摘要：多點(diǎn)測溫廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)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(chǔ)的溫度監(jiān)控，禽蛋孵化箱自動(dòng)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(dòng)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(hào)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(gè)DS18B20 都有一個(gè)的64 位ROM 序列號(hào)，通過查詢此序列號(hào)，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(gè)DS18B20 的目的，確保在應(yīng)用時(shí)能被標(biāo)識(shí)，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)，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(hào)，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(hào)，它是一個(gè)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(gè)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(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2 的脈沖輸入。初始時(shí)，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(gè)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(hào)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(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置值就會(huì)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(hào)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(shí)，才停止對溫度寄存器的值的累加，此時(shí)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(hào)和回傳數(shù)據(jù)信號(hào)，

　　其上傳輸?shù)氖且幌盗械拿}沖信號(hào)。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(dòng)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(gè)I/O 端口線上，其顯著的特點(diǎn)是只占用微處理器的一個(gè)端口。因?yàn)槊總€(gè)DS18B20 內(nèi)部均有一個(gè)的64 位序列號(hào)，在系統(tǒng)安裝及工作之前先將主機(jī)與DS18B20 逐個(gè)掛接，分別讀出其序列號(hào)并存儲(chǔ)在主機(jī)的EEPROM 中，微處理器根據(jù)序列號(hào)就可以對同一條總線上的多支DS18B20 進(jìn)行識(shí)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(gè)進(jìn)行操作時(shí)，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(chǔ)的64 位序列號(hào)發(fā)送到總線上，只有具有此序列號(hào)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(dòng)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(gè)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(gè)DS18B20 并聯(lián)連接在一起的，它們在電氣特性上會(huì)有一定的相互影響，當(dāng)它們當(dāng)中的某個(gè)發(fā)生故障（如短路）時(shí)，將會(huì)影響其它器件的正常工作，而排除故障時(shí)需要逐個(gè)斷開其與電路的連接，這將是個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作；其次，在這種應(yīng)用方法中，多個(gè)器件串接在總線上時(shí)，對所有器件的查詢操作，需要一個(gè)一個(gè)來分別識(shí)別，完成對全部器件的查詢需要花費(fèi)成倍的操作時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)把大量時(shí)間消耗在時(shí)序所要求的等待延時(shí)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(shí)間來進(jìn)行煩瑣的總線上器件的序列號(hào)查詢工作，才能獲取總線上的每個(gè)器件的序列號(hào)。這種通過查詢序列號(hào)依次讀取數(shù)據(jù)的方法，不僅程序設(shè)計(jì)會(huì)變得非常復(fù)雜，而且會(huì)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(shí)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(huì)有些局限性，尤其不適用在一些對實(shí)時(shí)性要求相對較高的系統(tǒng)當(dāng)中。

　?。?）多端口并行驅(qū)動(dòng)法。如圖4 所示，各個(gè)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(shí)，微處理器同時(shí)對各個(gè)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(shí)間等同于操作單個(gè)DS18B20 器件所用的時(shí)間，這樣即可輸入或輸出多個(gè)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(gè)端口連接有一個(gè)DS18B20 器件，也即一條端口線上僅有一個(gè)DS18B20 器件，在對DS18B20 器件進(jìn)行操作時(shí)，只需統(tǒng)一地對這一組并行端口進(jìn)行操作即可。一個(gè)端口對應(yīng)一個(gè)DS18B20 器件，它們相互之間是獨(dú)立的，系統(tǒng)工作時(shí)數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)拿钆c數(shù)據(jù)也是相互獨(dú)立的，所以也就不再需要對每個(gè)器件進(jìn)行序列號(hào)搜索與匹配操作，因而在對DS18B20 器件進(jìn)行操作時(shí)，可以使用skip ROM命令來跳過ROM 序列號(hào)搜索與匹配的操作。在對連接在同一組端口上的多個(gè)DS18B20 操作時(shí)，是同時(shí)對該組端口進(jìn)行操作，也即同時(shí)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

　　這種并行操作的好處就是節(jié)省時(shí)間，其查詢多個(gè)DS18B20 器件操作所消耗的時(shí)間與查詢單個(gè)DS18B20 器件操作所消耗的時(shí)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(shí)性要求較高的溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，由于這種操作方法并不涉及DS18B20 的序列號(hào)問題，因而省掉了煩瑣的讀取與匹配序列號(hào)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(gè)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(shí)，這個(gè)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(shí)可根據(jù)實(shí)際情況給予選擇。