數(shù)字溫度傳感器

傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度 至 90 攝氏度 測量范圍，但熱敏電阻可靠性差，測量溫度準(zhǔn)確率低，對于 1 攝氏度 的信號是不適用的，還得經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由微處理器進(jìn)行處理。

    目前常用的微機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信的串行總線主要有 I 2C 總線， SPI 總線等。其中 I 2C 總線以同步串行 2 線方式進(jìn)行通信（一條時鐘線，一條數(shù)據(jù)線）， SPI 總線則以同步串行 3 線方式進(jìn)行通信（一條時鐘線，一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線）。這些總線至少需要兩條或兩條以上的信號線。而單總線（ 1-wire bus ），采用單根信號線，既可傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的， CPU 只需一根端口線就能與諸多單總線器件通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 因而，這種單總線技術(shù)具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，軟件設(shè)計簡單，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)。同時，基于單總線技術(shù)能較好地解決傳統(tǒng)識別器普遍存在的攜帶不便，易損壞，易受腐饋，易受電磁干擾等不足，因此，單總線具有廣闊的應(yīng)用前景，是值得關(guān)注的一個發(fā)展領(lǐng)域。

     單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換，控制都由這根線完成。主機(jī)或從機(jī)通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線，而讓其它設(shè)備使用總線。單總線通常要求外接一個約為 4.7K 的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時其狀態(tài)為高電平。

     DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術(shù)，其 能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，同時，它 可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，接口簡單， 使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。 部分功能電路的集成，使總體硬件設(shè)計更簡潔，能 有效地降低成本， 搭建電路和焊接電路時更快，調(diào)試也更方便簡單化，這也就 縮短了開發(fā)的周期 。

DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有*的優(yōu)點(diǎn)：

     （ 1 ）采用單總線的接口方式 與微處理器連接時 僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗*力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。

     （ 2 ）測量溫度范圍寬，測量精度高 DS18B20 的測量范圍為 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ； 在 -10~+ 85°C 范圍內(nèi)，精度為 ± 0.5°C 。

     （ 3 ）在使用中不需要任何外圍元件。

     （ 4 ）持多點(diǎn)組網(wǎng)功能 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。

     （ 5 ）供電方式靈活 DS18B20 可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而 使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。

     （ 6 ）測量參數(shù)可配置 DS18B20 的測量分辨率可通過程序設(shè)定 9~12 位。

     （ 7 ） 負(fù)壓特性 電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

（ 8 ）掉電保護(hù)功能 DS18B20 內(nèi)部含有 EEPROM ，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設(shè)定值。

     DS18B20 具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建自己的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)，因此也就被設(shè)計者們所青睞。

DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20測溫原理

DS18B20 的內(nèi)部測溫電路框圖

     低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1 ，為計數(shù)器提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，很敏感的振蕩器，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入，為計數(shù)器 2 提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 -55 ℃ 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 -55 ℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1 ，減法計數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值。

DS18B20 的管腳排列及封裝圖

DQ 為數(shù)字信號輸入 / 輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端，電源供電 3.0~5.5V （在寄生電源接線方式時接地）。

寄生電源工作方式

外接電源工作方式

     注意：當(dāng)溫度高于 １００℃ 時，不能使用寄生電源，因?yàn)榇藭r器件中較大的漏電流會使總線不能可靠檢測高低電平，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的增大。

     DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL 、配置寄存器。

     光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（地址： 28H ）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，并且每個 DS18B20 的序列號都不相同，因此它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼；zui后 8 位則是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1 ）。由于每一個 DS18B20 的 ROM 數(shù)據(jù)都各不相同，因此微控制器就可以通過單總線對多個 DS18B20 進(jìn)行尋址，從而實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。

64 b 閃速 ROM

     DS18B20 中的溫度傳感器用于完成對溫度的測量，它的測量精度可以配置成 9 位， 10 位， 11 位或 12 位 4 種狀態(tài)。溫度傳感器在測量完成后將測量的結(jié)果存儲在 DS18B20 的兩個 8BIT 的 RAM 中，單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后數(shù)據(jù)的存儲格式如下表（以 12 位轉(zhuǎn)化為例）：

　溫度信號寄存器格式

     這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0 ，這 5 位為 0 ，只要將測到的數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0 ，這 5 位為 1 ，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。

     例如： + 125 ℃ 的數(shù)字輸出為07D0H ， + 25.0625 ℃ 的數(shù)字輸出為0191H ， -25.0625 ℃ 的數(shù)字輸出為 FF6FH ， -55 ℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H 。

     DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與 TH ， TL 作比較，若 T>TH 或 T<TL, 則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只 DS18B20 同時測量溫度并進(jìn)行告警搜索。

