溫度傳感器在火災報警系統中的應用
1.引言
1.引言
1-Wire總線技術具有節(jié)省I/O資源、結構簡單、成本低廉，便于總線擴展和方便維護等特點。因此在分布式測溫系統中有著廣泛的應用。而美國DALLAS公司生產的單總線智能溫度傳感器DS18B20是采用1-Wire總線技術的典型產品［2］。DS18B20通過單線按照1-Wire協議傳送特定的命令序列并進行數據通信。該系列產品有個很重要的特性就是在出廠前每個器件都被寫入了*的64位ROM碼即序列號，*有效字節(jié)為家族代碼。代表器件的類型。如DS1990A的家族碼為01H，DS18B20的家族碼為28H。由于在同一條1-Wire總線上可同時掛接多個相同系列或不同系列的1-Wire器件，因此主機必須能夠決定如何正確地訪問位于1-Wire總線上的各個器件。64位ROM碼中家族碼提供了器件的類型，隨后的6個字節(jié)是器件的*序列號，用以區(qū)分同一個系列的不同器件。該序列號可作為1-Wire總線上器件的地址。這樣1-Wire總線上的所有器件連同主機就構成了一個微型局域網。它們之間通過一條公共線來進行通信［5］。
2.數字溫度傳感器特性與功能塊圖。
DS18B20的核心功能就是可以直接轉換成數字量。由于每一個智能溫度傳感器DS18B20有一個*的64位序列號。允許多個DS18B20在同一條總線上工作。因此可以用一個單片機在一個大范圍內控制多個數字溫度傳感器DS18B20，經常用于環(huán)境溫度控制、溫度監(jiān)測系統以及過程監(jiān)測和控制系統中。1-Wire器件64位序列號的*有效字節(jié)是循環(huán)冗余校驗CRC碼。該值基于前面的56位數據。當系統主機開始與某個器件進行通信時，可以從低位開始讀取8個ROM字節(jié)即64位序列號。
1-Wire總線技術的溫度傳感器DS18B20溫度的測量范圍為-55℃～+125℃。便箋存儲器中包含兩個字節(jié)溫度寄存器用于存儲溫度傳感器的數字輸出。另外提供一個字節(jié)報警上限TH和一個字節(jié)報警下限TL寄存器。還有一個字節(jié)組態(tài)寄存器。組態(tài)寄存器允許用戶設置分辨率為9～12位。分別對應溫度值0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。TH、、TL和組態(tài)寄存器可以存放在EEPROM中，因此當系統掉電時，TH、、TL和組態(tài)寄存器中的數據仍將保存。1-Wire總線技術的溫度傳感器DS18B20功能塊如圖1所示。
圖11-Wire技術的溫度傳感器DS18B20功能塊圖
3.數字溫度傳感器ROM命令和功能命令。
為了能夠使1-Wire總線技術的溫度傳感器DS18B20正常工作，需要按照一定順序執(zhí)行相關命令。首先進行初始化，其次執(zhí)行ROM命令，*執(zhí)行DS18B20功能命令。常用的ROM命令有5個。每個命令均為一個字節(jié)。在發(fā)送DS18B20功能命令之前，主CPU必須發(fā)布適當的ROM命令。對ROM的五種操作命令有ROM搜索命令（代碼為F0H），ROM命令（代碼為33H），匹配ROM命令（代碼為55H），跳過ROM命令（代碼為CCH）和搜索報警命令（代碼為ECH）。
當主CPU使用了ROM命令之后，如果訪問想要通信的從設備DS18B20時，主CPU能夠發(fā)布一個DS18B20功能命令。1-Wire總線技術的溫度傳感器DS18B20功能命令主要有5條。這些命令允許主CPU讀或寫DS18B20的便箋存儲器，開始溫度轉換以及決定電源的模式。DS18B20功能命令如下所述。
1.溫度轉換命令（代碼為44H）使DS18B20開始轉換。轉換完畢的溫度數據存放在兩個字節(jié)的溫度寄存器中。
2.寫便箋存儲器命令（代碼為4EH）允許主CPU寫3個字節(jié)數據到便箋存儲器中。*個數據字節(jié)被寫入到TH寄存器中，第二個數據字節(jié)被寫入到TL寄存器中，第三個數據字節(jié)被寫入到組態(tài)寄存器中。數據寫入從*有效位開始。在主CPU發(fā)出復位脈沖之前，三個字節(jié)必須被寫完。
3.讀便箋存儲器命令（代碼為BEH）允許主CPU讀出便箋存儲器中的內容。數據傳輸從字節(jié)0的*有效位開始到字節(jié)8。便箋存儲器中的9個字節(jié)內容被讀出。其中字節(jié)8為CRC校驗碼。如果只需要讀出便箋存儲器中的部分字節(jié)，主CPU可以隨時發(fā)出復位脈沖終止讀操作。
