CN112564674A - 一种用于ds18b20温度传感器的总线信号隔离电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，包括：短路保护模块、计数器、时钟信号模块、指示电路和电源模块；短路保护模块包括iic总线信号端、温度传感器、N沟道场效应管、电感RT6、电感RT7、三极管QR1和三极管QR2；N沟道场效应管挂于iic总线与温度传感器信号线之间，其栅极连接QR1集电极，QR1集电极连接RT6一端，RT6另一端连接高电平，QR1发射级接地，QR1基极连接计数器；QR2发射极连接温度传感器信号线，QR2集电极连接RT7一端，RT7另一端连接高电平；两个三极管的基极连接计数器的同一脉冲输出端；N沟道场效应管的漏极连接电源模块。本发明在温度传感器故障时与连接单线断开同时不影响单线上整体的温度传感器正常工作，从而提高总体工作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及隔离电路技术领域，具体涉及一种用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路。
背景技术
DS18B20是常用的数字温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式。同时，DS18B20属于单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：1.采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2.测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为-55℃～+125℃；在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。3.在使用中不需要任何***元件。4.持多点组网功能多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。
虽然上述的四种DS18B20温度传感器的特点足以说明其作为“一线器件”出色的性能，但是却存在以下不足：
由于多个DS18B20温度传感器同时与微处理器连接在唯一的单线，若某一DS18B20出现故障短路。则影响其余温度传感器的正常工作。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，使得DS18B20温度传感器可以在故障时与连接单线断开同时不影响单线上整体的温度传感器正常工作，从而提高总体工作稳定性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，包括：短路保护模块、计数器、时钟信号模块、指示电路和电源模块；
所述短路保护模块包括iic总线信号端、温度传感器、N沟道场效应管、电感RT6、电感RT7、三极管QR1和三极管QR2；
所述N沟道场效应管的漏极与iic总线信号端连接，所述N沟道场效应管的源极与温度传感器信号线连接，所述N沟道场效应管的栅极与三极管QR1的集电极连接，所述三极管QR1的集电极与电感RT6一端连接，所述电感RT6另一端连接高电平，所述三极管QR1的发射级接地，所述三极管QR1的基极与计数器的脉冲输出端连接；
所述三极管QR2的发射极与温度传感器信号线连接，所述三极管QR2的集电极与电感RT7一端连接，所述电感RT7另一端连接高电平；
所述三极管QR1的基极、所述三极管QR2的基极连接计数器的同一脉冲输出端；
所述N沟道场效应管的漏极与电源模块连接，所述电源模块用于提供稳压电源；
所述时钟信号模块与计数器连接，用于给计数器提供时钟频率；
所述指示电路与iic总线、电源模块连接，用于指示iic总线电平变化及电源模块导通情况。
作为优选的技术方案，所述计数器采用计数器CD4040，温度传感器短路时，所述计数器的脉冲输出端输出高电平。
作为优选的技术方案，所述时钟信号模块包括555时基电路、电感RT1、电感RT2、电容C11和电容C12；
所述555时基电路第一引脚接地；
所述555时基电路第二引脚与电容C11正极连接，所述电容C11负极接地；
所述555时基电路第三引脚与计数器连接，用于提供1Hz时钟频率；
所述555时基电路第四引脚为复位端，当传感器短路且计数器计满设定时间时，输出低电平；
所述555时基电路第五引脚与电容C12正极连接，所述电容C12负极接地；
所述555时基电路第六引脚与电容C11正极连接；
所述555时基电路第八引脚接高电平；
所述电感RT1一端接高电平，所述电感RT1另一端与电感RT2一端连接，所述电感RT2另一端与电容C12正极连接；
所述电感RT1另一端还与555时基电路第七引脚连接。
作为优选的技术方案，所述指示电路包括发光二极管LED1、发光二极管LED2、电感RT3、电感RT4、电感RT5、三极管QR3；
