DS18B20 在橋梁混凝土測溫中的應(yīng)用

摘 要： 摘要介紹美國DALLAS公司的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20在其前代產(chǎn)品DS1820基礎(chǔ)上的新特性和與單片機的較詳細的接口電路及讀寫時序，并針對它在橋梁混凝土測溫系統(tǒng)的應(yīng)用中出現(xiàn)的與硬件和軟件有關(guān)的問題給出解決方法。

關(guān)鍵詞：DS18B20 混凝土 測溫單片機
　

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/255632.htm

概述

　　秦皇島-沈陽高速鐵路客運專線上有許多要架橋的路段，而在遠離橋梁廠的野外現(xiàn)場澆制橋梁時，為保證梁身澆注的質(zhì)量，須做到：① 養(yǎng)護時梁內(nèi)任意兩點之間的溫度差不能超過規(guī)定值；② 混凝土澆注后14天的水化熱溫度曲線須符合所用規(guī)格混凝土的水化熱溫度曲線；③ 混凝土受太陽照射后橋身的各個部位的熱脹冷縮不同，導(dǎo)致橋面和腹板出現(xiàn)日照溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，此應(yīng)力不能超過一安全極限值，否則將影響橋梁的承載力。本系統(tǒng)采用DS18B20和單片機及其外圍電路構(gòu)成完整的溫度采集及數(shù)據(jù)傳送電路，用于采集混凝土澆注后14天內(nèi)的水化熱溫度及第14天以后，1年內(nèi)的日照溫差，并存入數(shù)據(jù)庫，對橋梁的質(zhì)量及使用年限進行評估和預(yù)測。

一、 DS18B20新特點和結(jié)構(gòu)

　　DS18B20是美國DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。

　　1. DS18B20的新性能

　　(1) 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.0~5.5V；

　　(2) 測溫范圍：-55~+125℃，在-10~+85℃時精度為±0.5℃；

　　(3) 可編程的分辨率為9~12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；

　　(4) 12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字；

　　(5) 負壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

　　2. DS18B20的外形及引腳說明

　　外形如圖1所示。其體積只有DS1820的一半，引腳定義相同。

　

1（GND）：地 2（DQ）：單線運用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳 3（VDD）：可選的電源引腳

圖 1 DS18B20引腳結(jié)構(gòu)圖

　　3. DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　?。?） DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：

① 64位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次為8位CRC、48位序列號和8位家族代碼(28H)組成。

② 溫度靈敏元件。

③ 非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報警上下限值。

④ 配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。DS18B20在工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值，其各位定義如圖3所示。其中，TM：測試模式標(biāo)志位，出廠時被寫入0，不能改變；R0、R1：溫度計分辨率設(shè)置位，其對應(yīng)四種分辨率如表1所列，出廠時R0、R1置為缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。

　

TM R1 R0 1 1 1 1 1
MSB		LSB

圖 3 DS18B20配置寄存器結(jié)構(gòu)圖

表 1 配置寄存器與分辨率關(guān)系表

R0	R1	溫度計分辨率/bit	最大轉(zhuǎn)換時間/ms
0	0	9	93.75
0	1	10	187.5
1	0	11	375
1	1	12	750

　?。?） 高速暫存存儲器

　　高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如圖4所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如圖5所示。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。表 2是對應(yīng)的一部分溫度值。

　

溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位CRC
LSB		MSB

圖 4 DS18B20 存儲器映像圖



圖 5 溫度值格式圖

表 2 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)表
　

溫度/℃	二進制表示	十六進制表示
+125 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55	00000111 11010000 00000001 10010001 00000000 10100010 00000000 00001000 00000000 00000000 11111111 11111000 11111111 01011110 11111110 01101111 11111100 10010000	07D0H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FE6FH FC90H

　　4. DS18B20工作原理

　　DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同,只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。

DS18B20的讀寫時序如下。

　　　　PROC　 WRITE
WRITE:　MOV　　R2,#8
　　　　CLR　　C
WR1:　　CLR　　DQ
　　　　MOV　　R7,#6
　　　　DJNZ　 R7,$
　　　　RRC　　A
　　　　MOV　　DQ,C
　　　　MOV　　R7,#23
　　　　DJNZ　 R7,$
　　　　SETB　 DQ
　　　　NOP　　
　　　　DJNZ　 R2,WR1
　　　　SETB　 DQ
　　　　RET
;讀一個字節(jié),出口:A=讀入的字節(jié)
　　　　PROC　 DREAD　　　　
DREAD:　MOV　　R2,#8
READL:　CLR　　C
　　　　SETB　 DQ
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　CLR　　DQ
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　NOP
　　　　SETB　 DQ　　 ;產(chǎn)生時間片
　　　　MOV　　R7,#7
　　　　DJNZ　 R7,$
　　　　MOV　　C,DQ
　　　　MOV　　R7,#23
　　　　DJNZ　 R7,$
　　　　RRC　　A
　　　　DJNZ　 R2,READL
　　　　RET

　

