。采用寄生電源供電方式時VDD必須接地。由于單線制只有一根線，因此發送接收口必須是三態的，為了操作方便我們用89C51的P1.1口作發送口Tx,P1.2口作接收口Rx。通過試驗我們發現此種方法可掛接DS1820數十片，距離可達到50米，而用一個口時僅能掛接10片DS1820，距離僅為20米。同時由于讀寫在操作上是分開的故不存在信號競爭問題。
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Tx發一個脈沖，待“0”電平大于480μs后，復位DS1820，待DS1820所發響應脈沖由主機Rx接收后，主機Tx再發讀ROM命令代碼33H（低位在前），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。對于圖５系統的DS1820操作的總體流程圖如圖６所示。它分三步完成：①系統通過反復操作，搜索DS1820序列號；②啟動所有在線DS1820做溫度A/D變換；③逐個讀出在線DS1820變換后的溫度數據。主機啟動溫度變換并讀取溫度值的詳細流程圖如圖７所示；主機寫入存儲器數據詳細流程圖如８所示。當有更多的檢測點需要測溫時，可利用89C51的其它口進行擴展。同時，也可利用89C51的串行通信口（RXD，TXD）與上位計算機進行通信，從而構成微機溫度測量系統網。