所述电感RT4一端连接高电平，所述电感RT4另一端与发光二极管LED1的正极连接，所述发光二极管LED1的负极与三极管QR3的集电极连接，所述三极管QR3的基极与电感RT3一端连接，所述电感RT3的另一端与iic总线信号端连接，所述三极管QR3的发射极接地；
所述电感RT5一端与电源模块输出端连接，所述电感RT5另一端与发光二极管LED2正极连接，所述发光二极管LED2负极接地。
作为优选的技术方案，所述电源模块包括稳压芯片、电容C6和电容C7；
所述iic总线信号端通过整流二极管与稳压芯片的输入端连接；
所述电容C6负极与稳压芯片的接地引脚连接，所述电容C6正极与稳压芯片的输入端连接，所述稳压芯片的输出端与电容C7的正极连接，所述电容C7的负极接地。
作为优选的技术方案，所述稳压芯片采用HT7333-A稳压芯片，用于稳压输出3.3V。
作为优选的技术方案，所述N沟道场效应管型号采用WNM2016，三极管QR1和三极管QR2型号均采用NPN9013。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的用于DS18B20数字温度传感器的总线信号隔离电路，使得DS18B20温度传感器可以在故障时与连接单线断开同时不影响单线上整体的温度传感器正常工作，从而提高总体工作稳定性。
(2)本发明的用于DS18B20数字温度传感器的总线信号隔离电路，可以实现整体低功耗，整体电路采用低电流的器件，减小了损耗。
(3)本发明的电路经过多次检测和器件组合测试，其电路结构能够保证时序不受影响，使得电路通信稳定。
附图说明
图1为本实施例用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路的主电路结构示意图；
图2为本实施例计数器的电路结构示意图；
图3为本实施例计数器CD4040的引脚示意图；
图4为本实施例时钟信号模块的电路结构示意图；
图5为本实施例555时基电路引脚示意图；
图6为本实施例指示电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例提供一种用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，包括：短路保护模块、计数器、时钟信号模块、指示电路以及电源模块；
如图1所示，短路保护模块用于当温度传感器发生短路时断开故障的温度传感器与总线之间的通信，确保总线上其他温度传感器的正常使用；短路保护模块包括：iic总线信号端、温度传感器DS18B20、N沟道场效应管(WNM2016)、电感RT6、电感RT7、三极管QR1、三极管QR2；
其中，N沟道场效应管(WNM2016)挂于iic总线与温度传感器信号线之间(漏极连接iic总线，源极连接温度传感器信号线)，用于当温度传感器发生短路时断开故障的温度传感器与总线之间的通信，确保总线上其他温度传感器的正常使用。场效应管的栅极连接着三极管QR1的集电极，三极管QR1的集电极与电感RT6一端连接，电感RT6另一端连接高电平，三极管QR1发射级接地，三极管基极与计数器Q3引脚相连，与温度传感器信号线相连的还有三极管QR2(NPN9013)的发射极，电感RT7连接三极管QR2(NPN9013)的集电极。
如图2所示，计数器用来实现计数功能，用于辅佐短路保护模块，其中计数器CD4040的引脚端口sensorsign能够通过计时信号控制通断。
计数器CD4040是12位二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器。计数器在时钟下降沿进行计数，CR为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用施密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制。所有输入和输出均经过缓冲。
如图3所示，各个引脚具体定义为：
引脚10：时钟输入端；引脚11：清除端；
引脚1、2、3、4、5、6、7、9、12、13、14、15均为计数器脉冲输出端，分别定义为：Q11、Q5、Q4、Q6、Q3、Q2、Q1、Q0、Q8、Q7、Q9、Q10；
引脚16VDD：正电源
引脚8Vss：地
当电路正常工作时，第六引脚Q3高电平时11脚清除端处于清零状态。分为两种工作情况：
第一种情况：第六引脚Q3高电平时，CD4040的11引脚同时也为高电平，其输出引脚处于清零状态，Q3为低电平，三极管QR1的集电极与发射极之间电阻接近无穷大，场效应管栅极为高电平，故其源极与漏极导通，主控器与总线上的温度传感器正常通信。