二、 DS18B20在橋梁測溫中的應(yīng)用

　　1. 測溫系統(tǒng)要求

　　由于橋梁施工過程中橋墩、梁身和橋面的二次施工為不同單位負責(zé)，故須自備電源，盡量減少功耗；因數(shù)據(jù)要求長期保存，故要求容量較大的存儲器；要對數(shù)據(jù)進行分析且形成數(shù)據(jù)庫，從而需要可靠的通訊接口。

　　2. 系統(tǒng)設(shè)計要點

　　(1) DS18B20采用三線制供電方式，傳輸線采用普通的三芯線。因混凝土的堿性很大，傳感器用環(huán)氧樹脂封裝在導(dǎo)熱性能良好的薄鐵筒內(nèi)，72個點順序排列在一根三芯線上。為避開混凝土澆注時的直接沖力，傳感器順著鋼筋走線。

　　(2) 多次測量并算出溫度轉(zhuǎn)換時的平均電流I1和時間t1及溫度傳感器和MCU均空閑時的平均電流I2。根據(jù)預(yù)定更換電池的時間t2得出采樣次數(shù)N，然后根據(jù)電路總功耗，選擇適當(dāng)容量的電池。P總=U[I1t1N+I2(t2-Nt1)]，U為系統(tǒng)電壓。

　　(3) 為減少功耗，不進行溫度采集時,使單片機進入睡眠狀態(tài)，采用DS12887的定時中斷，喚醒單片機進行溫度轉(zhuǎn)換操作。

(　　4) 將2字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1字節(jié)的補碼(小數(shù)部分四舍五入，此時精度為±1℃)，然后根據(jù)測點數(shù)n、時鐘的年月日時占用的字節(jié)（4字節(jié)）、采樣間隔時間t和要求保存數(shù)據(jù)的時間t′選取存儲器容量NByte=(n+4)t′/t。

　　(5) 在VC++6.0開發(fā)平臺下編寫便攜式PC機與單片機的串行通訊程序，用于完成修改單片機的采樣間隔時間、成批讀取單片機外部存儲器中的溫度數(shù)據(jù)并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入數(shù)據(jù)庫、畫各點的水化熱溫度曲線和畫同一截面上點的溫度梯度曲線等功能。

　　3. 硬件構(gòu)成

　　該系統(tǒng)采用帶8K程序存儲器的AT89C52單片機及大容量數(shù)據(jù)存儲器29FC040和 DS12887日歷/時鐘芯片等構(gòu)成，如圖6所示。

圖 6 測溫系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

　　(1) DS12887用于產(chǎn)生定時中斷，接收到中斷后單片機先讀取日歷和時鐘并存儲，然后啟動溫度轉(zhuǎn)換，再讀取溫度并存儲。單片機構(gòu)成的采集裝置的缺省的采樣間隔值為1h(小時)，采樣間隔值保存在有斷電保存功能DS12887的用戶字節(jié)中。測水化熱時每小時采集1次；14天后每天的2點和14點各采集1次。采樣間隔時間只有通過便攜式PC經(jīng)RS232接口進行修改，這樣，可避免進入橋梁中的工人或附近居民因好奇而偶然修改了采樣值。

　　(2) 29FC040用于存儲一個PC成批讀取數(shù)據(jù)周期內(nèi)的所有溫度值和其對應(yīng)的采集時間等數(shù)據(jù)。

　　(3) 蓄電池的功率應(yīng)考慮一定的余量，以與存儲器時間相匹配。

結(jié) 論

　　經(jīng)實驗室和現(xiàn)場調(diào)試及試驗，發(fā)現(xiàn)了DS18B20的一些特點和使用中應(yīng)注意的事項。

　　(1) 有很強的承受負壓的能力，這樣偶爾的誤操作不會損壞溫度計；

　　(2) 連接DS18B20的總線電纜(普通三芯線)在只有上拉電阻的情況下可靠傳輸長度可達45m左右，距離再長時須根據(jù)分支點數(shù)、總線長度匹配其線間電容及阻抗；

　　(3) 溫度轉(zhuǎn)換時間由DS1820的2s降為750ms，且靈敏度大為提高，在逐漸升溫的水中與精度為±0.5℃的溫度計幾乎同步，且回復(fù)性很好；

　　(4) 和DS1820一樣，DS18B20的讀寫時序須經(jīng)仔細調(diào)整，在反復(fù)的調(diào)試中找出合適的延時時間；

　　(5) DS18B20工作時電流高達1.5mA，總線上

　　掛接點數(shù)較多且同時進行轉(zhuǎn)換時要考慮增加總線驅(qū)動，可用一單片機端口在溫度轉(zhuǎn)換時導(dǎo)通一個MOSFET，使I/O線直接拉到電源從而提供一強的上拉；

　　(6) 在程序等待DS18B20發(fā)出的存在信號對，最好設(shè)置一有限的等待時間，否則一旦有溫度計損壞時，程序?qū)⑦M入一等待的死循環(huán)中。MES

參考文獻

1 DALLAS Semiconductor Automatic Identification Data Book

2 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用.電子技術(shù)應(yīng)用，2000(6)：66~68