基于DS18820的高精度矿用温度传感器设计

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基于 D 1 B 0的高精度矿用温度传感器设计 S8 2●应用与设计

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基于 D 1B 0的高精度矿用温度传感器设计 S8 2刘雨刚，洪炳林，郝文慧(辽宁工程技术大学电气工程系，辽宁阜新 1 30 ) 2 0 0

摘要：介绍了单总线数字温度计 D 1B 0的基本原理，用 D 1B 0的测温原理减小非线性误差， S8 2利 S8 2并进一步建立线性误差数学模型，过最小二乘估计进行线性处理， D 1 B 0的温度分辨率从通使 S8 2

05℃提高到 01o。设计出一种高精度矿用温度传感器， . . C 并总结了设计中遇到的问题。关键词：温度传感器；D 1 B 0 S 8 2;单总线；数字温度计；最小二乘估计文献标识码： A文章编号：0 6 6 7 (0 61— 0 5 0 1 0— 9 72 0 )2 0 3— 3中图分类号：T 2 21 P 1 .1

De" fh g r cso l e e a u e s n o a e n DS1 B2 Dq i n o i h p e ii n m i e t m p r t r e s r b s d o sg -‘‘ n a r 0 8 0L U u g n, HONG B n— i, HAO W e— u I Y—ag ig l n n hi

( e ate tfEetcl n i ei,i nn eh i l nvr t F xn1 3 0,hn ) D p r n l r a E gn r gLa igTcn a U i sy ui 2 0 0C i m o ci e n o c e i, aAb t a t: T e p n il f1 wiedgtltemo trDS B 0 i it d c dU ig tep icpeo sr cs h r cpe o - r ii h r mee 1 2 s nr u e . sn h rn il f i a 8 o tmp rtr a u n fDS B 0 t e u eten n l e rerr.u te,a ie rerrmah mai e eau eme s r g o 2 ord c h o -i a ro F rh r n l a ro te t i 1 8 n n— cl a mo e i b e b i . v e l g wi te e s q ae et t, e e eaue eouin o d l S e n uh B d ai t h la t u r s s maet tmp r tr r slt f n h s i

h o

DS B 0 h s i rv d f m .℃ t .℃ .h n d sg sa hg - rcso e eau e sn o s d i 1 2 a mp o e r 05 o 0 1 T e e in ih p e iin tmp rtr e sru e n 8 omieAt h n f h ril, o rbe hc r ti ed s nh v e nc n ld d n . ee do eat e s mep o lmsw ihweeme nt ei a eb e o cu e . t t c h g Ke r s tmp rtr e sr DS 0 1 wi; d gtlte o tr h e s su e s mae y wo d: e eau es n o; B2; - r 1 8 e ii h r mee;t ela t q a set t a m r i

1引言 单线数字温度传感器 f如 D 1X2)其体积例 S8 0因小、系统结构简单等优点得到越来越广泛的应用。

适用于微型、低功耗的温度测量器件。

2 DS 8 0的性能特点 1 B2D 1 B 0在一 0o一 8 C围内 .确保测量 S82 1+ 5o范 C可误差不超过± . o在一 5o一 15o范围内， 05 C; 5 + 2 C C其测

D 1B 0是美国 D ls半导体公司研制的一款单 S82 al a总线可编程智能温度传感器。它将 AD转换器、/寄存器、口电路集成在一个芯片中，以直接输出接可

量误差不超过± 2℃。供电电压范围为 3 一 . V。 . V 55 0D 1B 0内置 6 S8 2 4位经过激光修正的 R M. O出

数字信号。与单片机的接口电路也很简单，具有控制功能强、传输距离远、干扰能力强等特点，常抗非.止 .止 .止.止 L L L. L L L L L L L‘‘‘‘ 址

厂前作为唯一的产品序号存入 R M中。构成大型 O温控系统时，允许在单总线上挂接多个 D 1 B 0 S82,

长试验及其相互关系分析【 .境与可靠性，0 5 J环 J 20()3- 7 5:4 3 .

2 9. 8

[】平. 6许总线接口模型化与机载电子设备可靠性增

【莫黎. 3]可靠性增长设计技术 .舰船电子工程，2 0 ( ) 1 9 14 0 4 6:3— 4 .

长[.空计算技术， 9, )6 3 . J航] 1

5 3:— 3 9 ( 2作者简介：阳红成 (9 5 )男，南安仁人，士研 17一，湖硕

【】文华，靠性增长试验【 . 4梅可 M】北京：国防工业出版社 . 0 3 20 .

