智能溫度傳感器DSB的原理與應(yīng)用

智能溫度傳感器DS１８B２0的原理與應(yīng)用趙海蘭１,趙祥偉2（１沙洲職業(yè)工學(xué)院江蘇張家港21５６00;

２高新張銅公司江蘇張家港215600）

摘

要:DＳ1８B2０是DALLＡS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器,他具有獨(dú)特的單線總線接口方式。文章詳細(xì)的介紹了單線數(shù)字溫度傳感器DS1８B２0的測量原理、特性以及在溫度測量中的硬件和軟件設(shè)計(jì),具有接口簡單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。?

關(guān)鍵詞：ＤS18B20;單線制；溫度傳感器；單片機(jī)

ＤＳ1８B2０是美國DAＬLAS半導(dǎo)體公司繼ＤS１820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～1２位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75ｍs和７5０ms內(nèi)完成９位和1２位的數(shù)字量,并且從ＤS1８B２０讀出的信息或?qū)懭隓Ｓ18B２０的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B２0供電，而無需額外電源。因而使用DＳ1８B2０可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單,可靠性更高.他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DＳ1８20有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。１DS1８B２０簡介

(１）獨(dú)特的單線接口方式:DＳ18Ｂ20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS１8B20的雙向通訊.

(2)在使用中不需要任何外圍元件。

（3)可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍:＋3．0～＋5．5Ｖ。?

(４）測溫范圍：-55～+12５℃。固有測溫分辨率為0．5℃.

（5)通過編程可實(shí)現(xiàn)９~１2位的數(shù)字讀數(shù)方式。

（6)用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值.

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

（８）負(fù)壓特性,電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。?2ＤＳ１８B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?

DS18B20采用3腳ＰR35封裝或８腳SＯＩC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

（1)6４b閃速RＯM的結(jié)構(gòu)如下：

開始8位是產(chǎn)品類型的編號,接著是每個(gè)器件的惟一的序號,共有４８位，最后８位是前５６位的ＣRC校驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS1８B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。

（2）非易市失性溫度報(bào)警觸發(fā)器ＴH和ＴＬ,可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限.?

(3)高速暫存存儲器?

DS１8B２0溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存ＲAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的Ｅ２RAM。后者用于存儲ＴH,TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM,經(jīng)校驗(yàn)后再傳給E2ＲAＭ。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個(gè)字節(jié),他的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DS18Ｂ２0工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下：?

低5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(shí)該位被設(shè)置為0,用戶不要去改動，Ｒ１和Ｒ０決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù),即是來設(shè)置分辨率,如表1所示（DS１8B20出廠時(shí)被設(shè)置為1２位）.

由表1可見,設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮.?

高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個(gè)字節(jié)組成,其分配如下所示。其中溫度信息(第1,２字節(jié)）、TH和TL值第3,4字節(jié)、第6～8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1;第9字節(jié)讀出的是前面所有８個(gè)字節(jié)的CRC碼,可用來保證通信正確。

當(dāng)DS１8Ｂ20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后,開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1，2字節(jié).單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后,數(shù)據(jù)格式以0062５℃/LSＢ形式表示。溫度值格式如下：

對應(yīng)的溫度計(jì)算:當(dāng)符號位Ｓ＝０時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)Ｓ=１時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼,再計(jì)算十進(jìn)制值。表2是對應(yīng)的一部分溫度值。

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(shí)測量溫度并進(jìn)行告警搜索.?

(4)CRC的產(chǎn)生?

在６4bRＯM的最高有效字節(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(jì)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.３DS1８Ｂ20的測溫原理

ＤS１8Ｂ20的測溫原理如圖２所示,圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很?。郏保?，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入,圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí),DＳ１8B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)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(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中,減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)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(jì)數(shù),當(dāng)減法計(jì)數(shù)器１的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加１，減法計(jì)數(shù)器１的預(yù)置將重新被裝入,減法計(jì)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(jì)數(shù),如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到０時(shí),停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性,其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值,只要計(jì)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，這就是ＤS18B20的測溫原理。?

另外,由于ＤS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的,他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對DＳ1８B2０的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為:初始化DS１8Ｂ20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ＲＯM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。各種操作的時(shí)序圖與DS18２0相同,可參看文獻(xiàn)[２］。4DS1８Ｂ20與單片機(jī)的典型接口設(shè)計(jì)?

