摘 要：介紹美國(guó)DALLAS公司的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20在其前代產(chǎn)品DS1820基礎(chǔ)上的新特性和與單片機(jī)的較詳細(xì)的接口電路及讀寫時(shí)序，并針對(duì)它在橋梁混凝土測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用中出現(xiàn)的與硬件和軟件有關(guān)的問(wèn)題給出解決方法。
關(guān)鍵詞：DS18B20 混凝土 測(cè)溫單片機(jī)
概述
秦皇島-沈陽(yáng)高速鐵路客運(yùn)專線上有許多要架橋的路段，而在遠(yuǎn)離橋梁廠的野外現(xiàn)場(chǎng)澆制橋梁時(shí)，為保證梁身澆注的質(zhì)量，須做到：① 養(yǎng)護(hù)時(shí)梁內(nèi)任意兩點(diǎn)之間的溫度差不能超過(guò)規(guī)定值；② 混凝土澆注后14天的水化熱溫度曲線須符合所用規(guī)格混凝土的水化熱溫度曲線；③ 混凝土受太陽(yáng)照射后橋身的各個(gè)部位的熱脹冷縮不同，導(dǎo)致橋面和腹板出現(xiàn)日照溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，此應(yīng)力不能超過(guò)一安全極限值，否則將影響橋梁的承載力。本系統(tǒng)采用DS18B20和單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成完整的溫度采集及數(shù)據(jù)傳送電路，用于采集混凝土澆注后14天內(nèi)的水化熱溫度及第14天以后，1年內(nèi)的日照溫差，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)橋梁的質(zhì)量及使用年限進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。
一、 DS18B20新特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)
DS18B20是美國(guó)DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。
1. DS18B20的新性能
（1） 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.0～5.5V；
（2） 測(cè)溫范圍：-55～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃；
（3） 可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；
（4） 12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字；
（5） 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。
2. DS18B20的外形及引腳說(shuō)明
外形如圖1所示。其體積只有DS1820的一半，引腳定義相同。
圖 1 DS18B20引腳結(jié)構(gòu)圖
3. DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)
（1） DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：
① 64位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次為8位CRC、48位序列號(hào)和8位家族代碼（28H）組成。
② 溫度靈敏元件。
③ 非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。可通過(guò)軟件寫入用戶報(bào)警上下限值。
④ 配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲(chǔ)器中的第五個(gè)字節(jié)。DS18B20在工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值，其各位定義如圖3所示。其中，TM：測(cè)試模式標(biāo)志位，出廠時(shí)被寫入0，不能改變；R0、R1：溫度計(jì)分辨率設(shè)置位，其對(duì)應(yīng)四種分辨率如表1所列，出廠時(shí)R0、R1置為缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。
圖 3 DS18B20配置寄存器結(jié)構(gòu)圖
表 1 配置寄存器與分辨率關(guān)系表
（2） 高速暫存存儲(chǔ)器
高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如圖4所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如圖5所示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。表 2是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。
圖 4 DS18B20 存儲(chǔ)器映像圖
圖 5 溫度值格式圖
表 2 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)表
4. DS18B20工作原理
DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同,只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。
DS18B20的讀寫時(shí)序如下
PROC WRITE
WRITE: MOV R2,#8
CLR C
WR1: CLR DQ
MOV R7,#6
DJNZ R7,$
RRC A
MOV DQ,C
MOV R7,#23
DJNZ R7,$
SETB DQ
NOP
DJNZ R2,WR1
SETB DQ
RET
;讀一個(gè)字節(jié),出口:A=讀入的字節(jié)
PROC DREAD
DREAD: MOV R2,#8
READL: CLR C
SETB DQ
NOP
NOP
CLR DQ
NOP
NOP
NOP
SETB DQ ;產(chǎn)生時(shí)間片
MOV R7,#7
DJNZ R7,$
MOV C,DQ
MOV R7,#23
DJNZ R7,$
RRC A
DJNZ R2,READL
RET
二、 DS18B20在橋梁測(cè)溫中的應(yīng)用
1. 測(cè)溫系統(tǒng)要求
