單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用

摘　要：介紹單線數(shù)字溫度傳感器DS1820的特性及工作原理，給出了DS1820與89C51單片機(jī)接口的應(yīng)用實(shí)例，以及由DS1820組成溫度檢測(cè)系統(tǒng)的方法，并給出了對(duì)DS1820進(jìn)行各種操作的軟件流程圖。

關(guān)鍵詞： 單線制（1-Wire) 時(shí)隙 A/D變換

美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS182,可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每片DS1820含有唯一的硅串行數(shù)所以在一條總線上可掛接任意多個(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。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。

本文給出了DS1820與89C51單片機(jī)接口的應(yīng)用實(shí)例和DS1820組成溫度檢測(cè)系統(tǒng)的方法，并給出了對(duì)DS1820進(jìn)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(cè)溫范圍為-55℃～75℃，精度為0.5℃

·九位溫度讀數(shù)

·A/D變換時(shí)間為200ms

·用戶自設(shè)定溫度報(bào)警上下限，其值是非易失性的

·報(bào)警搜索命令可識(shí)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(shù)據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。由圖２可知，DS1820由三個(gè)主要數(shù)字器件組成：

① 64bit閃速ROM；②溫度傳感器；③非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。64bit閃速ROM的結(jié)構(gòu)如下：

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)可掛接多片DS1820，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)對(duì)DS1820的操作以ROM命令和存儲(chǔ)器命令形式出現(xiàn)。

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(hào)，若在線DS1820多于一個(gè)，將發(fā)生沖突。

·MATCHROM命令代碼［55H］：多個(gè)DS1820在線時(shí)，可用此命令匹配一個(gè)給定序列號(hào)的DS1820，此后的命令就針對(duì)該DS1820。

·SKIPROM命令代碼［CCH］：此命令執(zhí)行后的存儲(chǔ)器操作將針對(duì)在線的所有DS1820。

·SEARCHRDH命令代碼［F0H］：用以讀出在線的DS1820的序列號(hào)。

·ALARMSEARCH命令代碼［ECH］：當(dāng)溫度值高于TH或低于TL中的數(shù)值時(shí)，此命令可以讀出報(bào)警的DS1820。

3.2 存儲(chǔ)器操作命令代碼及其含義

· WRITESCRATCHPAD命令代碼［4EH］：寫兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)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(shù)值拷貝到EERAM中，保證溫度值不丟失。

·CONVERT命令代碼［44H］：?jiǎn)?dòng)在線DS1280做溫度A/D轉(zhuǎn)換。

·RECALL EE命令代碼［B8H］：將EERAM中的數(shù)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(gè)讀數(shù)據(jù)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(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念。因此系統(tǒng)對(duì)DS1820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS1820（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。各種操作的時(shí)序圖如圖３和圖４所示。

４ 溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理及程序流程圖

溫度檢測(cè)系統(tǒng)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(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，我們用一個(gè)MOSFET管和89C51的一個(gè)I/O口（P1.0）來完成對(duì)DS1820總線的上拉。當(dāng)DS1820處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10μs。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD必須接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，為了操作方便我們用89C51的P1.1口作發(fā)送口Tx,P1.2口作接收口Rx。通過試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)此種方法可掛接DS1820數(shù)十片，距離可達(dá)到５０米，而用一個(gè)口時(shí)僅能掛接10片DS1820，距離僅為20米。同時(shí)由于讀寫在操作上是分開的故不存在信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)問題。

無論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)溫度檢測(cè)，在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機(jī)逐個(gè)與DS1820掛接，讀出其序列號(hào)。其工作過程為：主機(jī)Tx發(fā)一個(gè)脈沖，待“０”電平大于480μs后，復(fù)位DS1820，待DS1820所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機(jī)Rx接收后，主機(jī)Tx再發(fā)讀ROM命令代碼33H（低位在前），然后發(fā)一個(gè)脈沖（15μs）并接著讀取DS1820序列號(hào)的一位。用同樣方法讀取序列號(hào)的56位。對(duì)于圖５系統(tǒng)的DS1820操作的總體流程圖如圖６所示。它分三步完成：①系統(tǒng)通過反復(fù)操作，搜索DS1820序列號(hào)；②啟動(dòng)所有在線DS1820做溫度A/D變換；③逐個(gè)讀出在線DS1820變換后的溫度數(shù)據(jù)。主機(jī)啟動(dòng)溫度變換并讀取溫度值的詳細(xì)流程圖如圖７所示；主機(jī)寫入存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)詳細(xì)流程圖如８所示。當(dāng)有更多的檢測(cè)點(diǎn)需要測(cè)溫時(shí)，可利用89C51的其它口進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，也可利用89C51的串行通信口（RXD，TXD）與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，從而構(gòu)成微機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)網(wǎng)。