智能溫度傳感器是在半導(dǎo)體集成溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其主要優(yōu)點是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測溫度；能夠遠程傳輸數(shù)據(jù)；用戶可設(shè)定溫度上、下限，有越限自動報警功能；自帶總線接口，適配各種微處理器和單片機，便于開發(fā)具有一定智能功能的溫度測控系統(tǒng)。其中，DS1820就是典型的智能溫度傳感器。
DS1820基本特性
DS1820是美國生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器。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)。因體積小、轉(zhuǎn)換快、分辨率高、數(shù)字量傳輸?shù)龋蛊?/span>在多點測溫、智能溫度檢測系統(tǒng)中應(yīng)用。與其他溫度傳感器相比，DS1820具有以下特點：
①獨特的單線接口方式，DS8120在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通信。
②DS1820支持多點組網(wǎng)功能，一條總線上可以掛多片DS1820，最多可達248只。
③DS1820在使用中不需要任何外圍元件。
④測溫范圍為-55~125℃，固有測溫分辨率為0.5℃。若采用高分辨率模式，分辨率可達0.1℃。溫度/數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間的典型值為220ms，最大值為500ms。
⑤測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
DS1820工作原理
DS1820的內(nèi)部框圖如圖1所示，它包括三個主要的數(shù)據(jù)部件：64為ROM；溫度傳感器；溫度報警觸發(fā)器TH和TL。
說明：
1：電源檢測 2：64位ROM與單線接口
3：存儲器與控制邏輯 4：便箋式RAM
5：溫度傳感器 6：高溫觸發(fā)器TH
7：低溫觸發(fā)器TL 8：8位CRC發(fā)生器
圖1 DS1820內(nèi)部框圖
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，用于生產(chǎn)固定頻率的脈沖信號，其輸出給計數(shù)器1.高溫系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化，所產(chǎn)生的信號反映被測溫度，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)上。計數(shù)器1對低溫系數(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。圖中的斜率累加計數(shù)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)設(shè)值。
說明
1：預(yù)設(shè)計數(shù)器 2：斜率累加計數(shù)器
3：低溫度系數(shù)振蕩器 4：減法計數(shù)器
5：計數(shù)比較器 6：預(yù)置計數(shù)器
7：減到零 8：溫度寄存器
9：高溫度系數(shù)振蕩器 10：減法計數(shù)器
11：減到零 12：增加
13：停止 14：設(shè)置/清除最低有效位
圖2 DS1820內(nèi)部測溫電路框圖
DS1820屬于“單線-總線”技術(shù)芯片，所謂單線總線技術(shù)就是在一條總線上僅有一個主系統(tǒng)和若干個從系統(tǒng)組成的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。由于總線上的所有器件在不同的時間段驅(qū)動總線，這相當(dāng)于把數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線合在一起。所以整個系統(tǒng)要按單總線協(xié)議規(guī)定的時序進行工作。為了使其他設(shè)備也能使用這條總線，單線總線協(xié)議采用了一個三態(tài)門，使得每一個設(shè)備在不傳輸數(shù)據(jù)時空出該數(shù)據(jù)線給其他設(shè)備。單線總線在外部需要一個上拉電阻器，所以在一條總線上可掛接多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根口線(單線接口)。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。
對DS1820的使用，多采用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時將DS1820信號線與單片機一位口線相連，單片機可掛機額多片DS1820，從而實現(xiàn)多點溫度檢測系統(tǒng)。圖3所示是DS1820 與單片機電路接線示意圖，在單線總線上必須接上拉電阻，其電阻值約為5kΩ(標稱值可取5.1kΩ或4.7kΩ)。
