一种高精度温度测量系统的设计

　　1引言

　　在众多应用于温度环境监测的温敏元件中,温敏电阻虽然成本较低,但是后续电路复杂,且需要进行温度标定,且数据处理复杂;电流集成温度传感器 也因其输出为模拟信号,其精度不能保证。本文采用DALLAS 公司生产的 DS18B20实现温度信号的采集, 它与传统的热敏温度传感器不同,它能够直接读出被测温度。因而使用DS18B20 可使系统结构更趋简单,可靠性更高。DS18B20 是一种DALLAS 公司具有代表性温度传感器的,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等特点,特别适用于多点温度测控系统,是新一代智能温度传感器,具有接口方式简单,支持多点组网,实现多点测温,测温范围大,测量精度高等特点。

　　2 DS18B20内部结构和测温原理

　　DS18B20 的内部结构如图1 所示,主要由64 位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL 和配置寄存器4 部分组成。DQ 为数字信号输入/输出端; GND 为电源地; VDD 为外接供电电源输入端。ROM中的64 位序列号是出厂前被刻好的, 它可以看作是该DS18B20 的地址序列码,每个DS18B20 的64 位序列号均不相同。64 位ROM 排列的循环冗余校验码。ROM 的作用是使每一个DS18B20 都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20。本文正是基于这一点,设计出了合理的温度测量网络。与传统的采用 A/D 转换不同,DS18B20 采用一种将温度直接转换为频率的时钟记数法, 计数时钟由温度系数很低的振荡器产生,因而非常稳定;而计数的闸门周期则由非常敏感的振荡器来确定。计数器中的预置值以-55℃ 时的计数值为基准,在闸门开放计数期间,每当计数值达到0,则温度寄存器就加1, 温度寄存器中的预置值也以-55℃的测量值为基准。

　　DS18B20 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, 用于产生固定频率脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振振荡频率随温度变化明显,所产生的信号作为计数器2 的脉冲输入。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 的预置初值将被重新装入, 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。

　　3测量系统硬件设计

　　3.1 硬件系统组成和工作原理

　　本系统由系统参数输入模块、控制模块、LCD 显示模块和温度测量网络四部分组成。其中,系统参数设定模块主要用来接受用户设定温度阈值,测量方式选择,测量时间间隔等参数的设计,由键盘电路组成。控制单元主要由AT89C51 及外围电路组成,在电路中起核心作用,接收系统参数设定模设定的参数并进行处理,AT89C51 向温度测量网络发送指令并接受温度测量网络的数据,并根据用户要求,将处理结果发送到显示器件或者报警器件。温度测量网络由DS18B20 组成,根据用户的模式选择,实现单点温度测试或者多点温度测试,当进行多点温度测试时,启动多个温度传感器组成的网络。本系统硬件结构图如图3所示。