第二种：短路情况下低电平，温度传感器短路时，sensorsign低电平，CD4040第11引脚低电平，触发CD4040开始计时，当计时满4秒时，第6引脚由低电平跳转高电平，即三极管QR1基极高电平，其集电极与发射极导通，场效应管(WNM2016)栅极低电平致使场效应管源极与漏极截止，使温度传感器与总线断开，确保故障传感器不会影响到总线上其他传感器的通信。场效应管断开之后，传感器信号线通过三极管QR2上拉，直到传感器短路状况恢复正常(高电平)，即sensorsign为高电平，此时，计数器CD4040第11引脚从低电平跳转高电平，计数器清零，从而三极管QR2与QR1集电极与发射极截止，传感器信号线断开3.3V上拉，场效应管栅极恢复高电平，总线与该温度传感器重新恢复通信状态。
如图4所示，时钟信号模块电路包括：555时基电路，加上两个电感(电感RT1与电感RT2)串联为等效电阻器的模块，10UF的电容C11和0.01UF的电容C12；
时钟信号模块采用555时基电路，555时基电路用于给计数器提供1Hz时钟频率，当传感器短路且计数器计满设定时间时，555res为低电平，555时基电路停止嘀嗒，以确保计数器第10引脚接收不到跳变沿信号。
如图5所示，555时基电路管脚功能如下：
1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5-16V,COMS型时基电路VCC的范围为3-18V。一般用5V。
3脚：输出端V0；
2脚：低触发端当该端电压低于1/3Ucc时，输出高电平；
6脚：高触发端当该端电压高于2/3Ucc时，输出低电平；
4脚：强制复位端。当此脚接低电平，则时基电路不工作，此时不论2脚6脚处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：为控制端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，但该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：放电端，该端与放电管集电极相连，用作定时器时电容的放电。
555时基电路用于给计数器提供1Hz时钟频率，当传感器短路且计数器计满设定时间时，555res为低电平，555时基电路停止嘀嗒，以确保计数器第10引脚接收不到跳变沿信号。两个电感用于调节输出电压。电容接地则抗干扰。
如图6所示，指示电路包括三极管QR1、两个发光二极管LED1、LED2，及其各自串联的电感RT4、电感RT5。其中，LED1与三极管QR1(NPN9013)的集电极相连，基极连接电感RT3，发射极接地。RT3左端的s接口与D3相接的s接口为同一接口。指示电路用于实现控制台与信号隔离器的人机交互，采用发光二极管指示电源导通情况与总线通信的电平变化情况，有助于人眼直观观察电路的运行；
电源模块用于提供稳压输出3.3V电源。电源模块有低功耗稳压芯片HT7333-A、电容C6、电容C7。总线信号线通过肖特基二极管D3整流后送入3.3v低功耗稳压芯片HT7333-A的稳压模块，将5V电压转换成3.3V供给整个隔离电路，其中电容C6起到滤波，抗干扰的作用。电容C7为寄生电源。整个隔离电路采用3.3V供电是为了减少隔离电路用电对总线电压的损耗，做到低功耗。
在本实施例中，用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路的工作原理是：
N沟道场效应管(wmn2016)挂于iic总线与温度传感器信号线之间，用于当温度传感器发生短路时断开故障的温度传感器与总线之间的通信，确保总线上其他温度传感器的正常使用。场效应管的栅极连接三极管的集电极，当电路正常工作不发生短路时，sensorsign有两种电平状态：时序规定下的高电平与短时间(不超过2s)的低电平与短路情况下的低电平(低电平时间超过2s)。第一种情况：高电平时，CD4040的11引脚同时也为高电平，其输出引脚处于清零状态，Q3为低电平，三极管QR1的集电极与发射极之间电阻接近无穷大，场效应管栅极为高电平，故其源极与漏极导通，主控器与总线上的温度传感器正常通信。第二种：短路情况下低电平，温度传感器短路时，sensorsign低电平，CD4040第11引脚低电平，触发CD4040开始计时，当计时满4秒时，第6引脚由低电平跳转高电平，即三极管QR1基极高电平，其集电极与发射极导通，场效应管(WNM2016)栅极低电平致使场效应管源极与漏极截止，使温度传感器与总线断开，确保故障传感器不会影响到总线上其他传感器的通信。场效应管断开之后，传感器信号线通过三极管QR2上拉，直到传感器短路状况恢复正常(高电平)，即sensorsign为高电平，此时，计数器CD4040第11引脚从低电平跳转高电平，计数器清零，从而三极管QR2与QR1集电极与发射机截止，传感器信号线断开3.3V上拉，场效应管栅极恢复高电平，总线与该温度传感器重新恢复通信状态。555时基电路用于给计数器提供1Hz时钟频率，当传感器短路且计数器计满设定时间时，555res为低电平，555时基电路停止嘀嗒，以确保计数器第10引脚接收不到跳变沿信号。本电路采用寄生电源法直接从总线上取电，由于工业级控制器电压为5V，故，总线信号线通过肖特基二极管整流后送入3.3v稳压模块，将5V电压转换成3.3V供给整个隔离电路，其中电容C7为寄生电源。整个隔离电路采用3.3V供电是为了减少隔离电路用电对总线电压的损耗，做到低功耗。指示电路采用发光二极管指示电源导通情况与总线通信的电平变化情况，有助于人眼直观观察电路的运行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，其特征在于，包括：短路保护模块、计数器、时钟信号模块、指示电路和电源模块；
