摘 要：采用Honeywell公司相對(duì)濕度傳感器HIH3610，配合DALLAS公司一線總線器件DS2438設(shè)計(jì)出一種完全符合一線總線規(guī)范的溫濕度傳感器。文中對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的闡述。
關(guān)鍵詞：一線總線；溫濕度傳感器；計(jì)算機(jī)測(cè)量
一 、概述
由傳統(tǒng)的溫濕度傳感器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)，需要使用電源、信號(hào)、地線等多根導(dǎo)線，并要求系統(tǒng)為其提供電源和模擬量輸入接口，同時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸距離、電磁干擾也要求較為嚴(yán)格，尤其是在測(cè)量點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，上述問(wèn)題顯得尤為突出，這不僅使系統(tǒng)成本增加，也使系統(tǒng)可靠性大為降低。而如果沿著電纜線也能傳送電源的話，那么就可替代外部電源來(lái)為系統(tǒng)供電。一種巧妙的、從數(shù)據(jù)線上“竊電”的方法，使得多個(gè)器件可掛接在同一根電纜線上，并雙向傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)為器件提供電源，這就是單總線微網(wǎng)技術(shù)。這種方法不僅節(jié)省了額外的連線和遠(yuǎn)端電源，有效地降低了成本，更有意義的是單總線上掛接的器件具有全球唯一的序列號(hào)，和自定時(shí)控制器，因此簡(jiǎn)化了溫濕度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
目前DALLAS公司提供了多種一線總線溫度傳感器，如DS1820、DS18B20、DS18S20等，采用上述器件并利用單總線微網(wǎng)技術(shù)，可輕松構(gòu)成全數(shù)字化的萬(wàn)點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。但對(duì)于濕度的測(cè)量，DALLAS公司并未提供相應(yīng)的傳感器，這就給利用單總線微網(wǎng)技術(shù)測(cè)量溫濕度帶來(lái)不便，針對(duì)這種情況，我們采用Honeywell公司相對(duì)濕度傳感器HIH-3610，配合DALLAS公司一線總線器件DS2438設(shè)計(jì)出一種完全符合一線總線規(guī)范的溫濕度傳感器，可直接掛接在一線總線上，構(gòu)成一線總線溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。
二、一線總線溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)
掛在一線總線上的器件必須滿足以下幾方面的要求：
1、低功耗：一線總線的電源通常由一個(gè)連接于3V～5.5V電源端的4.7kW上拉電阻提供，其提供的電源能量是非常有限的，故要求一線總線器件必須滿足低功耗的特性。
2、具有唯一的身份碼：一線總線是通過(guò)身份碼來(lái)識(shí)別掛在同一總線上的不同器件的，因此要求每個(gè)一線總線器件均具有全球唯一的64位ROM識(shí)別碼。
3、必須滿足一線總線器件的時(shí)序要求。

根據(jù)上述對(duì)一線總線器件的要求設(shè)計(jì)出的一線總線溫濕度傳感器如圖1所示。這里選用了具有功耗低特性的HIH-3610濕度傳感器，以滿足一線總線對(duì)低功耗的要求，選用了一線總線器件DS2438以滿足身份碼及時(shí)序要求，下面對(duì)上述器件予以詳細(xì)介紹。
三、HIH-3610集成濕度傳感器
HIH-3610是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的相對(duì)濕度傳感器，該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時(shí)在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對(duì)濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出的任務(wù)，同時(shí)該傳感器還具有精度高、響應(yīng)快速、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn)，其性能指標(biāo)如表1所示，輸出電壓與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線如圖2所示。

即輸出電壓不僅正比于濕度測(cè)量值，且與電源電壓值有關(guān)，若固定為5V，則其值僅由相對(duì)溫度值決定，但由于一線總線上的供電電壓值為變量，故要求在進(jìn)行濕度測(cè)量的同時(shí)還應(yīng)測(cè)量電源電壓的值。
3、HIH-3610測(cè)量的濕度值還與環(huán)境溫度有關(guān)，故應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為：式中：T為環(huán)境攝氏溫度值。
因此，為得到準(zhǔn)確的濕度測(cè)量值，還應(yīng)在測(cè)量濕度的同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和一線總線電源電壓值。
四、一線總線器件DS2438