4.拷貝便箋存儲器命令（代碼為48H）將拷貝便箋存儲器字節(jié)2、3、4即TH、TL和組態(tài)寄存器內容到EEPROM。
5.從EEPROM重新調出命令（代碼為B8H）將從EEPROM重新調出TH、TL和組態(tài)寄存器內容，并將數據放置到便箋存儲器字節(jié)2、3、4中。上電時從EEPROM重新調出命令（代碼為B8H）將會自動執(zhí)行。
4.火災報警系統硬件組成
火災報警系統由AT89C51，實時時鐘電路DS1302，鍵盤與顯示電路，RS485通信電路，MAX813L組成的看門狗電路，串行E2PROM存儲器電路等組成，采用多個傳感器測量不同房間內的溫度，可以設置不同房間的報警上限值，可以實現多個房間對應溫度的顯示和報警。
火災報警系統硬件組成如圖2所示。
圖2火災報警系統硬件組成圖
5.1-Wire總線技術數字溫度傳感器供電方式
DS18B20的電源供電有兩種。外部供電方式和寄生電源供電方式。外部供電方式如圖3所示。圖3中引腳VDD接外部電源。而寄生電源供電方式不需要外部電源如圖4所示。工作于寄生電源供電方式時，VDD和GND均接地。在需要遠程溫度檢測和空間受限制時非常有用。圖3中當1-Wire總線為高電平時，DS18B20從1-Wire總線上經過引腳DQ“偷竊”電源，偷竊的電荷給總線供電。當總線為低電平時，存儲在寄生電源電容上的電荷為傳感器供電。當DS18B20用于寄生電源供電方式時，VDD必須要接地［1］。但是在寄生電源供電方式時，當DS18B20執(zhí)行溫度轉換和拷貝便箋存儲器內容到EEPROM中時，操作電流能夠達到1.5mA.此電流能夠導致電壓明顯下降而使傳感器不能正常工作。為了保證DS18B20有充足的供電電流，當進行溫度轉換和拷貝便箋存儲器內容到EEPROM中時，必須要在總線上提供足夠強的上拉?？梢杂靡粋€MOSFET管來完成對總線的上拉如圖4所示。一般當檢測的溫度超過100℃時，建議不要使用寄生電源供電方式而要用外部供電方式。因為在這樣高的溫度下，由于高的泄漏電流，DS18B20不可能保持數據通信。因此在條件允許的情況下，盡量采用外部供電方式。
圖3DS18B20的外部供電方式
圖4DS18B20的寄生電源供電方式
6.溫度采集與處理流程圖
基于AT89C51單片機設計的火災報警系統采用智能溫度傳感器DS18B20，在正確讀出64位序列號之后，需要根據時序的嚴格要求，編寫溫度讀取程序。單片機控制DS18B20的溫度轉換必須按照DS18B20的命令流程。首先執(zhí)行初始化時序，然后單片機發(fā)出跳過ROM命令（代碼為CCH），此命令針對所有在線DS18B20，單片機再發(fā)出啟動轉換命令（代碼為44H），啟動DS18B20完成溫度轉換。對于12位分辨率還需延時750ms之后。接著再執(zhí)行初始化時序，然后單片機發(fā)出匹配ROM命令（代碼為55H）并向數據線上發(fā)出64位序列號，再發(fā)出讀9個字節(jié)命令（代碼為BEH），就可以讀出智能溫度傳感器DS18B20對應序列號完成溫度轉換之后的相應正確溫度?；贒S18B20的溫度采集與處理流程圖如圖5所示。
圖5基于1-Wire技術的DS18B20溫度采集與處理程序流程圖
7.結束語
傳統的測溫方法是將模擬信號傳送到采樣電路進行A/D轉換，為了獲得較高精度，就必須解決多點測量切換及放大電路零點漂移問題。而1-Wire總線技術數字溫度傳感器的出現較好地解決上述問題。本文作者創(chuàng)新點是應用1-Wire總線技術，采用多個數字溫度傳感器設計了火災報警系統，分析了傳感器供電方式和特性，闡述了數字溫度傳感器ROM命令和功能命令?；贏T89C51設計了實時時鐘顯示電路，鍵盤顯示電路，串行存儲器電路，RS485通信電路，看門狗電路等，闡述了火災報警系統的硬件構成圖。設計了溫度采集的流程圖，并編寫程序完成了溫度的正確顯示。1-Wire技術溫度傳感器DS18B20將溫度信號直接轉換成串行數字信號以供單片機處理，在單總線接口上掛接了多個傳感器，直接以一總線的數字方式傳輸現場溫度，方便地組成分布式多點測溫系統。使用1-Wire總線技術數字溫度傳感器有效地降低成本，使應用系統可靠性高而且傳輸距離遠。目前已經較好地應用于分布式測溫的火災報警系統中。
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