DS18S20溫度傳感器的高精度測(cè)溫及校正算法

安凱

摘 ?要： 文獻(xiàn)[1]中給出一種DS18S20數(shù)字式溫度傳感器測(cè)溫修正算法，但這種算法還不能充分利用DS18S20寄存器所給出的數(shù)據(jù)，最大限度地反映溫度傳感器的測(cè)量數(shù)值。其次是沒(méi)有考慮算法給出的溫度的校準(zhǔn)問(wèn)題，這里提出一種精確的測(cè)溫算法，可以無(wú)誤差地表示傳感器給出的溫度值，同時(shí)還研究了傳感器輸出值的校準(zhǔn)問(wèn)題，給出了基于最小二乘法的校準(zhǔn)公式。在仿真過(guò)程中，以高精度的測(cè)溫儀器為標(biāo)準(zhǔn)，給出了算法的校正公式，結(jié)果表明校正公式的誤差優(yōu)于0.01 ℃。

關(guān)鍵詞： DS18S20； 測(cè)溫； 傳感器； 校正

中圖分類(lèi)號(hào)： TN62?34； TK311 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）23?0097?03

Algorithm of high?precision temperature measurement

and calibration for temperature sensor DS18S20

AN Kai

（Shandong Aerospace Electro?technology Institute， Yantai 264670， China）

Abstract： An algorithm on temperature measurement calibration for the digital temperature sensor DS18S20 is proposed in Reference [1]， but it can′t make full use of the data given by DS18S20 registers to represent the temperature value from the sensor exactly. In addition， the algorithm does not pay attention to the calibration of temperature measurement. A accurate algorithm for temperature measurement is presented in this paper， which can derive the temperature values from the DS18S20 sensor. The calibration of temperature output value of DS18S20 is investigated in this paper. The calibration expression based on the least square method is offered. By dint of the measuring instrument with high precision， the calibration expression was developed. The simuliation results indicate that the calibration expression can greatly improve the measurement precision， and its measurement error is less than 0.01℃.

Keywords： DS18S20； temperature measurement； sensor； callibration

0 ?引 ?言

目前，測(cè)量溫度都是采用間接測(cè)量的方法，即利用溫度傳感器的性能隨溫度而變化的特性，通過(guò)測(cè)量該性能參數(shù)得到被測(cè)溫度的大小[2]。用以測(cè)量溫度的特性有材料的熱膨脹、電阻、熱電動(dòng)勢(shì)、導(dǎo)磁率、介電系數(shù)、光學(xué)特性、彈性等[3]。溫度傳感器的選用是高精度測(cè)溫的重要環(huán)節(jié)。在溫度測(cè)量時(shí)由于被測(cè)對(duì)象常常遠(yuǎn)離測(cè)試設(shè)備，傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器與測(cè)試設(shè)備之間的導(dǎo)線的電阻值隨環(huán)境溫度產(chǎn)生變化，而流過(guò)傳感器的工作電流在導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的電壓將迭加在傳感器的輸出信號(hào)上，成為無(wú)法消除的原始誤差，這種誤差會(huì)嚴(yán)重制約溫度測(cè)量精度[4?7]。此外，多點(diǎn)測(cè)量切換和放大電路零點(diǎn)漂移也將嚴(yán)重影響溫度測(cè)量精度[8]。由于模擬溫度傳感器存在上述不足，新型溫度傳感器的研究與應(yīng)用正從模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展[9?10]。數(shù)字溫度傳感器不必進(jìn)行誤差補(bǔ)償，并適配各種微控制器，具有較高的溫度分辨率。

1 ?DS18S20溫度傳感器特性

DS18S20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了片上（ON?B0ARD）專(zhuān)利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。與其他溫度傳感器相比，DS18S20具有以下特性：

（1） 獨(dú)特的單線接口方式，DS18S20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18S20的雙向通信。

（2） DS18S20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18S20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。

