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DS1820芯片在電化學(xué)傳感器溫度補償中的應用
作者：
時(shí)間：2010-04-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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一、前言
工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境溫度變化范圍大而劇烈，工作在工業(yè)現場(chǎng)的傳感器大多數都對溫度有一定的敏感度，這樣就會(huì )使傳感器的零點(diǎn)和靈敏度發(fā)生變化，從而造成輸出值隨環(huán)境溫度變化，導致測量出現附加誤差，因此溫度補償問(wèn)題一直是傳感器技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節。
溫度補償的方法一般分為硬件補償和軟件補償兩種方法。目前應用較廣泛的是利用微處理器實(shí)現溫度漂移軟件補償方法。本文要介紹的溫度補償方法也屬于一種軟件補償，只是在具體實(shí)現的過(guò)程中提出了新的設計方案―采用單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS1820芯片和LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)中的神經(jīng)元芯片（Neuron Chip即CPU）實(shí)現傳感器的溫度補償，并以電化學(xué)傳感器為例，詳細介紹了它的硬件電路和軟件設計部分。
二、傳感器溫度漂移軟件補償原理
由于周?chē)h(huán)境溫度變化而引起傳感器的附加誤差，可以采用軟件的方法來(lái)修正，其基本思路是：在傳感器內靠近對溫度敏感的部件處，安裝一個(gè)測溫元件，用以檢測傳感器所在環(huán)境的溫度；把測溫元件的輸出經(jīng)過(guò)多路開(kāi)關(guān)與信號同一路徑送入CPU（或者采用多通道模/數轉換環(huán)節），根據溫度誤差的數學(xué)模型去補償被測信號，以達到精確測量的目的，其中溫度誤差修正模型一般是根據具體的傳感器溫度特性用曲線(xiàn)擬合方法而建立的。
傳感器采用這種軟件補償方法解決溫度附加誤差時(shí)，通常測溫元件大多采用熱電阻，因此必須增加相應的熱電阻溫度變送器以及A/D轉換兩部分的電路，任何一個(gè)環(huán)節都不能缺少，具體實(shí)施起來(lái)難免顯得有些繁瑣，而且兩部分電路的溫度特性可能成為新的附加誤差。
三、傳感器溫度漂移軟件補償新方案
針對上述提出的問(wèn)題，我們可以通過(guò)用數字式溫度傳感器代替熱電阻檢測周?chē)h(huán)境溫度來(lái)解決。在這里我們推薦使用美國Dallas半導體公司研制生產(chǎn)的DS1820芯片一種單總線(xiàn)數字溫度傳感器，它具有許多獨特的優(yōu)良性能：
（1）可以把溫度信號直接轉換為9位數字量，溫度的轉換可以在1秒內完成；
（2）只通過(guò)一根數據線(xiàn)就能實(shí)現與微處理器的通訊，而且芯片正常工作所需要的電源也可以從這根數據線(xiàn)上獲得，無(wú)需外部電源；
（3）具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)；
（4）價(jià)格便宜，僅為普通溫度變送器的十分之一。
經(jīng)實(shí)驗研究證明這種傳感器可以很好地解決溫度漂移軟件補償中的測溫問(wèn)題。
四、電化學(xué)傳感器的溫度補償方案
電化學(xué)傳感器通過(guò)測量氣體在某個(gè)確定電位電解時(shí)所產(chǎn)生的電流從而得到氣體的濃度值。這種傳感器體積小、重量輕，不僅靈敏度高，而且測量準確、響應時(shí)間快、使用壽命長(cháng)，是目前比較理想的一種氣體濃度測量傳感器。不過(guò)，和大多數傳感器一樣，其溫度特性不太理想，在實(shí)際使用時(shí)需要進(jìn)行溫度補償。具體思路是：在確定傳感器輸出量與溫度之間的數學(xué)模型后，通過(guò)數字溫度傳感器DS1820芯片，直接把溫度信號轉換成相應的數字量，送入CPU進(jìn)行后續處理，即根據傳感器的溫度特性對測量值進(jìn)行修正，實(shí)現用軟件的方法消除由于環(huán)境溫度的變化給測量帶來(lái)的誤差。
1、電化學(xué)傳感器溫度補償硬件電路設計
硬件電路設計如圖1所示，其核心部分主要是神經(jīng)元芯片和DS1820芯片。神經(jīng)元芯片有11個(gè)雙向、可編程I/O口（管腳IO_0至IO_10）。這些I/O口可根據需求不同，靈活選擇接口方式，實(shí)現與外圍設備的接口。另外，Neuron芯片有34個(gè)預編程的操作模式（即I/O對象），支持電平、脈沖、頻率等各種信號，可以實(shí)現有效的測量和控制。本文涉及到的I/O對象主要有Neurowire I/O對象和Touch I/O對象，前者主要用于傳送全同步串行數據，數據一次傳輸8位，首先傳輸最高有效位；后者主要用于與Dallas半導體公司開(kāi)發(fā)的One-Wire協(xié)議接口，以便與觸摸式存儲器（Touch Memories）和相似的設備進(jìn)行通信（DS1820芯片就屬于One-Wire設備），對于DS1820芯片工作時(shí)所需要的一系列初始化序列，Touch I/O對象都有相應的內部函數支持，例如：touch_reset，該函數插入一個(gè)復位脈沖，如果檢測到存在脈沖則返回1，如果未檢測到存在脈沖則返回0，或1-WIRE總線(xiàn)總是為低電平則返回-1。有了這些函數的支持，神經(jīng)元芯片對外圍電路DS1820芯片的控制與通信就顯得非常方便，因此在這一點(diǎn)上明顯優(yōu)于其他的微處理器。
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