圖3 多片DS1820與單片機的接線
DS1820使用注意事項
DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用處理器I/0端口少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意幾方面的問題:
①I/O的時序問題。較小的硬件開銷意味著相對復(fù)雜的軟件補償，DS1820與處理器間采用串行的數(shù)據(jù)通信，因此，在進行軟件設(shè)計時尤其是設(shè)計匯編程序時要注意I/O的時序。
②寄生電源供電問題。雖然DS1820支持寄生電源工作方式，但是當(dāng)總線上所掛DS1820超過8個時，最好不采用寄生電源的供電方式、而采用電源直接供電的方式，以保證溫度測量的可靠性。
③總線上所掛DS1820數(shù)量問題。在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個時，微處理器的總線驅(qū)動需要另外解決。
④避免總線斷線或元件接觸不好的問題。當(dāng)向傳感器發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令后，處理器還要等待DS1820的返回信號。一旦總線上的某一個元件接觸不好或斷線，就很容易造成沒有返回信號工程序會進入死循環(huán)。因此，在進行硬件連接和軟件設(shè)計時要格外注意。
⑤提高測量分辨率問題。DS1820內(nèi)含暫存存儲器，共9個字節(jié)。字節(jié)0是溫度的低字節(jié)，它是以補碼的形式表示的。字節(jié)1表示的是符號，當(dāng)溫度為正時是00H；當(dāng)溫度為負時是11H。字節(jié)2和字節(jié)3是上下限報警值。字節(jié)4和字節(jié)5是保留字節(jié)。字節(jié)6存放計數(shù)器余值。字節(jié)7存放的是每攝氏度的計數(shù)值。字節(jié)8存放冗余校驗碼。DS1820本身可以達到0.5℃的溫度分辨率，為了滿足高分辨率的測量需求，可以直接從暫存存儲器中讀數(shù)進行運算。首先，讀取當(dāng)前溫度值，將9位數(shù)據(jù)的最低位舍棄，變成一個8位數(shù)據(jù)記為A(由字節(jié)1和字節(jié)2決定)，隨后讀取在門控周期停止后留在計數(shù)器中的殘留值(字節(jié)6)記為B，然后再讀取每一度生產(chǎn)的計數(shù)個數(shù)(字節(jié)7)記為C，最后用公式T=A+0.75-B/C計算實際溫度值T，可以得到0.1℃的溫度分辨率。
DS1820應(yīng)用
①高速機車軸承監(jiān)測。隨著鐵路的提速，機車速度的提高和牽引功率的增加，機車與鋼軌之間的沖擊、動力效應(yīng)和振動增大，必然會導(dǎo)致機車行走部分的軸箱軸承、牽引電動機軸承、抱軸承和空心軸承的發(fā)熱增多。為了保障機車的高速安全運行，實時軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。數(shù)字式智能溫度傳感器DS1820軸溫監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)可隨意增減測溫點數(shù)，實時顯示各測點的溫度，超標時可聲光報警并記錄報警信息。
圖4 DS1820的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)
②地下電纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。熱電廠地下電纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用圖5所示的分布式溫度巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有9個子站，溫度傳感器采用DS1820?？蓽y溫度點位183點，根據(jù)方向和位置的不同分屬于兩條總線，其中一條總線帶4個子站，另一條總線帶5個子站。整個系統(tǒng)的覆蓋變徑可達1000m左右。實際運行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠正確檢測出越限溫度，并完成所要求的其他各項任務(wù)，大大提高了勞動生產(chǎn)率。
1：PC主站
2：通信適配器
3：子站
4：測溫點
圖5 地下電纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
由于DS1820具有單線掛接多個測溫元件，容易構(gòu)成多點測溫，在測量中又無需進行通道切換，A/D轉(zhuǎn)換和結(jié)果修正，能夠直接讀出所測溫度。因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。在常溫測量中有較大優(yōu)勢，在工作過程控制、橋梁質(zhì)量監(jiān)測、空調(diào)系統(tǒng)、智能樓宇、糧倉、蔬菜大棚溫度控制等領(lǐng)域的溫度測量中有廣泛的應(yīng)用。
