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2022年09月17日

DS1820及其高精度温度测量实现

DS1820及其高精度温度测量实现 2011年12月10日 来源:  在传统的模拟信号远距离温度测量系统中,需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题,才能够达到较高的测量精度。我们在为某水电站开发水轮发电机组轴瓦温度实时监测系统时,为了克服上面提到的三个问题,采用了新型数字温度传感器DS1820,在对其测温原理进行详细分析的基础上,提出了提高DS1820测量精度的方法,使DS1820的测量精度由0.5℃提高到0.1℃以上,取得了良好的测温效果。  1 DS1820简介  DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器,在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。与其它温度传感器相比,DS1820具有以下特性:  (1)独特的单线接口方式,DS1820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。  (2)DS1820支持多点组网功能,多个DS1820可以并联在唯一的三线上,实现多点测温。  (3)DS1820在使用中不需要任何外围元件。  (4)温范围-55℃~+125℃,固有测温分辨率0.5℃。  (5)测量结果以9位数字量方式串行传送。  DS1820内部结构框图如图1所示。  DS1820测温原理如图2所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1 ,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。  在正常测温情况下,DS1820的测温分辩率为0.5℃以9位数据格式表示,其中最低有效位(LSB)由比较器进行0.25℃比较,当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25℃时,清除温度寄存器的最低位(LSB),当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25℃,置位温度寄存器的最低位(LSB),如-25.5℃对应的9位数据格式如下:  2 提高DS1820测温精度的途径  2.1 DS1820高精度测温的理论依据  DS1820正常使用时的测温分辨率为0.5℃,这对于水轮发电机组轴瓦温度监测来讲略显不足,在对DS1820测温原理详细分析的基础上,我们采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法,将DS1820的测温分辨率提高到0.1℃~0.01℃.   DS1820内部暂存寄存器的分布如表1所示,其中第7字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值,第8字节存放的是每度所对应的计数值,这样,我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。首先用DS1820提供的读暂存寄存器指令(BEH)读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果,然后切去测量结果中的最低有效位(LSB),得到所测实际温度整数部分T整数,然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度,考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系,实际温度T实际可用下式计算得到:  T实际=(T整数-0.25℃)+(M每度-M剩余)/M每度  2.2 测量数据比较  表2为采用直接读取测温结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较,通过比较可以看出,计算方法在DS1820测温中不仅是可行的,也可以大大的提高DS1820的测温分辨率。  3 DS1820使用中注意事项  DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:  (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS1820进行读写编程时,必须严格的保证读写时序,否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。  (2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个DS1820,在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时,就需要解决微处理器的总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。  (3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试

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