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個字節是器件的*序列號，用以區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，經常用于環境溫度控制、溫度監測系統以及過程監測和控制系統中。1-Wire器件64位序列號的*有效字節是循環冗余校驗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。另外提供一個字節報警上限TH和一個字節報警下限TL寄存器。還有一個字節組態寄存器。組態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和組態寄存器可以存放在EEPROM中，因此當系統掉電時，TH、、TL和組態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行相關命令。首先進行初始化，其次執行ROM命令，*執行DS18B20功能命令。常用的ROM命令有5個。每個命令均為一個字節。在發送DS18B20功能命令之前，主CPU必須發布適當的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個字節數據到便箋存儲器中。*個數據字節被寫入到TH寄存器中，第二個數據字節被寫入到TL寄存器中，第三個數據字節被寫入到組態寄存器中。數據寫入從*有效位開始。在主CPU發出復位脈沖之前，三個字節必須被寫完。
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0的*有效位開始到字節8。便箋存儲器中的9個字節內容被讀出。其中字節8為CRC校驗碼。如果只需要讀出便箋存儲器中的部分字節，主CPU可以隨時發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2、3、4即TH、TL和組態寄存器內容到EEPROM。
5.從EEPROM重新調出命令（代碼為B8H）將從EEPROM重新調出TH、TL和組態寄存器內容，并將數據放置到便箋存儲器字節2、3、4中。上電時從EEPROM重新調出命令（代碼為B8H）將會自動執行。
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。可以用一個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。首先執行初始化時序，然后單片機發出跳過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。接著再執行初始化時序，然后單片機發出匹配ROM命令（代碼為55H）并向數據線上發出64位序列號，再發出讀9個字節命令（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。基于DS18B20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。基于AT89C51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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