為實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的計(jì)算機(jī)測(cè)量，要求所選用的器件不僅能完成溫度、濕度和電壓值的測(cè)量，還應(yīng)滿足一線總線對(duì)器件身份碼及時(shí)序的要求，因此只有選用一線總線器件才能同時(shí)滿足上述要求。若選用DS2450一線總線A/D轉(zhuǎn)換器，并配合一線總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，雖可完成溫濕度測(cè)量功能，但會(huì)增加傳感器的軟件硬件復(fù)雜程度，故這里選用DALLAS公司的智能電池監(jiān)視器件DS2438，該器件主要特性如下：
一線總線接口，只有一根信號(hào)線與CPU連接；
無(wú)需備份電源，可用數(shù)據(jù)線供電；
片內(nèi)10位精度的電壓ADC，（0～10V輸入10位，0～5V輸入9位）；
片內(nèi)10位精度的電流ADC（帶符號(hào)）；
片內(nèi)13位精度的溫度傳感器；
溫度測(cè)量范圍-55℃～125℃，測(cè)量精度為±0.5℃；
片內(nèi)40Byte的E2PROM，可用于保存電池參數(shù)、充電時(shí)間；
片內(nèi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘；
64Bit ID ROM。
由上述特性可知DS2438硬件資源有2 個(gè)ADC和一個(gè)溫度傳感器，電壓ADC對(duì)0~10V輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)10位變換或通過(guò)內(nèi)部多路開(kāi)關(guān)對(duì)0~5V輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)9位變換，用來(lái)讀取加在電源引腳上的電壓。電流ADC用來(lái)測(cè)量大電池電流流經(jīng)外部0.05W電阻時(shí)產(chǎn)生的電壓，具有帶符號(hào)的10位精度，全量程電壓為±250mV。DS2438還有一個(gè)類(lèi)似于DS18B20的13位溫度傳感器，其測(cè)溫精度為±0.5℃，除此之外該器件還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能及提供了40字節(jié)非易失性存儲(chǔ)器。由上述介紹可知，DS2438較多的硬件資源，恰好可滿足本設(shè)計(jì)中溫濕度測(cè)量的需要。
本系統(tǒng)利用DS2438內(nèi)部的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量，此溫度一方面由于溫度值輸出，另一方面用于濕度測(cè)量時(shí)溫度值的補(bǔ)償。然后利用DS2438內(nèi)部的電壓ADC，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)切換分別得到濕度測(cè)量值和濕度測(cè)量時(shí)一線總線的電壓值。這樣，通過(guò)DS2438可獲得溫濕度測(cè)量值及溫度補(bǔ)償值。
此外，利用DS2438內(nèi)部的E2PROM可存儲(chǔ)溫度傳感器HIH3610的標(biāo)定技術(shù)參數(shù)，如型號(hào)、件號(hào)、卷宗、流水號(hào)，5V電壓下的標(biāo)定值、精度等，由此可知，選用DS2438使傳感器的軟硬件設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化。
五、供電電路
由圖1可見(jiàn)，使用DS2438可方便地把一個(gè)電壓輸出的濕度傳感器轉(zhuǎn)換成智能化的具備多點(diǎn)測(cè)量功能的一線總線溫濕度傳感器。此外由于需從一線總線上獲取電源提供給DS2438和HIH3610，故還應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源電路。電源電路由VD1、VD2及電容C1構(gòu)成，其中肖特基二極管BAT54S和電容C1構(gòu)成半波整流電路，在總線空閑時(shí)為DS2438供電，C1為 0.1mF的容量足以滿足HIH3610所需的200mA工作電流，這實(shí)際上也是一線總線器件內(nèi)部所采用的寄生供電方式，只是在本系統(tǒng)中用分立器件方式實(shí)現(xiàn)。肖特基二極管VD2接在一線總線與地線之間，目的是將負(fù)向信號(hào)偏移限制在-40V以?xún)?nèi)以實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)功能。
六、結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)一線總線規(guī)范設(shè)計(jì)出一種一線總線溫濕度傳感器，一線總線主機(jī)可根據(jù)讀取的濕度值、溫度值及電壓值經(jīng)計(jì)算后得到實(shí)際的濕度值，同時(shí)可利用存儲(chǔ)在DS2438 E2PROM中的傳感器標(biāo)定參數(shù)對(duì)傳感器輸出值進(jìn)行修正，以減少傳感器標(biāo)識(shí)誤差。因此本傳感器具有較高的智能化程度和測(cè)量精度。同時(shí)由于每個(gè)傳感器均掛在一條總線上，從而大大減少了布線及安裝費(fèi)用，使采用單總線微網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成的多點(diǎn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)成為可能，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。