单线数字温度传感器的原理与应用

    摘　要：介绍单线数字温度传感器DS1820的特性及工作原理，给出了DS1820与89C51单片机接口的应用实例，以及由DS1820组成温度检测系统的方法，并给出了对DS1820进行各种操作的软件流程图。

    关键词： 单线制（1-Wire) 时隙 A/D变换    

    美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS182,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的硅串行数所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。

    本文给出了DS1820与89C51单片机接口的应用实例和DS1820组成温度检测系统的方法，并给出了对DS1820进行各种操作的软件流程图。

    １ DS1820的特性

    ·单线接口：仅需一根口线与MCU连接

    ·无需外围元件

    ·由总线提供电源

    ·测温范围为-55℃～75℃，精度为0.5℃

    ·九位温度读数

    ·A/D变换时间为200ms

    ·用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性的

    ·报警搜索命令可识别哪片DS1820超温度限

    ２ DS1820引脚及功能

    DS1820的引脚见图１（PR35封装）。

    GND：地；

    DQ：数据输入／输出脚（单线接口，可作寄生供电）；

    VDD：电源电压。

    ３ DS1820的工作原理

    DS1820的内部结构如图２所示。由图２可知，DS1820由三个主要数字器件组成：

    ① 64bit闪速ROM；②温度传感器；③非易失性温度报警触发器TH和TL。64bit闪速ROM的结构如下：

    它既可寄生供电也可由外部５Ｖ电源供电。在寄生供电情况下，当总线为高电平时，DS1820从总线上获得能量并储存在内部电容上当总线为低电平时，由电容向DS1820供电。

   DS1820的测温原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55℃时的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度表示值为9bit，高位为符号位，其结构如下：

    对DS1820的使用，多采用单片机实现数据采集。处理时，将DS1820信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS1820，从而实现多点温度检测系统。

    系统对DS1820的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。

    3.1 ROM命令代码及其含义

    ·READROM命令代码［33H］：如果只有一片DS1820，可用此命令读出其序列号，若在线DS1820多于一个，将发生冲突。

    ·MATCHROM命令代码［55H］：多个DS1820在线时，可用此命令匹配一个给定序列号的DS1820，此后的命令就针对该DS1820。

    ·SKIPROM命令代码［CCH］：此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820。

    ·SEARCHRDH命令代码［F0H］：用以读出在线的DS1820的序列号。

    ·ALARMSEARCH命令代码［ECH］：当温度值高于TH或低于TL中的数值时，此命令可以读出报警的DS1820。

    3.2 存储器操作命令代码及其含义

    · WRITESCRATCHPAD命令代码［4EH］：写两个字节的数据到温度寄存器。

    · READSCRATCHPAD命令代码[BEH]：读取温度寄存器的温度值。

    ·COPYSCRATCHPAD命令代码［48H］：将温度寄存器的数值拷贝到EERAM中，保证温度值不丢失。

    ·CONVERT命令代码［44H］：启动在线DS1280做温度A/D转换。

    ·RECALL EE命令代码［B8H］：将EERAM中的数值拷贝到温度寄存器中。

    ·READPOWERSUPPLY命令代码［B4H］：在本命令送到DS1280之后的每一个读数据间隙，指出电源模式：“0”为寄生电源；“1”为外部电源。

    DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS1820（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。各种操作的时序图如图３和图４所示。

    ４ 温度检测系统原理及程序流程图

    温度检测系统原理图如图５所示，采用寄生电源供电方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的电流，我们用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P1.0）来完成对DS1820总线的上拉。当DS1820处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发送口Tx,P1.2口作接收口Rx。通过试验我们发现此种方法可挂接DS1820数十片，距离可达到５０米，而用一个口时仅能挂接10片DS1820，距离仅为20米。同时由于读写在操作上是分开的故不存在信号竞争问题。

    无论是单点还是多点温度检测，在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS1820挂接，读出其序列号。其工作过程为：主机Tx发一个脉冲，待“０”电平大于480μs后，复位DS1820，待DS1820所发响应脉冲由主机Rx接收后，主机Tx再发读ROM命令代码33H（低位在前），然后发一个脉冲（15μs）并接着读取DS1820序列号的一位。用同样方法读取序列号的56位。对于图５系统的DS1820操作的总体流程图如图６所示。它分三步完成：①系统通过反复操作，搜索DS1820序列号；②启动所有在线DS1820做温度A/D变换；③逐个读出在线DS1820变换后的温度数据。主机启动温度变换并读取温度值的详细流程图如图７所示；主机写入存储器数据详细流程图如８所示。当有更多的检测点需要测温时，可利用89C51的其它口进行扩展。同时，也可利用89C51的串行通信口（RXD，TXD）与上位计算机进行通信，从而构成微机温度测量系统网。