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基于一线总线的温湿度传感器设计
jiang_0514 发表于 2009/2/25 10:54:57 757 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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由传统的温湿度传感器构成的计算机温湿度测控系统，需要使用电源、信号、地线等多根导线，并要求系统为其提供电源和模拟量输入接口，同时对信号传输距离、电磁干扰也要求较为严格，尤其是在测量点数较多时，上述问题显得尤为突出，这不仅使系统成本增加，也使系统可靠性大为降低。而如果沿着电缆线也能传送电源的话，那么就可替代外部电源来为系统供电。一种巧妙的、从数据线上“窃电”的方法，使得多个器件可挂接在同一根电缆线上，并双向传送数据，同时为器件提供电源，这就是单总线微网技术。这种方法不仅节省了额外的连线和远端电源，有效地降低了成本，更有意义的是单总线上挂接的器件具有全球唯一的序列号，和自定时控制器，因此简化了温湿度测控系统设计。
目前DALLAS公司提供了多种一线总线温度传感器，如DS1820、DS18B20、DS18S20等，采用上述器件并利用单总线微网技术，可轻松构成全数字化的万点测温系统。但对于湿度的测量，DALLAS公司并未提供相应的传感器，这就给利用单总线微网技术测量温湿度带来不便，针对这种情况，我们采用Honeywell公司相对湿度传感器HIH-3610，配合DALLAS公司一线总线器件DS2438设计出一种完全符合一线总线规范的温湿度传感器，可直接挂接在一线总线上，构成一线总线温湿度测控系统。
二、一线总线温湿度传感器结构
挂在一线总线上的器件必须满足以下几方面的要求：
⑴低功耗：一线总线的电源通常由一个连接于3V～5.5V电源端的4.7kΩ上拉电阻提供，其提供的电源能量是非常有限的，故要求一线总线器件必须满足低功耗的特性。
⑵具有唯一的身份码：一线总线是通过身份码来识别挂在同一总线上的不同器件的，因此要求每个一线总线器件均具有全球唯一的64位ROM识别码。
⑶必须满足一线总线器件的时序要求。
根据上述对一线总线器件的要求设计出的一线总线温湿度传感器如图1所示。这里选用了具有功耗低特性的HIH-3610湿度传感器，以满足一线总线对低功耗的要求，选用了一线总线器件DS2438以满足身份码及时序要求，下面对上述器件予以详细介绍。
三、 HIH-3610集成湿度传感器
HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该传感器还具有精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点，其性能指标如表1所示，输出电压与相对湿度的关系曲线如图2所示。
由特性指标及输出电压与相对湿度关系曲线可得出如下结论：
⑴HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200μA，故完全可满足一线总线对器件低功耗的要求。
⑵HIH-360输出电压为：
Vout= Vsupply[0.0062(sensor%RH)+0.16]
即输出电压Vout不仅正比于湿度测量值，且与电源电压值Vsupply有关，若Vsupply固定为5V，则其值仅由相对温度值决定，但由于一线总线上的供电电压值为变量，故要求在进行湿度测量的同时还应测量电源电压Vsupply的值。
⑶HIH-3610测量的湿度值还与环境温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为：
RH=(sensor%RH)/1.0546-0.0216T
式中：T为环境摄氏温度值。
因此，为得到准确的湿度测量值，还应在测量湿度的同时测量环境温度和一线总线电源电压值。
四、 一线总线器件DS2438
为实现上述参数的计算机测量，要求所选用的器件不仅能完成温度、湿度和电压值的测量，还应满足一线总线对器件身份码及时序的要求，因此只有选用一线总线器件才能同时满足上述要求。若选用DS2450一线总线A/D转换器，并配合一线总线数字温度传感器DS1820，虽可完成温湿度测量功能，但会增加传感器的软件硬件复杂程度，故这里选用DALLAS公司的智能电池监视器件DS2438，该器件主要特性如下：
一线总线接口，只有一根信号线与CPU连接；
无需备份电源，可用数据线供电；
片内10位精度的电压ADC，（0～10V输入10位，0～5V输入9位）；
片内10位精度的电流ADC（带符号）；
片内13位精度的温度传感器；
温度测量范围-55℃～125℃，测量精度为±0.5℃；
片内40Byte的E2PROM，可用于保存电池参数、充电时间；
片内实时时钟；
64Bit ID ROM。
由上述特性可知DS2438硬件资源有2个ADC和一个温度传感器，电压ADC对0~10V输入信号实现10位变换或通过内部多路开关对0~5V输入信号实现9位变换，用来读取加在电源引脚上的电压。电流ADC用来测量大电池电流流经外部0.05W电阻时产生的电压，具有带符号的10位精度，全量程电压为±250mV。DS2438还有一个类似于DS18B20的13位温度传感器，其测温精度为±0.5℃，除此之外该器件还具有实时时钟功能及提供了40字节非易失性存储器。由上述介绍可知，DS2438较多的硬件资源，恰好可满足本设计中温湿度测量的需要。
本系统利用DS2438内部的温度传感器实现环境温度的测量，此温度一方面由于温度值输出，另一方面用于湿度测量时温度值的补偿。然后利用DS2438内部的电压ADC，通过多路开关切换分别得到湿度测量值和湿度测量时一线总线的电压值。这样，通过DS2438可获得温湿度测量值及温度补偿值。
此外，利用DS2438内部的E2PROM可存储温度传感器HIH3610的标定技术参数，如型号、件号、卷宗、流水号，5V电压下的标定值、精度等，由此可知，选用DS2438使传感器的软硬件设计得到简化。
五、供电电路
由图1可见，使用DS2438可方便地把一个电压输出的湿度传感器转换成智能化的具备多点测量功能的一线总线温湿度传感器。此外由于需从一线总线上获取电源提供给DS2438和HIH3610，故还应设计相应的电源电路。电源电路由VD1、VD2及电容C1构成，其中肖特基二极管BAT54S和电容C1构成半波整流电路，在总线空闲时为DS2438供电，C1为0.1μF的容量足以满足HIH3610所需的200μA工作电流，这实际上也是一线总线器件内部所采用的寄生供电方式，只是在本系统中用分立器件方式实现。肖特基二极管VD2接在一线总线与地线之间，目的是将负向信号偏移限制在-40V以内以实现电路的保护功能。
六、结束语
本文根据一线总线规范设计出一种一线总线温湿度传感器，一线总线主机可根据读取的湿度值、温度值及电压值经计算后得到实际的湿度值，同时可利用存储在DS2438 E2PROM中的传感器标定参数对传感器输出值进行修正，以减少传感器标识误差。因此本传感器具有较高的智能化程度和测量精度。同时由于每个传感器均挂在一条总线上，从而大大减少了布线及安装费用，使采用单总线微网技术构成的多点温湿度测量系统成为可能，因而具有广泛的应用前景。