所述短路保护模块包括iic总线信号端、温度传感器、N沟道场效应管、电感RT6、电感RT7、三极管QR1和三极管QR2；
所述N沟道场效应管的漏极与iic总线信号端连接，所述N沟道场效应管的源极与温度传感器信号线连接，所述N沟道场效应管的栅极与三极管QR1的集电极连接，所述三极管QR1的集电极与电感RT6一端连接，所述电感RT6另一端连接高电平，所述三极管QR1的发射级接地，所述三极管QR1的基极与计数器的脉冲输出端连接；
所述三极管QR2的发射极与温度传感器信号线连接，所述三极管QR2的集电极与电感RT7一端连接，所述电感RT7另一端连接高电平；
所述三极管QR1的基极、所述三极管QR2的基极连接计数器的同一脉冲输出端；
所述N沟道场效应管的漏极与电源模块连接，所述电源模块用于提供稳压电源；
所述时钟信号模块与计数器连接，用于给计数器提供时钟频率；
所述指示电路与iic总线、电源模块连接，用于指示iic总线电平变化及电源模块导通情况。
2.根据权利要求1所述的用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，其特征在于，所述计数器采用计数器CD4040，温度传感器短路时，所述计数器的脉冲输出端输出高电平。
3.根据权利要求1所述的用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，其特征在于，所述时钟信号模块包括555时基电路、电感RT1、电感RT2、电容C11和电容C12；
所述555时基电路第一引脚接地；
所述555时基电路第二引脚与电容C11正极连接，所述电容C11负极接地；
所述555时基电路第三引脚与计数器连接，用于提供1Hz时钟频率；
所述555时基电路第四引脚为复位端，当传感器短路且计数器计满设定时间时，输出低电平；
所述555时基电路第五引脚与电容C12正极连接，所述电容C12负极接地；
所述555时基电路第六引脚与电容C11正极连接；
所述555时基电路第八引脚接高电平；
所述电感RT1一端接高电平，所述电感RT1另一端与电感RT2一端连接，所述电感RT2另一端与电容C12正极连接；
所述电感RT1另一端还与555时基电路第七引脚连接。
4.根据权利要求1所述的用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，其特征在于，所述指示电路包括发光二极管LED1、发光二极管LED2、电感RT3、电感RT4、电感RT5、三极管QR3；
所述电感RT4一端连接高电平，所述电感RT4另一端与发光二极管LED1的正极连接，所述发光二极管LED1的负极与三极管QR3的集电极连接，所述三极管QR3的基极与电感RT3一端连接，所述电感RT3的另一端与iic总线信号端连接，所述三极管QR3的发射极接地；
所述电感RT5一端与电源模块输出端连接，所述电感RT5另一端与发光二极管LED2正极连接，所述发光二极管LED2负极接地。
5.根据权利要求1所述的用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，其特征在于，所述电源模块包括稳压芯片、电容C6和电容C7；
所述iic总线信号端通过整流二极管与稳压芯片的输入端连接；
所述电容C6负极与稳压芯片的接地引脚连接，所述电容C6正极与稳压芯片的输入端连接，所述稳压芯片的输出端与电容C7的正极连接，所述电容C7的负极接地。
6.根据权利要求5所述的用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，其特征在于，所述稳压芯片采用HT7333-A稳压芯片，用于稳压输出3.3V。
7.根据权利要求1所述的用于DS18B20温度传感器的总线信号隔离电路，其特征在于，所述N沟道场效应管型号采用WNM2016，三极管QR1和三极管QR2型号均采用NPN9013。
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2020
- 2020-12-22 CN CN202011525284.8A patent/CN112564674A/zh active Pending
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