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DS1820及其高精度溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)
2014-11-13
在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問(wèn)題、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問(wèn)題等技術(shù)問(wèn)題才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。我們?cè)跒槟乘娬鹃_(kāi)發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)為了克服上面提到的三個(gè)問(wèn)題采用了新型數(shù)字溫度傳感器DS1820在對(duì)其測(cè)溫原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上提出了提高DS1820測(cè)量精度的方法，使DS1820的測(cè)量精度由0.5℃提高到0.1℃以上取得了良好的測(cè)溫效果。
１ DS1820簡(jiǎn)介
DS1820是美國(guó)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(zhuān)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(dú)特的單線接口方式DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。
（2）DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)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(cè)溫分辨率0.5℃。
（5）測(cè)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(cè)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(hào)送給計(jì)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(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1 計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)停止溫度寄存器值的累加此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖2中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。
在正常測(cè)溫情況下DS1820的測(cè)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(jìn)行0.25℃比較當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25℃時(shí)清除溫度寄存器的最低位（LSB）當(dāng)計(jì)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(duì)應(yīng)的9位數(shù)據(jù)格式如下：
2 提高DS1820測(cè)溫精度的途徑
2.1 DS1820高精度測(cè)溫的理論依據(jù)
DS1820正常使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為0.5℃這對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度監(jiān)測(cè)來(lái)講略顯不足在對(duì)DS1820測(cè)溫原理詳細(xì)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(cè)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(shí)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值第8字節(jié)存放的是每度所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值這樣我們就可以通過(guò)下面的方法獲得高分辨率的溫度測(cè)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(cè)量結(jié)果，超聲波測(cè)厚儀然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位(LSB)得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值M剩余和每度計(jì)數(shù)值M每度考慮到DS1820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系實(shí)際溫度T實(shí)際可用下式計(jì)算得到：
T實(shí)際=(T整數(shù)－0.25℃)+(M每度－M剩余)/M每度
2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)比較
表2為采用直接讀取測(cè)溫結(jié)果方法和采用計(jì)算方法得到的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)比較通過(guò)比較可以看出計(jì)算方法在DS1820測(cè)溫中不僅是可行的也可以大大的提高DS1820的測(cè)溫分辨率。
３ DS1820使用中注意事項(xiàng)
DS1820雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題：
(1)較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送因此在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)DS1820操作部分最好采用匯編語(yǔ)言實(shí)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(wèn)題容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS1820在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過(guò)8個(gè)時(shí)就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。
(3)連接DS1820的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí)讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)正常通訊距離可達(dá)150m當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻摹Ｒ虼嗽谟肈S1820進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。
(4)在DS1820測(cè)溫程序設(shè)計(jì)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(hào)一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)將沒(méi)有返回信號(hào)程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。
１ DS1820簡(jiǎn)介
DS1820是美國(guó)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(zhuān)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(dú)特的單線接口方式DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。
（2）DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)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(cè)溫分辨率0.5℃。
（5）測(cè)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(cè)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(hào)送給計(jì)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(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1 計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)停止溫度寄存器值的累加此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖2中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。 在正常測(cè)溫情況下DS1820的測(cè)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(jìn)行0.25℃比較當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25℃時(shí)清除溫度寄存器的最低位（LSB）當(dāng)計(jì)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(duì)應(yīng)的9位數(shù)據(jù)格式如下：2 提高DS1820測(cè)溫精度的途徑
2.1 DS1820高精度測(cè)溫的理論依據(jù)
DS1820正常使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為0.5℃這對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度監(jiān)測(cè)來(lái)講略顯不足在對(duì)DS1820測(cè)溫原理詳細(xì)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(cè)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(shí)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值第8字節(jié)存放的是每度所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值這樣我們就可以通過(guò)下面的方法獲得高分辨率的溫度測(cè)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(cè)量結(jié)果，超聲波測(cè)厚儀然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位(LSB)得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值M剩余和每度計(jì)數(shù)值M每度考慮到DS1820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系實(shí)際溫度T實(shí)際可用下式計(jì)算得到：
T實(shí)際=(T整數(shù)－0.25℃)+(M每度－M剩余)/M每度
2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)比較
表2為采用直接讀取測(cè)溫結(jié)果方法和采用計(jì)算方法得到的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)比較通過(guò)比較可以看出計(jì)算方法在DS1820測(cè)溫中不僅是可行的也可以大大的提高DS1820的測(cè)溫分辨率。
３ DS1820使用中注意事項(xiàng)
DS1820雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題：
(1)較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送因此在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)DS1820操作部分最好采用匯編語(yǔ)言實(shí)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(wèn)題容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS1820在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過(guò)8個(gè)時(shí)就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。
(3)連接DS1820的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí)讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)正常通訊距離可達(dá)150m當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻摹Ｒ虼嗽谟肈S1820進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。
(4)在DS1820測(cè)溫程序設(shè)計(jì)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(hào)一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)將沒(méi)有返回信號(hào)程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。
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