究生。研究方向为可靠性增长、计算机测控系统。收稿日期： 0— 7 0 2 60—6 0咨询编号：6 2 0 1 1 1

[赵玮，云.于软件差错相关的可靠性增长模 5]刘基

型[.西安电子科技大学学报，992 () 8— J] 19, 3: 6 6 2

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一

3一 6

《国外电子元器￣}0 6年第 1期 20年 1 - 0 2 2 06 2月的时钟个数进行计数便可测量温度。在计数器和温度寄存器内均预置了对应于一 5℃的初值，如果在 5

理论上可挂接 2个。

D 1B 0可分别设定各路温度的上、限并写 S82下入 R M中 .能迅速识别出温度越限的器件。 A并

门控周期结束前，计数器的值没有减到零，就表明当前测量温度高于一 5℃,温度寄存器中的值要增 5

采用 D l s aa公司独特的“ l单总线 (- r)专有 1Wi” e技术，通过串行口( 0直接输出所测温度值。 I )/内含寄生电源。既可由单总线供电，可采用亦外部 5V电源供电。

加。同时，斜率累加器再给计数器预置初值，计数器重新计数到零 .门控周期没有计数，重复上述若则过程。

3系统简介 K0 J5温度传感器系统包括：单总线 D 1B 0 S82温度传感器。T g8单片机及其接口电路构成的 A mea温度数据采集模块；由数码管，盘和遥控电路构键

利用下式可计算出高分辨率的温度值：T t mp=e—

ra一 .+cu tprdge—on_e ed 02 (on— e ere cutr- 5 _

man cutprdge i)on e ere/ edD 1 B 0中读出的温度读数； 其中， mp ra: S 8 2 t e_

count_

p rd ge:摄氏度的计数值； u trm i: e e e每 _ r c n e an o

成友好的人机界面；报警灯和报警蜂鸣器电路， 以及标准的 4mA 2 一0mA电流输出模块。其结构框图如图 1所示。

门控周期结束时计数器中的余数。

为了提高温度分辨率，须从 D 1B 0

中读出必 S8 2cu tp rd ge o n e_ e e和 cu trma .这两个值存储在 r on e i _ n便笺 RA的第 6 7个字节中。 M、 从 D 1B 0中读出 c u tp rd ge S 2 8 o n_ e e e和 cu t _ r on _ rm i C语言程序如下： e an的Vod r a t i e d m

A m ga Te 8

( ni e h rm; u s ndca p g t

re; e t sO图 1系统结构框图

复位 D I B 0/ S 8 2 凝读 D IB 0R M命夸≈ S 8 2 A f读温度低字节/ /温度高字节/读

sn c d; ed m Otmp= e d e l ra_ _

4利用测温原理降低非线性误差首先 .由于 D 1 B 0的分辨率为 9 1可编 S82~ 2位

tp; m0

tmp=e d t p; e h ra m Ot= ra mp e d_

tp; m 0 tp; m 0 tp; m 0_

程，了得到较高精度的温度，采用 l为可 2位模式，理论上最小温度分辨率为 00 2 .6 5℃ .由于受各种但因素影响， S 8 2 D 1 B 0测量温度的分辨率真实值只有

t - ra mp e d_

t= ra mp e d— _

C u t r man e d o n e i=r a_

tp; m0_

05℃,系统设计巧妙结合 D 1B 0的内部结构 . .该 S8 2 进一步提高其分辨率。D 1B 0的内部结构框图如 S82图 2所示。}

C u tp r d ge o n e _ e r e= r a t 0 e d mp;

5采用最小二乘估计降低线性误差通过以上方法理论上可以得到 01℃范围内的 .误差，由于受各种因数的影响 .往误差范围能但往

低温度系 数振荡器—

预置

设置/ 清除最低有效位

达到 05℃。过分析 .知误差主要来源于芯片内 .通得部半导体热噪声。类型为线性误差，随温度的其并上升而误差增大。为了提高估计精度，于不同的对温度区间应采用不同的修正系数 .设该系统的线性误差模型如下：

温度寄存器高温度系

数振荡器

蒜

图 2 D IB 0的内部结构框图 S8 2

CMS 5 6测量而得 1 60 .

