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　　摘　要：多點(diǎn)測溫廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度測量等領(lǐng)域。本文介紹了智能集成數(shù)字溫度傳感器DS18B20 的特點(diǎn)和工作原理，對基于DS18B20 多點(diǎn)測溫的二種方法進(jìn)行了分析與探討。

　　1． 前言

　　多點(diǎn)測溫在糧食倉庫存儲的溫度監(jiān)控，禽蛋孵化箱自動溫度控制，機(jī)柜儀器設(shè)備的溫度監(jiān)控，電力、電訊設(shè)備的過熱故障預(yù)知檢測，交通工具溫度監(jiān)視，醫(yī)療與保健診斷的溫度測試，以及智能家居的室溫自動調(diào)節(jié)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

　　傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，但利用熱敏電阻測量溫度精度較低、可靠較差，且必須經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換等接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能送給微處理器進(jìn)行處理，這樣就使得測溫裝置的電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的安全可靠性。

　　2．DS18B20 數(shù)字溫度傳感器簡介

　　DS18B20 是美國DALLAS 公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它是一款性能優(yōu)異的智能集成數(shù)字式傳感器，具有體積小、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。其獨(dú)特的單總線技術(shù)使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)。每個DS18B20 都有一個唯一的64 位ROM 序列號，通過查詢此序列號，就可以區(qū)分不同的器件，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20 的目的，確保在應(yīng)用時能被唯一標(biāo)識，以實(shí)現(xiàn)對對象的準(zhǔn)確控制。DS18B20 的溫度測量范圍為 -55°C～+125°C，在-10°C～+85°C 范圍內(nèi)，精度為±0.5°C。與傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器不同的是，它是將被測量的溫度值直接轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，通過微處理器即可直接讀出被測量的溫度數(shù)據(jù)。因而把DS18B20 應(yīng)用于溫度測控系統(tǒng)中，將大大簡化線路結(jié)構(gòu)和減少硬件開銷，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，工作穩(wěn)定，測溫精度高，維護(hù)方便，安全可靠性更高。

　　3． DS18B20 的測溫原理和工作過程

　　DS18B20 測溫原理如圖1 所示。圖中的低溫度系數(shù)振蕩器用來為計(jì)數(shù)器1 產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的脈沖信號，它是一個受溫度變化影響很小振蕩器，其振蕩頻率不隨溫度的變化而改變。而高溫度系數(shù)振蕩器是一個對溫度敏感的振蕩器，其振蕩頻率受溫度變化將發(fā)生明顯改變，所產(chǎn)生的脈沖信號作為減法計(jì)數(shù)器2 的脈沖輸入。初始時，計(jì)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)值。計(jì)數(shù)器1 對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置值減少到0 時，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置值就會重新被裝入，計(jì)數(shù)器1 重新開始對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2 計(jì)數(shù)減少到0 時，才停止對溫度寄存器的值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度的數(shù)據(jù)。圖1 中的累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中產(chǎn)生的非線性誤差，對計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置值進(jìn)行修正。

　　DS18B20 僅使用一根數(shù)據(jù)線與主機(jī)進(jìn)行通信，用于接受控制信號和回傳數(shù)據(jù)信號，

　　其上傳輸?shù)氖且幌盗械拿}沖信號。使用DS18B20 進(jìn)行溫度測量的步驟為：初始化DS18B20→跳過ROM 操作命令→啟動溫度轉(zhuǎn)換命令→等待轉(zhuǎn)換完成→初始化→跳過ROM 操作命令→讀取溫度寄存器命令，這樣就可以讀出被測溫度的數(shù)據(jù)了。

圖1 DS18B20 測溫原理框圖

　　4． DS18B20 的多點(diǎn)測溫應(yīng)用

　　根據(jù)DS18B20 的電氣特性，我們可以采取以下二種方法使用DS18B20 進(jìn)行多點(diǎn)測溫。

　　（1）單端口單總線的多點(diǎn)測溫法。典型的應(yīng)用如圖2 所示，所有的DS18B20 相互并聯(lián)后其數(shù)據(jù)線連接到微處理器的某個I/O 端口線上，其顯著的特點(diǎn)是只占用微處理器的一個端口。因?yàn)槊總�DS18B20 內(nèi)部均有一個唯一的64 位序列號，在系統(tǒng)安裝及工作之前先將主機(jī)與DS18B20 逐個掛接，分別讀出其序列號并存儲在主機(jī)的EEPROM 中，微處理器根據(jù)序列號就可以對同一條總線上的多支DS18B20 進(jìn)行識別與控制，分別讀取它們的溫度。

圖2 單端口單總線測溫連接示意圖

　　單總線多點(diǎn)測溫的設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)主機(jī)需要對眾多在線的DS18B20 中的某一個進(jìn)行操作時，首先要發(fā)出匹配ROM 命令，緊接著主機(jī)把從EEPROM 中取出存儲的64 位序列號發(fā)送到總線上，只有具有此序列號的DS18B20 才接受與相應(yīng)主機(jī)的命令，之后操作就是針對該DS18B20 的。如圖3 所示的流程圖，其中的跳過ROM 命令，就是此后的操作是針對所有DS18B20 的。在DS18B20 組成的多點(diǎn)測溫系統(tǒng)中，先發(fā)送跳過ROM 命令，即是啟動所有的DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，然后，再通過匹配ROM 命令，逐一讀取每個DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。

