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DS1820及其高精度溫度測量的實現(xiàn)
2014-11-13
在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術(shù)問題才能夠達到較高的測量精度。我們在為某水電站開發(fā)水輪發(fā)電機組軸瓦溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)時為了克服上面提到的三個問題采用了新型數(shù)字溫度傳感器DS1820在對其測溫原理進行詳細分析的基礎(chǔ)上提出了提高DS1820測量精度的方法，使DS1820的測量精度由0.5℃提高到0.1℃以上取得了良好的測溫效果。
�。� DS1820簡介
DS1820是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。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)。與其它溫度傳感器相比DS1820具有以下特性：
�。�1）獨特的單線接口方式DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。
�。�2）DS1820支持多點組網(wǎng)功能多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上實現(xiàn)多點測溫。
（3）DS1820在使用中不需要任何外圍元件。
�。�4）溫范圍－55℃～＋125℃固有測溫分辨率0.5℃。
�。�5）測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
DS1820測溫原理如圖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產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1 計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時停止溫度寄存器值的累加此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。
在正常測溫情況下DS1820的測溫分辯率為0.5℃以9位數(shù)據(jù)格式表示其中最低有效位（LSB）由比較器進行0.25℃比較當(dāng)計數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25℃時清除溫度寄存器的最低位（LSB）當(dāng)計數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后高于0.25℃置位溫度寄存器的最低位（LSB）如－25.5℃對應(yīng)的9位數(shù)據(jù)格式如下：
2 提高DS1820測溫精度的途徑
2.1 DS1820高精度測溫的理論依據(jù)
DS1820正常使用時的測溫分辨率為0.5℃這對于水輪發(fā)電機組軸瓦溫度監(jiān)測來講略顯不足在對DS1820測溫原理詳細分析的基礎(chǔ)上我們采取直接讀取DS1820內(nèi)部暫存寄存器的方法將DS1820的測溫分辨率提高到0.1℃～0.01℃．
DS1820內(nèi)部暫存寄存器的分布如表1所示其中第7字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時計數(shù)器1的計數(shù)剩余值第8字節(jié)存放的是每度所對應(yīng)的計數(shù)值這樣我們就可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果。首先用DS1820提供的讀暫存寄存器指令(BEH)讀出以0.5℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，超聲波測厚儀然后切去測量結(jié)果中的最低有效位(LSB)得到所測實際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值M剩余和每度計數(shù)值M每度考慮到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進位界限的關(guān)系實際溫度T實際可用下式計算得到：
T實際=(T整數(shù)－0.25℃)+(M每度－M剩余)/M每度
2.2 測量數(shù)據(jù)比較
表2為采用直接讀取測溫結(jié)果方法和采用計算方法得到的測溫數(shù)據(jù)比較通過比較可以看出計算方法在DS1820測溫中不僅是可行的也可以大大的提高DS1820的測溫分辨率。
３ DS1820使用中注意事項
DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：
(1)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送因此在對DS1820進行讀寫編程時必須嚴格的保證讀寫時序否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。
(2)在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個時就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。
(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離可達150m當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。
(4)在DS1820測溫程序設(shè)計中向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后程序總要等待DS1820的返回信號一旦某個DS1820接觸不好或斷線當(dāng)程序讀該DS1820時將沒有返回信號程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。
�。� DS1820簡介
DS1820是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。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)。與其它溫度傳感器相比DS1820具有以下特性：
�。�1）獨特的單線接口方式DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。
�。�2）DS1820支持多點組網(wǎng)功能多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上實現(xiàn)多點測溫。
（3）DS1820在使用中不需要任何外圍元件。
�。�4）溫范圍－55℃～＋125℃固有測溫分辨率0.5℃。
�。�5）測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
DS1820測溫原理如圖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產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1 計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時停止溫度寄存器值的累加此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。 在正常測溫情況下DS1820的測溫分辯率為0.5℃以9位數(shù)據(jù)格式表示其中最低有效位（LSB）由比較器進行0.25℃比較當(dāng)計數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25℃時清除溫度寄存器的最低位（LSB）當(dāng)計數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后高于0.25℃置位溫度寄存器的最低位（LSB）如－25.5℃對應(yīng)的9位數(shù)據(jù)格式如下：2 提高DS1820測溫精度的途徑
2.1 DS1820高精度測溫的理論依據(jù)
DS1820正常使用時的測溫分辨率為0.5℃這對于水輪發(fā)電機組軸瓦溫度監(jiān)測來講略顯不足在對DS1820測溫原理詳細分析的基礎(chǔ)上我們采取直接讀取DS1820內(nèi)部暫存寄存器的方法將DS1820的測溫分辨率提高到0.1℃～0.01℃．
DS1820內(nèi)部暫存寄存器的分布如表1所示其中第7字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時計數(shù)器1的計數(shù)剩余值第8字節(jié)存放的是每度所對應(yīng)的計數(shù)值這樣我們就可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果。首先用DS1820提供的讀暫存寄存器指令(BEH)讀出以0.5℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，超聲波測厚儀然后切去測量結(jié)果中的最低有效位(LSB)得到所測實際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值M剩余和每度計數(shù)值M每度考慮到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進位界限的關(guān)系實際溫度T實際可用下式計算得到：
T實際=(T整數(shù)－0.25℃)+(M每度－M剩余)/M每度
2.2 測量數(shù)據(jù)比較
表2為采用直接讀取測溫結(jié)果方法和采用計算方法得到的測溫數(shù)據(jù)比較通過比較可以看出計算方法在DS1820測溫中不僅是可行的也可以大大的提高DS1820的測溫分辨率。
３ DS1820使用中注意事項
DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：
(1)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送因此在對DS1820進行讀寫編程時必須嚴格的保證讀寫時序否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。
(2)在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個時就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。
(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離可達150m當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。
(4)在DS1820測溫程序設(shè)計中向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后程序總要等待DS1820的返回信號一旦某個DS1820接觸不好或斷線當(dāng)程序讀該DS1820時將沒有返回信號程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。
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