（3） DS18S20在使用中不需要任何外圍元件。

（4） 溫范圍為-55～+125 ℃，固有測(cè)溫分辨率為0.5 ℃。

（5） 測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。

由于DS18S20的上述優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)溫場(chǎng)合。然而在正常測(cè)溫情況下，DS18S20的測(cè)溫分辨率僅為0.5 ℃，對(duì)許多測(cè)溫精度要求較高場(chǎng)合DS18S20仍顯精度不足。為此文獻(xiàn)[1]中給出一種DS18S20測(cè)溫的修正算法。首先用DS18S20提供的讀暫存寄存器指令（BEH）讀出以0.5 ℃為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分[T整數(shù)，]然后再用BEH指令讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值[M剩余]和每度計(jì)數(shù)值[M每度，]考慮到DS18S20測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25 ℃，0.75 ℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度[T實(shí)際]可用下式計(jì)算得到：

[T實(shí)際=（T整數(shù)-0.25 ℃）+（M每度-M剩余）M每度] （1）

式中：[T整數(shù)]是所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分；[M剩余]是計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值；[M每度]是每度計(jì)數(shù)值。這些值都可從DS18S20的內(nèi)部暫存寄存器中獲得。但是，這個(gè)公式存在很大問(wèn)題。例如，實(shí)際溫度為25.18 ℃，不妨設(shè)[M每度=]100，則[M剩余=82，]根據(jù)式（1）算出來(lái)的[T實(shí)際=]24.93 ℃，誤差甚至大于原有輸出25.0 ℃。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了改進(jìn)公式，可以消除上述公式的計(jì)算誤差。此外，本文還提出了基于最小二乘法的溫度修正公式，用以消除計(jì)算溫度與實(shí)際溫度之間的誤差。

2 ?高精度測(cè)溫算法

文獻(xiàn)[1]中給出的測(cè)溫算法有兩個(gè)缺陷，其一是不能準(zhǔn)確反映傳感器所給出的溫度；其二是不能消除傳感器本身存在輸出頻率隨時(shí)間漂移所引起的測(cè)量誤差。高精度測(cè)溫算法旨在消除計(jì)算誤差，準(zhǔn)確給出溫度傳感器所反映的溫度。根據(jù)DS18S20內(nèi)部暫存寄存器的工作原理，高精度測(cè)溫算法可表示為：

當(dāng)LSB=0時(shí)：

[T實(shí)際=T輸出+（M每度-M剩余）M每度] （2）

當(dāng)LSB=1時(shí)：

[T實(shí)際=（T輸出-0.5）+（M每度-M剩余）M每度] （3）

式中：[T輸出]為測(cè)量結(jié)束后DS18S20串行輸出的符號(hào)位以外的變換結(jié)果；LSB為溫度結(jié)果字符串的最低位。

假定實(shí)際溫度為25.18 ℃，仍然不妨假定[M每度=]100，則[M剩余=82，]并且LSB=0，選擇式（2），則：

[T實(shí)際=25.0+（100-82）100=25.18 ℃]

也就是說(shuō)，分辨率提升到0.01 ℃。

再假定實(shí)際溫度為25.88 ℃，仍然不妨假定[M每度=]100，則[M剩余=12，]并且LSB=1，選擇式（3），則：

[T實(shí)際=（25.5-0.5）+（100-12）100=25.88 ℃]

因此這種測(cè)溫算法可以徹底消除溫度傳感器反映溫度與計(jì)算溫度之間的誤差。

3 ?測(cè)溫公式的校正

DS18S20溫度傳感器的測(cè)溫原理是建立在晶振頻率相對(duì)變化率與溫度存在線性關(guān)系基礎(chǔ)之上。但從晶體的頻率溫度特性曲線圖（見(jiàn)圖1）可以看出晶振頻相對(duì)變化率與溫度并不具有線性關(guān)系，只不過(guò)是在某一段溫度區(qū)間內(nèi)“十分”接近線性關(guān)系而已。因此為了更準(zhǔn)確地測(cè)量出實(shí)際溫度，還需要在上述高精度測(cè)溫算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼25t1.tif>；