圖3 單端口單總線的多點(diǎn)測溫流程圖

　　這種測溫連接方法的優(yōu)點(diǎn)是電路連接簡單，硬件開銷小。但其缺點(diǎn)也是很明顯的，首先，這種單總線式的測溫方法是由多個DS18B20 并聯(lián)連接在一起的，它們在電氣特性上會有一定的相互影響，當(dāng)它們當(dāng)中的某個發(fā)生故障（如短路）時，將會影響其它器件的正常工作，而排除故障時需要逐個斷開其與電路的連接，這將是個費(fèi)時費(fèi)力的工作；其次，在這種應(yīng)用方法中，多個器件串接在總線上時，對所有器件的查詢操作，需要一個一個來分別識別，完成一次對全部器件的查詢需要花費(fèi)成倍的操作時間，整個系統(tǒng)把大量時間消耗在時序所要求的等待延時上，大大降低了系統(tǒng)的效率。此外，還需要在系統(tǒng)的初始化期間花費(fèi)較長的時間來進(jìn)行煩瑣的總線上器件的序列號查詢工作，才能獲取總線上的每個器件的序列號。這種通過查詢序列號依次讀取數(shù)據(jù)的方法，不僅程序設(shè)計(jì)會變得非常復(fù)雜，而且會大大降低溫度測量的靈敏度，這是單總線應(yīng)用方法上的致命缺點(diǎn)。在這種應(yīng)用中雖然節(jié)省了微處理器的I/O 端口資源，但微處理器不得不經(jīng)過長時間的等待后方可獲得所有的溫度數(shù)據(jù)，所以使用起來會有些局限性，尤其不適用在一些對實(shí)時性要求相對較高的系統(tǒng)當(dāng)中。

　　（2）多端口并行驅(qū)動法。如圖4 所示，各個DS18B20 的數(shù)據(jù)線分別連接到微處理器的不同I/O 端口。系統(tǒng)工作時，微處理器同時對各個DS18B20 進(jìn)行統(tǒng)一的并行操作，對所有DS18B20 而言，其命令的接受與數(shù)據(jù)的傳送是同步進(jìn)行的，所花費(fèi)的時間等同于操作單個DS18B20 器件所用的時間，這樣即可一次輸入或輸出多個數(shù)據(jù)，從而達(dá)到同步快速讀取溫度數(shù)據(jù)的目的。從圖4 中可見，每個端口連接有一個DS18B20 器件，也即一條端口線上僅有一個DS18B20 器件，在對DS18B20 器件進(jìn)行操作時，只需統(tǒng)一地對這一組并行端口進(jìn)行操作即可。一個端口對應(yīng)一個DS18B20 器件，它們相互之間是獨(dú)立的，系統(tǒng)工作時數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)拿�令與數(shù)據(jù)也是相互獨(dú)立的，所以也就不再需要對每個器件進(jìn)行序列號搜索與匹配操作，因而在對DS18B20 器件進(jìn)行操作時，可以使用skip ROM命令來跳過ROM 序列號搜索與匹配的操作。在對連接在同一組端口上的多個DS18B20 操作時，是同時對該組端口進(jìn)行操作，也即同時對該組DS18B20 器件進(jìn)行同步的命令發(fā)送與數(shù)據(jù)接收操作。其工作流程圖如圖5 所示。

圖4 多端口并行測溫連接示意圖

　　這種并行操作的最大好處就是節(jié)省時間，其查詢多個DS18B20 器件操作所消耗的時間與查詢單個DS18B20 器件操作所消耗的時間是一樣的，從而達(dá)到了快速多點(diǎn)測溫的目的，能夠滿足對實(shí)時性要求較高的溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。同時，由于這種操作方法并不涉及DS18B20 的序列號問題，因而省掉了煩瑣的讀取與匹配序列號的操作過程，程序的設(shè)計(jì)、編寫、調(diào)試也變得較為簡單些，有利于縮短產(chǎn)品的研制開發(fā)周期，使得利用DS18B20 進(jìn)行多點(diǎn)測溫的操作變得更方便、容易。

　　顯而易見，這種測溫方法的最大缺點(diǎn)就是微處理器的I/O 口占用較多，硬件資源開銷大，每一個測試點(diǎn)需要一條連接線，而且當(dāng)連接的測試點(diǎn)較多、距離較遠(yuǎn)時，這個缺點(diǎn)表現(xiàn)得尤為突出。

圖5 多端口并行測溫流程圖

　　5．結(jié)語

　　DS18B20 是一款性能優(yōu)良、使用方便、一致性好的智能集成數(shù)字溫度傳感器，由其構(gòu)成的多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)具有測量精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、成本低廉、容易擴(kuò)展、傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，在大范圍溫度多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文所介紹的二種基于DS18B20 的多點(diǎn)測溫方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在應(yīng)用時可根據(jù)實(shí)際情況給予選擇。

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