摘 要： 結(jié)合數(shù)字溫度傳感器DS1820在水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度測量中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出了用DS1820實(shí)現(xiàn)軸瓦溫度高精度、高可靠性測量的可行性方案。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字溫度傳感器 DS1820 高精度 溫度測量
在傳統(tǒng)的模擬信號遠(yuǎn)距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測量切換誤差問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達(dá)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(jī)組軸瓦溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，為了克服上面提到的三個(gè)問題，采用了新型數(shù)字溫度傳感器DS1280，在對其測溫原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出了提高DS1820測量精度的方法，使DS1820的測量精度由0.5°C提高到0.1°C以上，取得了良好的測溫效果。
1 DS1820簡介
DS1820是美國DALLAS半導(dǎo)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－BOARD)專利技術(shù)。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：
(1)獨(dú)特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。
(2)DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。
(3)DS1820在使用中不需要任何外圍元件。
(4)測溫范圍－55°C～+125°C，固有測溫分辨率0.5°C。
(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(jì)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(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55°C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)晶振產(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)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1 ，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)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(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)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(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。
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在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辯率為0.5°C,以9位數(shù)據(jù)格式表示，其中最低有效位(LSB)由比較器進(jìn)行0.25°C比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25°C時(shí)，清除溫度寄存器的最低位(LSB)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后高于0.25°C，置位溫度寄存器的最低位(LSB)，如－25.5°C對應(yīng)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(shí)的測溫分辨率為0.5°C，這對于水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度監(jiān)測來講略顯不足，在對DS1820測溫原理詳細(xì)分析的基礎(chǔ)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°C～0.01°C.
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(dāng)溫度寄存器停止增值時(shí)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值，第8字節(jié)存放的是每度所對應(yīng)的計(jì)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°C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(shí)際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值M剩余和每度計(jì)數(shù)值M每度，考慮到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25°C、0.75°C為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度T實(shí)際可用下式計(jì)算得到：
T實(shí)際＝(T整數(shù)－0.25°C)+(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(jì)算方法得到的測溫?cái)?shù)據(jù)比較，通過比較可以看出，計(jì)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。
3 DS1820使用中注意事項(xiàng)
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(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：
(1)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)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(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。
(2)在DS1820的有關(guān)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(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS1820，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。
(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)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(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)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(gè)DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。
參考文獻(xiàn)
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