圖1 頻率溫度特性曲線圖

假定[Y（1），Y（2），…，Y（n）]為不同時(shí)刻由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀器測(cè)得的某一物體的溫度值，而[T（1），T（2），…，T（n）]是在相應(yīng)時(shí)刻由DS18S20溫度傳感器利用上述算法計(jì)算得到的溫度值。由晶體的頻率溫度特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，這線曲線與三次拋物線比較接近，因此可以采用三次拋物線模型表示實(shí)際溫度，即：

[Y（t）=c0+c1T（t）+c2T2（t）+c3T3（t）] ? （4）

式中：[c0，c1，c2，c3]為待定系數(shù)。

由此可以得到方程組：

[Y（1）=c0+c1T（1）+c2T2（1）+c3T3（1）Y（2）=c0+c1T（2）+c2T2（2）+c3T3（2） ? ? ? ? ? ? ??Y（n）=c0+c1T（n）+c2T2（n）+c3T3（n）]

或：

[Y（1）Y（2）?Y（n）=1T（1）T2（1）T3（1）1T（2）T2（2）T3（2）????1T（n）T2（n）T3（n）c0c1c2c3]

記：

[Y=Y（1）Y（2）?Y（n），C=c0c1c2c3，T=1T（1）T2（1）T3（1）1T（2）T2（2）T3（2）????1T（n）T2（n）T3（n）]

則有：

[Y=TC]

其最小二乘解為：

[C=（TTT）-1TTY]

將求出的解代入式（4）中就得到高精度測(cè)溫的校正公式：

[Y（t）=c0+c1T（t）+c2T2（t）+c3T3（t）]

4 ?仿 ?真

在恒溫箱內(nèi)利用CTC?1200A溫度校準(zhǔn)儀和DS18S20溫度傳感器同時(shí)測(cè)溫，后者采用本文中給出的高精度測(cè)溫算法，測(cè)得的結(jié)果如表1所示。

由表1利用校正公式可求出：

[C=-0.222 21.023 0-0.000 80.000 008]

因此校正后的測(cè)溫公式為：

[Y=-0.222 2+1.023 0T-0.000 8T2+0.000 008T3]

利用這個(gè)公式得：

當(dāng)溫度[T=79]時(shí)：

[Y=79.996 2]

當(dāng)溫度[T=-18.990 6]時(shí)：

[Y=-19.990 7]

測(cè)溫精度優(yōu)于0.01 ℃。

5 ?結(jié) ?論

仿真結(jié)果表明，通過(guò)采用高精度測(cè)溫算法和校正公式可以將測(cè)溫精度從原來(lái)的0.5 ℃提高到0.01 ℃。需要指出的是，由于DS18S20溫度傳感器本身的差異，校正公式只能針對(duì)具體的器件通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出，但一經(jīng)校準(zhǔn)，公式就可以確定。另外，由于DS18S20溫度傳感器比較便宜，利用廉價(jià)的器件進(jìn)行高精度測(cè)溫，可以有效地降低高精度測(cè)溫系統(tǒng)的成本，具有廣泛的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

表1 CTC?1200A溫度校準(zhǔn)儀和DS18S20溫度

傳感器測(cè)溫結(jié)果比較表

[[Y]＼&；[T]＼&；[Y]＼&；[T]＼&；[Y]＼&；[T]＼&；-20＼&；-18.990 6＼&；15＼&；15.027 0＼&；50＼&；49.936 0＼&；-15＼&；-14.271 0＼&；20＼&；20.008 0＼&；55＼&；54.875 0＼&；-10＼&；-9.488 0＼&；25＼&；25.001 0＼&；60＼&；59.784 0＼&；-5＼&；-4.657 0＼&；30＼&；30.000 0＼&；65＼&；64.657 0＼&；0＼&；0.216 0＼&；35＼&；34.999 0＼&；70＼&；69.488 0＼&；5＼&；5.125 0＼&；40＼&；39.992 0＼&；75＼&；74.271 0＼&；10＼&；10.064 0＼&；45＼&；44.973 0＼&；80＼&；79.000 0＼&；]

參考文獻(xiàn)

[1] Dallas Semiconductor. DS18S20 data books [M]. USA： Dallas Semiconductor， 1995.

