《自动检测技术及仪表》
课程设计报告
题目:单总线数字温度传感器及其应用
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摘要
介绍了单总线数字温度传感器DS1820的内部结构，工作原理、测量电路原理图、特性等，DSl820是由美国DALLAS公司提供的一种单总线系统的数字温度传感器，它可提供二进制9位温度信息，分辨率为0．5℃，可在一55℃～+125℃的范围内测量温度。从中央处理器到DSl820仅需连接一条信号线和地线，其指令信息和数据信息都经过单总线接口与DSl820进行数据交换。DSl820完成读、写和温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，也可以由外部供给。并且，每个DSl820有唯一的系列号，因此同一条单总线上可以挂接多个DSl820，构成主从结构的多点测温传感器网络。此特性可普遍应用在包括环境监测、建筑物和设备内的温度场测量，以及过程监视和控制中的温度检测中。○1
一、单总线数字温度传感器的内部结构
DSl820内部框图如图l所示○2。主要包括7部分：(1)64位光刻ROM 与单线接口；(2)温度传感器；(3)寄生电源；(4)温度报警触发器TH 和TL，分别用来存储用户设定的温度上、下限；(5)高速暂存器，即便笺式RAM，用于存放中间数据；(6)存储与控制逻辑；(7)8位循环冗余校验码(CRC)。
图1 DS1820内部结构
二、单总线数字温度传感器的工作原理
该器件可以从单总线上得到能量并储存在内部电容中，该能量是当信号线处于低电平期间消耗，在信号线为高电平时能量得到补充，这种供电方式称为寄生电源供电。DSl820也可以由3—5.5V的外部电源供电。
每一片DSl820都有64位长的惟一ROM码。第一个八位为单总线器件识别码(DSl820为28h)，接下来48位是器件的惟一系列码，最后八位是前56位的CRC校验码。CRC校验码按下列多项式计算:
DSl820内有一个能直接转化为数字量的温度传感器，其分辨率为9，lO，ll，12bit可编程，通过设置内部配置寄存器来选择温度的转换精度，出厂时默认设置为12bit。温度的转换精度有O．5℃、O．25℃、O．125℃、O．0625℃。温度转换后以16bit格式存入便笺式RAM，可以用读便笺式RAM命令(BEH)通过1一Wire接口读取温度信息，数据传
输时低位在前。内部温度数据格式如图2。
图2 温度数据格式
DSl820内部存储器均为八位，共有9个便笺式RAM，以及3个为EEPROM，用于长时间保存高低温报警温度设置值和配置寄存器的值。用拷贝便笺式RAM命令写EEPROM，当上电复位时EEPROM的内容传送到便笺式RAM中高低温报警温度寄存器和配置寄存器，图3为DS1820的存储体结构。
图3 存储器结构
三、单总线数字温度传感器性能特点
温度传感器DSl820有如下特点○3：
(1)数据传输采用单总线(1一Wire Bus)结构，无需外围其它元件；
(2)能应用在分布式测量系统中；
(3)温度输出为9bit～12bit可编程；
(4)测温范围为一55℃～+125℃，在一lO℃～85℃时精度为±0．5℃；
(5)输出分辨率为12bit时最大的转换时间为750ms；
(6)具有可编程的温度报警功能；
(7)具有可靠的CRC数据传输校验功能；
(8)电源电压范围为3—5.5V；
(9)低功耗，无外部供电电源也能可靠工作。
四、DSl820的温度测量原理
DSl820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4所示。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。计数器设置为一55℃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。
图4 DS1820测温原理框图
五、DSl820高分辨率温度数据的获取
DS1820的温度测量值最高分辨率在许多情况下不能满足精确控温和显示的需要。DS1820提供了一种获取更高分辨率的方法。在DS1820的高速暂存存储器中存放有以下数据如表1所示。这些数据均可通过发存储器命令（BEH）单线逐位读出。其中第一个字节为分辨率0.5℃的温度值代码，将最低位（小数位）去掉，其余7位为温度的整数值代码，记为T1。第二个字节为符号位。第三、四字节分别为温度上限和下限。第五、六字节为保留位。第七字节为剩余计数值，记为TR。第八字节为每度计数值，记为TP。最后一个字节是CRC冗余校验码。分辨率达0.1℃或更高的高分辨率温度值可由如下DS1820数据册所提供的公式计算得到。
高分辨率温度值=TR-0.25+（TP-TR）/TP○4
表1 暂存存储器内容
六、DS1820应用实例：用单片机AT89S52对DS1820的编程实现温度测量
1.系统硬件组成
基于DS18B20构成的单总线数字温度计主要由单总线数字温度感器DS1820、单片机AT89S52、显示模块和电源模块等4部分组成，如图5所示。该测温系统的主要技术指标为：
测量范围／℃：一55.0—+125.0
测量精度／℃：O.5、O.25、0.125和O.0625(四档可通过软件设定寄存器改变)
反应时间／s：≤1.5
图5 系统结构图
2.DS1820与单片机接口的设计
DS1820与单片机的硬件连接有两种方法：一是Vcc接外部电源，GND 接地，I／O与单片机的I／O线相连；二是用寄生电源供电，此时UDD 和GND按地，I／O接单片机I／O。无论是哪种供电方式，I／O接口线都要接4.7kΩ左右的上拉电阻。图6给出了DS1820与微处理器的典型连接。图6(a)中．DS1820采用寄生电源方式，其VDD和GNG端均接地，图6(b)中，DS1820采用外接电源方式，其VDD端接3～5.5V电源供电。本系统采用图6(b)所示接线方式，即外接电源工作方式。
图6 DS1820与微处理器的两种接口连接
