數(shù)字式半導(dǎo)體測控芯片DS1620在溫度自動控制中的應(yīng)用

介紹了數(shù)字式溫度測控芯片在數(shù)字放射系統(tǒng)中X射線采集板溫度自動控制中的應(yīng)用。采用PC和單獨(dú)控制雙模塊分別控制溫度，利用半導(dǎo)體傳感器DS1620進(jìn)行四路溫度采集，通過單片機(jī)和PC串口通信、半導(dǎo)體制冷芯片控制X射線采集板的工作溫度。將其工作溫度控制在最佳工作范圍以便采集到更好的圖像，在通信故障時通過單獨(dú)控制模塊來控制采集板的溫度。
??? 關(guān)鍵詞：數(shù)字放射系統(tǒng)，溫度控制，通信，制冷芯片
　　

1　引　言
　　我國人口眾多，醫(yī)院病人流量很大，一個大型醫(yī)院放射科每天的病人在一百五十到二百人之間，一位放射科的主治醫(yī)生審一位病人片子的時間只有三分鐘，一個在數(shù)字放射系統(tǒng)（DigitalRadiography，DR）最佳溫度工作范圍內(nèi)采集的圖像，經(jīng)工作站處理后能讓醫(yī)生審片的時間只有數(shù)秒，而在此溫度之外采集到的圖像，工作站要一分鐘的處理時間，這對于只有三分鐘審一幅片子的醫(yī)生來說時間是最重要的。我國醫(yī)療環(huán)境比較差，醫(yī)院對整體系統(tǒng)的要求非常高，比如，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、易維護(hù)性、易操作性的要求就很高。所以，DR系統(tǒng)的溫度控制是必不可少的，且要求也非常高。
2　DS1620基本特性
　　DS1620是DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度測控芯片，其測溫范圍寬、讀數(shù)穩(wěn)定、外圍電路少，與PC機(jī)和單片機(jī)接口方便，可廣泛應(yīng)用于溫度控制，溫度測量，工業(yè)系統(tǒng)及熱敏系統(tǒng)中。
　　它的基本特性如下〔1〕：測溫范圍－55℃～＋125℃，測量分辨率0．5℃；溫度值以9位數(shù)字讀出；在1秒內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量；上下限溫度設(shè)置為用戶可定義式，且恒定存儲；數(shù)據(jù)的讀寫通過3線串行接口（CLK，DQ，RST）；工作頻率最大為2MHz；不需外圍電路。
　　DS1620為8腳DIP或SOIC封裝，其引腳功能如表1所示。