DS18B20 溫度傳感器的存儲器

     DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 E2RAM, 后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH 、 TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。數(shù)據(jù)先寫入 RAM ，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給 E2RAM 。

     暫存存儲器包含了 8 個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，*個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位 TL ，第二個字節(jié)是溫度的高八位 TH 。第三個和第四個字節(jié)是 TH 、 TL 的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，可用來保證通信正確。 DS18B20 的分布如下：

   DS18B20 的暫存寄存器分布

     在 64 b ROM 的zui高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC ）。主機(jī)根據(jù) ROM 的前 56 位來計算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主機(jī)收到的 ROM 數(shù)據(jù)是否正確。

設(shè)置寄存器

設(shè)置寄存器位于高速閃存的低5個字節(jié)，這個寄存器中的內(nèi)容被用來確定溫度的轉(zhuǎn)換精度。寄存器各位的內(nèi)容如下：

DS18B20 的設(shè)置寄存器各位內(nèi)容

     該寄存器的低五位一直都是 1 ， TM 是測試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在 DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0 ，用戶不要去改動。 R1 和 R0 用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（ DS18B20 出廠時被設(shè)置為 12 位）

分辨率設(shè)置

     由表可知，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。

DS18B20 的溫度測量

     1-WIRE 網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，一般通過雙絞線與 1-WIRE 元件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，它們通常被定義為漏極開路端點(diǎn)，主 / 從式多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，而且一般都在主機(jī)端接上一個上拉電阻 +5V 電源。通常為了給 1-WIRE 設(shè)備提供足夠的電源，需要一個 MOSFET 管將 1-WIRE 總線上拉至 +5V 電源。

DS18B20 組成的 1-WIRE 網(wǎng)絡(luò)

     1-WIRE 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是分時定義的，有嚴(yán)格的時隙概念，下圖是復(fù)位脈沖的時隙。

1-WIRE 協(xié)議的復(fù)位脈沖時隙

1-WIRE 讀寫“ 0/ 1 ” 時隙

     DS18B20 單線通信功能是分時完成的，他有嚴(yán)格的時隙概念，如果出現(xiàn)序列混亂， 1-WIRE 器件將不響應(yīng)主機(jī)，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。根據(jù) DS18B20 的協(xié)議規(guī)定，微控制器控制 DS18B20 完成溫度的轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過以下 4 個步驟 ：

     （１）每次讀寫前對 DS18B20 進(jìn)行復(fù)位初始化。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500ms ，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16ms~60ms 左右，然后發(fā)出 60ms~240ms 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號后表示復(fù)位成功。

     （２）發(fā)送一條 ROM 指令，如下表所示：

DS18B20 的 ROM 指令集

     （３）發(fā)送存儲器指令，如下表所示：

指令名稱	指令代碼	指令功能
溫度變換	44H	啟動 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間zui長為 500ms （典型為 200ms ），結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中
讀暫存器	0BEH	讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容
寫暫存器	4EH	發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 3 ， 4 字節(jié)寫上，下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)
復(fù)制暫存器	48H	將 RAM 中第 3 ， 4 字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到 EEPROM 中
重調(diào) EEPROM	0B8H	EEPROM 中的內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 3 ， 4 字節(jié)
讀供電方式	0B4H	讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時 DS18B20 發(fā)送“ 0 ”，外接電源供電 DS18B20 發(fā)送“ 1 ”

DS18B20 的存儲器指令集

（4）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

DS18B20 使用中注意事項(xiàng)

     DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：

     （ 1 ）每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，zui后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16 ～ 60 微秒左右，后發(fā)出 60 ～ 240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復(fù)位成功。（所有的讀寫時序至少需要 60us ，且每個獨(dú)立的時序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時間。在寫時序時，主機(jī)將在下拉低總線 15us 之內(nèi)釋放總線，并向單總線器件寫 1 ；若主機(jī)拉低總線后能保持至少 60us 的低電平，則向單總線器件寫 0 。單總線僅在主機(jī)發(fā)出讀寫時序時才向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)，所以，當(dāng)主機(jī)向單總線器件發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便單總線器件能傳輸數(shù)據(jù)。）

     （ 2 ）在寫數(shù)據(jù)時，寫 0 時單總線至少被拉低 60US， 寫 1 時 ，15US 內(nèi)就得釋放總線。

     （ 3 ）轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0 ，這 5 位為 0 ，只要將測到的數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0 ，這 5 位為 1 ，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。

     （ 4 ）較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820 進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M 、 C 等語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS1820 操作部分采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。

    （５） 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS1820 ，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS1820 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。

     （６） 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達(dá) 150m ，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS1820 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。測溫電纜線建議采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC 和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。

     （ 7 ）在 DS1820 測溫程序設(shè)計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦某個 DS1820 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS1820 時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。