智能温度传感器DS18B20的原理与应用.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流智能温度传感器DS18B20的原理与应用.精品文档.智能温度传感器DS18B20的原理与应用赵海兰1,赵祥伟2(1沙洲职业工学院江苏 张家港215600；2高新张铜公司江苏张家港215600)    摘  要：DS18B20是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，他具有独特的单线总线接口方式。文章详细的介绍了单线数字温度传感器DS18B20的测量原理、特性以及在温度测量中的硬件和软件设计，具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点。    关键词：DS18B20；单线制；温度传感器；单片机    DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。1DS18B20简介    （1）独特的单线接口方式：DS18B20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）在使用中不需要任何外围元件。    （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 V。    （4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。    （5）通过编程可实现912位的数字读数方式。    （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。    （7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。    （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2DS18B20的内部结构    DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图1所示。    (1) 64 b闪速ROM的结构如下：    开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。    (2) 非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。    (3) 高速暂存存储器    DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：    低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。    由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。    高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第68字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。    当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0062 5 /LSB形式表示。温度值格式如下：    对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。    DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T<TL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。    (4) CRC的产生    在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。3DS18B20的测温原理    DS18B20的测温原理如图2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小1，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。    另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同，可参看文献2。4DS18B20与单片机的典型接口设计   以MCS51单片机为例，图3中采用寄生电源供电方式， P11口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89C51的P10来完成对总线的上拉2。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 s。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。假设单片机系统所用的晶振频率为12 MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7 k,另外2个脚分别接电源和地。5DS18B20的精确延时问题    虽然DS18B20有诸多优点，但使用起来并非易事，由于采用单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。因此，对读写的操作时序要求严格。为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。在DS18B20操作中，用到的延时有15 s，90 s，270 s，540 s等。因这些延时均为15 s的整数倍，因此可编写一个DELAY15（n）函数，源码如下：    只要用该函数进行大约15 s×N的延时即可。有了比较精确的延时保证，就可以对DS18B20进行读写操作、温度转换及显示等操作。6结语    我们已成功地将DS18B20应用于所开发的“LCD显示气温”的控制系统中，其测温系统简单，测温精度高，连接方便，占用口线少，转换速度快，与微处理器的接口简单，给硬件设计工作带来了极大的方便，能有效地降低成本，缩短开发周期。参考文献1胡振宇，刘鲁源，杜振辉DS18B20接口的C语言程序设计J单片机与嵌入式系统应用，2002，(7)2金伟正单线数字温度传感器的原理与应用J.电子技术应用，2000，（6）：6668数字温度传感器DS18B20的原理与应用马云峰,陈子夫,李培全(山东潍坊学院自动化系,山东潍坊261041)1引言        DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。2DS18B20的内部结构        DS18B20内部结构如图1所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图2所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地，见图4）。        ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8X5X41）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。图1DS18B20的内部结构图2DS18B20的管脚排列（a）初始化时序（b）写时序（c）读时序图3DS18B20的工作时序图        DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。例如125的数字输出为07D0H，25.0625的数字输出为0191H，25.0625的数字输出为FF6FH，55的数字输出为FC90H。 23 22 21 20 21 22 23 24 温度值低字节MSBLSB S S S S S 22 25 24 温度值高字节        高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下： 0 R1 R0 1 1 1 1 1 MSBLSB         R1、R0决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。3DS18B20的工作时序DS18B20的一线工作协议流程是：初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图3（a）（b）（c）所示。4DS18B20与单片机的典型接口设计    图4以MCS51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。图4（a）中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地，图4（b）中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V5.5V电源供电。    假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写了3个子程序：INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。    DATEQUP1.0        INIT:CLREA    INI10:SETBDAT    MOVR2,200 （a）寄生电源工作方式（b）外接电源工作方式图4DS18B20与微处理器的典型连接图INI11:CLRDATDJNZR2,INI11；主机发复位脉冲持续3s×200=600sSETBDAT；主机释放总线，口线改为输入MOVR2,30IN12:DJNZR2,INI12；DS18B20等待2s×30=60sCLRCORLC,DAT；DS18B20数据线变低（存在脉冲）吗？JCINI10；DS18B20未准备好，重新初始化MOVR6,80INI13:ORLC,DATJCINI14；DS18B20数据线变高，初始化成功DJNZR6,INI13；数据线低电平可持续3s×80=240sSJMPINI10；初始化失败，重来INI14:MOVR2,240IN15:DJNZR2,INI15；DS18B20应答最少2s×240=480sRET；WRITE:CLREAMOVR3,8；循环8次，写一个字节WR11:SETBDATMOVR4,8RRCA；写入位从A中移到CYCLRDATWR12:DJNZR4,WR12；等待16sMOVDAT,C；命令字按位依次送给DS18B20MOVR4,20WR13:DJNZR4,WR13；保证写过程持续60sDJNZR3,WR11；未送完一个字节继续SETBDATRET；READ:CLREAMOVR6,8；循环8次，读一个字节RD11:CLRDATMOVR4,4NOP；低电平持续2sSETBDAT；口线设为输入RD12:DJNZR4,RD12；等待8sMOVC,DAT；主机按位依次读入DS18B20的数据RRCA；读取的数据移入AMOVR5,30RD13:DJNZR5,RD13；保证读过程持续60sDJNZR6,RD11；读完一个字节的数据，存入A中SETBDATRET；        主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。假设一线仅挂接一个芯片，使用默认的12位转换精度，外接供电电源，可写出完成一次转换并读取温度值子程序GETWD。    GETWD:LCALLINIT    MOVA,0CCH    LCALLWRITE；发跳过ROM命令    MOVA,44H    LCALLWRITE；发启动转换命令    LCALLINIT    MOVA,0CCH；发跳过ROM命令    LCALLWRITE    MOVA,0BEH；发读存储器命令    LCALLWRITE    LCALLREAD    MOVWDLSB,A    ；温度值低位字节送WDLSB    LCALLREAD    MOVWDMSB,A    ；温度值高位字节送WDMSB    RET            子程序GETWD读取的温度值高位字节送WDMSB单元，低位字节送WDLSB单元，再按照温度值字节的表示格式及其符号位，经过简单的变换即可得到实际温度值。        如果一线上挂接多个DS18B20、采用寄生电源连接方式、需要进行转换精度配置、高低限报警等，则子程序GETWD的编写就要复杂一些，限于篇幅，这一部分不再详述，请参阅相关内容。        我们已成功地将DS18B20应用于所开发的“家用采暖洗浴器”控制系统中，其转换速度快，转换精度高，与微处理器的接口简单，给硬件设计工作带来了极大的方便，能有效地降低成本，缩短开发周期。