[2] 曹玉璋.傳熱學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[3] 羅文廣，蘭紅莉，陸子杰.基于單總線的多點(diǎn)溫度測(cè)量技術(shù)[J].傳感器技術(shù)，2002，21（3）：47?50.

[4] 閔桂榮，郭舜.航天器熱控制[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[5] 楮桂柏，馬世俊.宇航技術(shù)概論[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[6] 張恩勤.模糊控制與PID控制方法的比較[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33（5）：501?503.

[7] 張開(kāi)遜.遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的新原理[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1998，19（2）：113?117.

[8] 高憲文，蔡曉燕.基于PID控制的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焦?fàn)t溫度控制中的應(yīng)用研究[J].信息與控制，2005，34（6）：709?713.

[9] 趙肇田，許倫輝.基于模糊推理的人工氣候室溫度PID控制器參數(shù)的整定[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（4）：13?15.

[10] 黃繼昌，徐巧魚(yú)，張海貴，等.傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，1998.

表1 CTC?1200A溫度校準(zhǔn)儀和DS18S20溫度

傳感器測(cè)溫結(jié)果比較表

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參考文獻(xiàn)

[1] Dallas Semiconductor. DS18S20 data books [M]. USA： Dallas Semiconductor， 1995.

[2] 曹玉璋.傳熱學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[3] 羅文廣，蘭紅莉，陸子杰.基于單總線的多點(diǎn)溫度測(cè)量技術(shù)[J].傳感器技術(shù)，2002，21（3）：47?50.

[4] 閔桂榮，郭舜.航天器熱控制[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[5] 楮桂柏，馬世俊.宇航技術(shù)概論[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[6] 張恩勤.模糊控制與PID控制方法的比較[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33（5）：501?503.

[7] 張開(kāi)遜.遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的新原理[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1998，19（2）：113?117.

[8] 高憲文，蔡曉燕.基于PID控制的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焦?fàn)t溫度控制中的應(yīng)用研究[J].信息與控制，2005，34（6）：709?713.

[9] 趙肇田，許倫輝.基于模糊推理的人工氣候室溫度PID控制器參數(shù)的整定[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（4）：13?15.

[10] 黃繼昌，徐巧魚(yú)，張海貴，等.傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，1998.

表1 CTC?1200A溫度校準(zhǔn)儀和DS18S20溫度

傳感器測(cè)溫結(jié)果比較表

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參考文獻(xiàn)

[1] Dallas Semiconductor. DS18S20 data books [M]. USA： Dallas Semiconductor， 1995.

[2] 曹玉璋.傳熱學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[3] 羅文廣，蘭紅莉，陸子杰.基于單總線的多點(diǎn)溫度測(cè)量技術(shù)[J].傳感器技術(shù)，2002，21（3）：47?50.

[4] 閔桂榮，郭舜.航天器熱控制[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[5] 楮桂柏，馬世俊.宇航技術(shù)概論[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[6] 張恩勤.模糊控制與PID控制方法的比較[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33（5）：501?503.

[7] 張開(kāi)遜.遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的新原理[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1998，19（2）：113?117.

[8] 高憲文，蔡曉燕.基于PID控制的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焦?fàn)t溫度控制中的應(yīng)用研究[J].信息與控制，2005，34（6）：709?713.

[9] 趙肇田，許倫輝.基于模糊推理的人工氣候室溫度PID控制器參數(shù)的整定[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（4）：13?15.

[10] 黃繼昌，徐巧魚(yú)，張海貴，等.傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，1998.