由单片机和多片DS1820组成的多点温度测控系统

    摘要：DS1820是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，它可以在单片机的控制下组成多点温度测量系统。文章介绍了单线数字式温度传感器DS1820的工作原理，给出了用DS1820和89C51单片机构成的单线多点温度测控系统的应用电路及软件框图。

    关键词：数字温度计  单线制  多路温控仪  单片机系统  DS1820

1 概述

DS1820是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS1820都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以使在构成大型温度测控系统时在单线上挂任意多个DS1820芯片。从DS1820读出或写入DS1820信息仅需要一根口线，共读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额处电源。DS1820能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。

2 DS1820的工作原理

DS1820采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，管脚排列如图1所示。图中GND为地，I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。VDD是外部+5V电源端，不用时应接地。NC为空脚。

图2所示为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。

2.1 寄生电源

寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容C组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时，VDD端接地，器件从单线总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。该寄生电源有两个优点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。

2.2 温度测量原理

DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术。其测量电路框图如图3所示。DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位被码形式读出，表1给出了温度和数字量的关系。

表1 DS1820温度数字对应关系表

2.3 64位激光ROM

64位ROM的结构如下：

2.4 高速暂存器

它由便笺式RAM和非易失性电擦写 EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据选写入RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式EAM点9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。暂存器的命令共6条，见表3所列。

表3 DS1820贮控制命令

在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后现用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD

2.5 告警信号

DS1820完成温度转换后，就把测得的温度值与TH、TL作比较。若T>TH或T

2.6 CRC的产生

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS1820中的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。CRC的函数表达式为：CRC=X8+X5+X3+1。此外，DS1820尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个8位CRC送给主机，以确保暂存器数据传送无误。

3 多路温度测控仪的电路设计

用单片机控制的多路测度测控仪的电路如图4所示。现用6只DS1820同时测控6路温度（视实际需要还可任意扩展通道数）。图4中采用89C51单片机，其P1.1口接单线总线。DS1820采用寄生电源供电方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内能提供足够的电流，图4中采用一个MOSFET管和89C51的H.0口来完成对DS1820的总线上拉。P1.2～P1.7口用来输出温度测控信号，经驱动器MC1413后分别驱动6只固态继电器，通过改变加热或致冷系统的工作状态，可实现对被监测系统的实时控制。

为提高系统的可靠性，该系统设计了由硬件与软件组成的“看门狗”。硬件看门狗由MAX813L及其外围电路组成，同时还具有电源监控和复位功能。P1.1定时输出喂狗，按键S1为手动复位。键盘扫描和动态扫描的显示共用一片可编程接口芯征8279，显示采用8位共阴极LED数码管，它可用来显示通道数、温度测量值以及TH、TL的值。

需要注意的是，在系统安装及工作之前应将主机逐个与DS1820挂接，以读出其序列号。其工作过程为：主机发出一个脉冲，待“0”电平大于480μs后，复位DA1820，在DS1820所发响应脉冲由主机接收后，主机再发读ROM命令代码33H，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。另外，由于DS1820单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时隙概念，因此，系统对DS1820和各种操作必须按协议进行，即：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。系统对DS1820操作的总体流程图如图5所示。