() 1为随温度变化的线性误差修

图 2中，高温度系数振荡器

确定一个门控周期，后在此门控周期内通过对低温度系数振荡器然

其中，为测量值，为真实值 (更高精度 采用

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正系数， C为误差补偿参数。

建立了 D 1B 0的误差模型后， S82通过试验来估计误差模型的参数。设被估计量是凡维随机向量，了得到其估计量 .它进行次线性观测得为对到：l

表 1温度采集实验数据表

D 1B0￥8 2修正前2 .6 5 5 O 2

高精度温度计 ( s56 M 60 )2.4 55

D 1B0 S82修正后2 .o 0 55 o

2

2 .2 0 8 153 .8 0 1 17 3 9 7 4. 3 5 3 .7 0 7 8 5

2 .0 853.2 15 3 .0 5O 3 .0 80

2 .o O 8 5o3 .3 5 14 7 3 .2 0 5 15 3 .3 5 7 97

z日+ (,, ) _, 2…k江1 该式可写成：Z1Z2 Z=● -●

( 2 )

3 4 5

日1日=●●●

V=

I/ 2● -●

应的单片机程序，就可得到误差在 01℃以内的温 .度精度。基于以上的理论基础，以设计出高精度、可 低性价比的温度传感器。

Z4

H4

其中， Z是 m维观测向量是 mxⅣ。 n观测矩阵是均值为零的 m维观测误差向量。 k>当 m n时， 由于方程的数目多于未知数的数目，因此可以根据 Z

6设计中遇到的问题和总结实验中，如果连接 D 1B 0传感器的普通电缆 S82长度超过 5,集到的温度将会发生错误，是 0i采 n若采用双绞线带屏蔽电缆，讯距离可以达到 1 0i,通 5 n

来估计。如果要求选择的一个估计，下列性使能指标达到极小 .么 .那就称这个估计为的最小二乘估计 .上述最小二乘估计只是一个确定性的求

通过分析 .可知是由于线路的分布电容使信号波形失真，实际井下应用中，传输的距离更近，在所同时屏蔽层必须接地。

极小值问题。因此可以通过使 )对的梯度等于零的方法来实现。 由梯度公式，得：可—

通过以上方法在一 0o一 8之间

精度提高 l C+ 5o C() 3

o _ x

_ ) 2 (— X),=一 H H (

了最少 3倍。而在温度超过+ 5和低于一 0℃时 8 1误差比较大，因为 D 1 B 0器件的温漂比较大。 S82参考文献：

令上式等于零，当则

为非奇异阵时，可得：

『沙占友. 1 1智能化集成温度传感器原理与应用[】 M.

() ( z= H )

z

() 4

北京：械工业出版社. 0 2机 20 .

上式就是由观测数据 Z求的最小二乘估计的表示式。其中是观测数据的 Z的线性函数。 某次实验所得的数据如表 1所列，取这五次

【马潮 .T G 8原理及应用手册【】 2 1 A ME A M.北京：华清大学出版社。 0 3 20. 『1 x nertdP ou t D 1B 0D t S etD 3Ma i It a rd cs S 2 aa h e【 m g e . 8 BO] t:d t h es xm c o/nd/ S 2 ./ L. t/ aa e tmai i. m e/s 1 B 0 hp/ s . c D 8p f2 0 . d, 0 2

D 1B 0修正前的数据为 Z向量，高精度温度计 S8 2 ( 60) MS 56的数据为日向量，被估计的温度为向量：2.65 502 2.20 8 15Z= 31 8 0 .1 7 2 54 5.

【】昊明. S 8 2 4陈 D 1B 0线性误差的最小二乘估计【】 C.20 0 3年全国单片机及嵌入式系统学术年会论文集.北京：北京航空航天大学出版社，0 3 2 0.=

2 .0 85H= 3 .2 15

『郑清水， 5 1马志瀛.短路电流实时计算的递推最小二

3. 20 5 1 53 85 7. 7 0

3 0 5. 0 3.3 80

乘校正算法[. J高压电器， 0,00) 4- 4 .] 2 4 (4: 124 0 4 2 作者简介：雨刚(90一)男，宁省阜新人，刘 16,辽副教

采用最小二乘法的最优估计公式 ()算得出 4计 K=100 C 1 26 .4 8.=一 . 5,该修正系数是在 2 C 4 5 5￣- 0温度下得到的。其他温度范围内也可采用相同方

授、硕士生导师，主要从事电力系统及其自动化的教学与研究工作。 收稿日期： 0— 8 0 2 6 0— 8 0咨询编号：6 2 2 0 1 1

法获得修

正系数。根据计算得到的修正系数编写相

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