由于橋梁施工過(guò)程中橋墩、梁身和橋面的二次施工為不同單位負(fù)責(zé)，故須自備電源，盡量減少功耗；因數(shù)據(jù)要求長(zhǎng)期保存，故要求容量較大的存儲(chǔ)器；要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析且形成數(shù)據(jù)庫(kù)，從而需要可靠的通訊接口。
2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
（1） DS18B20采用三線制供電方式，傳輸線采用普通的三芯線。因混凝土的堿性很大，傳感器用環(huán)氧樹脂封裝在導(dǎo)熱性能良好的薄鐵筒內(nèi)，72個(gè)點(diǎn)順序排列在一根三芯線上。為避開混凝土澆注時(shí)的直接沖力，傳感器順著鋼筋走線。
（2） 多次測(cè)量并算出溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的平均電流I1和時(shí)間t1及溫度傳感器和MCU均空閑時(shí)的平均電流I2。根據(jù)預(yù)定更換電池的時(shí)間t2得出采樣次數(shù)N，然后根據(jù)電路總功耗，選擇適當(dāng)容量的電池。P總=U[I1t1N+I2（t2-Nt1）]，U為系統(tǒng)電壓。
（3） 為減少功耗，不進(jìn)行溫度采集時(shí),使單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，采用DS12887的定時(shí)中斷，喚醒單片機(jī)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換操作。
（4） 將2字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1字節(jié)的補(bǔ)碼（小數(shù)部分四舍五入，此時(shí)精度為±1℃），然后根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)n、時(shí)鐘的年月日時(shí)占用的字節(jié)（4字節(jié)）、采樣間隔時(shí)間t和要求保存數(shù)據(jù)的時(shí)間t′選取存儲(chǔ)器容量NByte=（n+4）t′/t。
（5） 在VC++6.0開發(fā)平臺(tái)下編寫便攜式PC機(jī)與單片機(jī)的串行通訊程序，用于完成修改單片機(jī)的采樣間隔時(shí)間、成批讀取單片機(jī)外部存儲(chǔ)器中的溫度數(shù)據(jù)并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入數(shù)據(jù)庫(kù)、畫各點(diǎn)的水化熱溫度曲線和畫同一截面上點(diǎn)的溫度梯度曲線等功能。
3. 硬件構(gòu)成
該系統(tǒng)采用帶8K程序存儲(chǔ)器的AT89C52單片機(jī)及大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器29FC040和 DS12887日歷/時(shí)鐘芯片等構(gòu)成，如圖6所示。
圖 6 測(cè)溫系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖
（1） DS12887用于產(chǎn)生定時(shí)中斷，接收到中斷后單片機(jī)先讀取日歷和時(shí)鐘并存儲(chǔ)，然后啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，再讀取溫度并存儲(chǔ)。單片機(jī)構(gòu)成的采集裝置的缺省的采樣間隔值為1h（小時(shí)），采樣間隔值保存在有斷電保存功能DS12887的用戶字節(jié)中。測(cè)水化熱時(shí)每小時(shí)采集1次；14天后每天的2點(diǎn)和14點(diǎn)各采集1次。采樣間隔時(shí)間只有通過(guò)便攜式PC經(jīng)RS232接口進(jìn)行修改，這樣，可避免進(jìn)入橋梁中的工人或附近居民因好奇而偶然修改了采樣值。
（2） 29FC040用于存儲(chǔ)一個(gè)PC成批讀取數(shù)據(jù)周期內(nèi)的所有溫度值和其對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間等數(shù)據(jù)。
（3） 蓄電池的功率應(yīng)考慮一定的余量，以與存儲(chǔ)器時(shí)間相匹配。
結(jié) 論
經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了DS18B20的一些特點(diǎn)和使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)。
（1） 有很強(qiáng)的承受負(fù)壓的能力，這樣偶爾的誤操作不會(huì)損壞溫度計(jì)；
（2） 連接DS18B20的總線電纜（普通三芯線）在只有上拉電阻的情況下可靠傳輸長(zhǎng)度可達(dá)45m左右，距離再長(zhǎng)時(shí)須根據(jù)分支點(diǎn)數(shù)、總線長(zhǎng)度匹配其線間電容及阻抗；
（3） 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間由DS1820的2s降為750ms，且靈敏度大為提高，在逐漸升溫的水中與精度為±0.5℃的溫度計(jì)幾乎同步，且回復(fù)性很好；
（4） 和DS1820一樣，DS18B20的讀寫時(shí)序須經(jīng)仔細(xì)調(diào)整，在反復(fù)的調(diào)試中找出合適的延時(shí)時(shí)間；
（5） DS18B20工作時(shí)電流高達(dá)1.5mA，總線上掛接點(diǎn)數(shù)較多且同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)要考慮增加總線驅(qū)動(dòng)，可用一單片機(jī)端口在溫度轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)通一個(gè)MOSFET，使I/O線直接拉到電源從而提供一強(qiáng)的上拉；
（6） 在程序等待DS18B20發(fā)出的存在信號(hào)對(duì)，最好設(shè)置一有限的等待時(shí)間，否則一旦有溫度計(jì)損壞時(shí)，程序?qū)⑦M(jìn)入一等待的死循環(huán)中。MES
參考文獻(xiàn)
1 DALLAS SEMICONDUCTOR Automatic Identification Data Book
2 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用 電子技術(shù)應(yīng)用
