摘 要：多點測溫廣泛應(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 的特點和工作原理，對基于DS18B20 多點測溫的二種方法進行了分析與探討。
1． 前言
多點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、使用簡單等優(yōu)點。其獨特的單總線技術(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數(shù)器2 的脈沖輸入。初始時，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)值。計數(shù)器1 對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1 的預(yù)置值減少到0 時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1 的預(yù)置值就會重新被裝入，計數(shù)器1 重新開始對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2 計數(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 中的累加器用于補償和修正測溫過程中產(chǎn)生的非線性誤差，對計數(shù)器1 的預(yù)置值進行修正。
DS18B20 僅使用一根數(shù)據(jù)線與主機進行通信，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 進行多點測溫。
（1）單端口單總線的多點測溫法。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，其顯著的特點是只占用微處理器的一個端口。因為每個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與DS18B20 逐個掛接，分別讀出其序列號并存儲在主機的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
單總線多點測溫的設(shè)計思想是：當(dāng)主機需要對眾多在線的DS18B20 中的某一個進行操作時，首先要發(fā)出匹配ROM 命令，緊接著主機把從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 組成的多點測溫系統(tǒng)中，先發(fā)送跳過ROM 命令，即是啟動所有的DS18B20 進行溫度轉(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測溫流程圖
這種測溫連接方法的優(yōu)點是電路連接簡單，硬件開銷小。但其缺點也是很明顯的，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，這將是個費時費力的工作；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)的初始化期間花費較長的時間來進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。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時性要求相對較高的系統(tǒng)當(dāng)中。
?。?）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)的傳送是同步進行的，所花費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 器件進行操作時，只需統(tǒng)一地對這一組并行端口進行操作即可。一個端口對應(yīng)一個DS18B20 器件，它們相互之間是獨立的，系統(tǒng)工作時數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)拿钆c數(shù)據(jù)也是相互獨立的，所以也就不再需要對每個器件進行序列號搜索與匹配操作，因而在對DS18B20 器件進行操作時，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行操作，也即同時對該組DS18B20 器件進行同步的命令發(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)到了快速多點測溫的目的，能夠滿足對實時性要求較高的溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計需求。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、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 進行多點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，每一個測試點需要一條連接線，而且當(dāng)連接的測試點較多、距離較遠(yuǎn)時，這個缺點表現(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、容易擴展、傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾性強等特點，在大范圍溫度多點監(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 的多點測溫方法各有優(yōu)缺點，在應(yīng)用時可根據(jù)實際情況給予選擇。