3　DS1620測溫原理
　　DS1620通過其專用的片載溫度測量技術(shù)進(jìn)行溫度測量，其測溫原理如圖1所示。對低溫系數(shù)振蕩器的　　脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)脈沖的周期由高溫系數(shù)振蕩器來決定〔1〕〔2〕。計數(shù)器和溫度寄存器預(yù)先設(shè)置為－55℃的基準(zhǔn)，如果計數(shù)器在脈沖周期結(jié)束之前到達(dá)0，則溫度寄存器開始增數(shù)，表明溫度值在－55℃之上，如此循環(huán)增值，最終溫度寄存器中的數(shù)字量即為所測溫度值〔3〕〔4〕。 　　計算溫度值在DS1620內(nèi)部進(jìn)行，采用分辨率為0．5℃。DS1620的溫度值以1／2℃LSB（最低有效位）表示，9位數(shù)據(jù)格式如下：
　　以DS1620為溫度傳感器可構(gòu)成溫度測量系統(tǒng)，通過PC機(jī)或單片機(jī)控制DS1620進(jìn)行溫度采樣，并由數(shù)字量轉(zhuǎn)換為攝氏溫度，然后進(jìn)行溫度顯示和控制。
4　溫控系統(tǒng)的組成
　　系統(tǒng)由主控模塊、測溫模塊、單獨(dú)控制模塊、通訊模塊、制冷模塊、報警模塊、供電模塊構(gòu)成。所用的主要元器件有：AT89C51，DS1620，MAX232，SN75451和半導(dǎo)體制冷芯片。
　　主控模塊由AT89C51構(gòu)成，主要功能是向測溫模塊采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，再將處理結(jié)果發(fā)送給PC，同時，接收由PC發(fā)送的命令，執(zhí)行PC命令來控制制冷模塊。
　　當(dāng)測得的四個測溫芯片都高于25℃（測溫芯片的TCOM腳輸出都為高）時，AT89C51的P0．0～P0．3為高。AT89C51采集到該信號時，將由P1．6發(fā)送報警信號給PC，并用P1．7接收由PC發(fā)送的控制信號：當(dāng)測得的4個測溫芯片中任意一個低于20℃（測溫芯片的TCOM腳輸出為低）時，AT89C51的P0．0～P0．3為低。AT89C51采集到該信號時，也將由P1．6發(fā)送報警信號給PC，并用P1．7接受由PC發(fā)送的控制信號。如果接收到PC發(fā)高于25℃信號，將P1．4置低驅(qū)動75451的輸出晶體管，使之導(dǎo)通，驅(qū)動繼電器吸合使制冷芯片制冷；當(dāng)接收到PC發(fā)低于20℃信號，將P1．4置高，75451的輸出晶體管截止，驅(qū)動繼電器不吸合使制冷芯片停止制冷。　　測溫模塊測量數(shù)據(jù)采集板四個角的溫度。當(dāng)溫度高于25℃時，DS1620的TCOM端發(fā)高電平；當(dāng)溫度低于20℃時，TCOM端發(fā)低電平。DS1620將TCOM端的信號分別發(fā)送到AT89C51的P0．0～P0．3管腳和GD74LS20，由AT89C51或GD74LS20來進(jìn)行相應(yīng)的控制。
　　通信模塊通過普通I／O口與PC機(jī)RS－232串口實現(xiàn)通信的硬件接口電路。由于PC系列微機(jī)串行口為RS－232C標(biāo)準(zhǔn)接口，與輸入、輸出均采用TTL電平的AT89C51單片機(jī)在接口規(guī)范上不一致，因此，TTL電平到RS－232接口電平的轉(zhuǎn)換采用MAXIM公司的MAX232標(biāo)準(zhǔn)RS－232接口芯片。該芯片可以用單電壓（＋5V）實現(xiàn)RS－232接口邏輯“1”（－3V～＋15V）和“0”（＋3V～＋15V）的電平轉(zhuǎn)換。AT89C51的P1．6模擬發(fā)送端，P1．7模擬接收端。
　　DS1620與計算機(jī)接口電路如圖2所示，A／D接口電路為DS1620提供＋5V電源，C3為去耦電容，R1、R2、R3為上拉電阻，R4、C1對CLK時鐘信號濾波并防止負(fù)脈沖，C2防止數(shù)據(jù)線DQ出現(xiàn)脈沖。
　　當(dāng)單片機(jī)和PC通信出現(xiàn)故障時，單獨(dú)控制模塊可以讓溫控自己工作，以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。利用DS1620發(fā)出的邏輯信號，用74LS20做一個與或處理，將處理過的信號發(fā)給SN75451來控制繼電器的吸合。 　　報警是為了防止制冷芯片一味制冷而損壞X射線采集板，或達(dá)到上限溫度卻不制冷而設(shè)計的，它是本系統(tǒng)安全可靠地工作的保證。報警模塊原理如圖3所示，當(dāng)測量　　溫度高于上限時，74LS20輸出為低電平，經(jīng)74LS04反相為高電平。這時，如果制冷芯片工作，A、B點均為高電平，D4、D5均截止；如果制冷芯片不工作，則A點為高電平，B點為低電平，則D5亮不制冷報警。當(dāng)測量溫度低于下限溫度時，74LS20輸出高電平，經(jīng)74LS04反相為低電平。這時，如果制冷芯片不工作，A、B點均為低電平，D4、D5均截止；如果制冷芯片工作，A點為低電平，B點為高電平，D4亮危險報警。
5　溫控系統(tǒng)在DR中的應(yīng)用
　　將溫控系統(tǒng)應(yīng)用在DR中，實現(xiàn)對DR－X射線采集板的溫度控制。圖4（a）為有溫控系統(tǒng)時采集到的圖像，而圖4（b）為沒有使用溫控系統(tǒng)所采集到的X光片圖像。從圖4的對比中可以看到，有溫控系統(tǒng)時采集到