DS1820及其高精度溫度測量的實現(xiàn)

    在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。我們在為某水電站開發(fā)水輪發(fā)電機組軸瓦溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)時，為了克服上面提到的三個問題，采用了新型數(shù)字溫度傳感器DS1820，在對其測溫原理進行詳細分析的基礎上，提出了提高DS1820測量精度的方法，使DS1820的測量精度由0.5℃提高到0.1℃以上，取得了良好的測溫效果。 

　　１ DS1820簡介 

　　DS1820是美國DALLAS半導體公司生產(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）專利技術。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： 

　?。?）獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。 

　?。?）DS1820支持多點組網(wǎng)功能，多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。 

　?。?）DS1820在使用中不需要任何外圍元件。 

　　（4）溫范圍－55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。 

　?。?）測量結(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送給計數(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和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1 ，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(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2中的斜率累加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的預置值。 





　　在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辯率為0.5℃以9位數(shù)據(jù)格式表示，其中最低有效位（LSB）由比較器進行0.25℃比較，當計數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25℃時，清除溫度寄存器的最低位（LSB），當計數(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℃對應的9位數(shù)據(jù)格式如下： 

　　2 提高DS1820測溫精度的途徑 

　　2.1 DS1820高精度測溫的理論依據(jù) 

　　DS1820正常使用時的測溫分辨率為0.5℃，這對于水輪發(fā)電機組軸瓦溫度監(jiān)測來講略顯不足，在對DS1820測溫原理詳細分析的基礎上，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)存放的是當溫度寄存器停止增值時計數(shù)器1的計數(shù)剩余值，第8字節(jié)存放的是每度所對應的計數(shù)值，這樣，我們就可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果。首先用DS1820提供的讀暫存寄存器指令(BEH)讀出以0.5℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位(LSB)，得到所測實際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值M剩余和每度計數(shù)值M每度，考慮到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25℃、0.75℃為進位界限的關系，實際溫度T實際可用下式計算得到： 

　　T實際=(T整數(shù)－0.25℃)+(M每度－M剩余)/M每度 





　　2.2 測量數(shù)據(jù)比較 

　　表2為采用直接讀取測溫結(jié)果方法和采用計算方法得到的測溫數(shù)據(jù)比較，通過比較可以看出，計算方法在DS1820測溫中不僅是可行的，也可以大大的提高DS1820的測溫分辨率。 

　?。?nbsp;DS1820使用中注意事項 

　　DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： 

　　(1)較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 

　　(2)在DS1820的有關資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。 

　　(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 

　　(4)在DS1820測溫程序設計中，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，一旦某個DS1820接觸不好或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。