以MCS5１單片機(jī)為例，圖3中采用寄生電源供電方式，P11口接單線總線為保證在有效的DS18Ｂ２０時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOＳFET管和89Ｃ5１的P10來完成對總線的上拉［２]。當(dāng)DS１8B20處于寫存儲器操作和溫度A／Ｄ變換操作時(shí),總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10μｓ。采用寄生電源供電方式是VDＤ和ＧＮＤ端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的。主機(jī)控制ＤＳ18B２0完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過３個(gè)步驟：初始化、ROＭ操作指令、存儲器操作指令。假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)所用的晶振頻率為1２

ＭＨｚ，根據(jù)DS１8B2０的初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序,分別編寫3個(gè)子程序:INIT為初始化子程序,WRITＥ為寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序，REAＤ為讀數(shù)據(jù)子程序,所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始，實(shí)際在實(shí)驗(yàn)中不用這種方式,只要在數(shù)據(jù)線上加一個(gè)上拉電阻4.７ｋΩ,另外２個(gè)腳分別接電源和地.

5ＤS18B20的精確延時(shí)問題?

雖然DS18B２0有諸多優(yōu)點(diǎn)，但使用起來并非易事,由于采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式,DS１8B20的數(shù)據(jù)I/Ｏ均由同一條線完成。因此,對讀寫的操作時(shí)序要求嚴(yán)格。為保證DS18B２０的嚴(yán)格I／Ｏ時(shí)序,需要做較精確的延時(shí)。在DＳ18Ｂ２0操作中，用到的延時(shí)有1５μｓ，90μs,２70μs，54０μs等。因這些延時(shí)均為15μｓ的整數(shù)倍，因此可編寫一個(gè)DＥLAY15(n）函數(shù)，源碼如下：?

只要用該函數(shù)進(jìn)行大約15μs×Ｎ的延時(shí)即可.有了比較精確的延時(shí)保證,就可以對DS１8B２0進(jìn)行讀寫操作、溫度轉(zhuǎn)換及顯示等操作。

6結(jié)語?

我們已成功地將DS18B2０應(yīng)用于所開發(fā)的“ＬCD顯示氣溫”的控制系統(tǒng)中,其測溫系統(tǒng)簡單,測溫精度高，連接方便，占用口線少，轉(zhuǎn)換速度快,與微處理器的接口簡單,給硬件設(shè)計(jì)工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。參考文獻(xiàn)[1]胡振宇,劉魯源，杜振輝DS１8B2０接口的C語言程序設(shè)計(jì)［J］單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2０02,（7）?[２］金偉正單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用［J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2０00,(６)：６6６８數(shù)字溫度傳感器ＤS18B２０的原理與應(yīng)用馬云峰,陳子夫,李培全(山東濰坊學(xué)院自動化系,山東濰坊2６１041)1引言?

DＳ１８B２0是DＡＬLＡＳ公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器,具有3引腳TＯ—92小體積封裝形式；溫度測量范圍為—55℃~＋1２5℃，可編程為９位～1２位A/D轉(zhuǎn)換精度,測溫分辨率可達(dá)0．０６２５℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的1６位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS１８B２0可以并聯(lián)到3根或２根線上,CPＵ只需一根端口線就能與諸多DS18B２０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.以上特點(diǎn)使DＳ1８Ｂ2０非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。?2DS１8B2０的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?

圖１DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?圖2ＤS１８B２0的管腳排列?（ａ）初始化時(shí)序

（b）寫時(shí)序

（c）讀時(shí)序?圖３ＤS1８B20的工作時(shí)序圖

DS１8B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量,用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0．０6２５℃/ＬSB形式表達(dá)，其中S為符號位。例如+1２5℃的數(shù)字輸出為０７Ｄ０Ｈ,＋25。0６２5℃的數(shù)字輸出為０191H,-25。0６25℃2３２221２02-12－22—３２－4溫度值低字節(jié)?MＳBLＳＢSSＳSS2２2524溫度值高字節(jié)

高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH和ＴＬ、配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的EＥＰROＭ組成，使用一個(gè)存儲器功能命令可對TＨ、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：０R1R０11111MSBＬＳＢ

R1、R０決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù):R１R0＝“00”，9位精度,最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93。75mｓ；R1R０=“０1”,１0位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為１87.5ms;Ｒ1R0=“10",11位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為３75ｍs;R1R0＝“11”，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為75０ms；未編程時(shí)默認(rèn)為1２位精度。?高速暫存器是一個(gè)９字節(jié)的存儲器。開始兩個(gè)字節(jié)包含被測溫度的數(shù)字量信息;第3、4、5字節(jié)分別是ＴＨ、TＬ、配置寄存器的臨時(shí)拷貝，每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新;第6、7、8字節(jié)未用,表現(xiàn)為全邏輯１；第９字節(jié)讀出的是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRＣ碼,可用來保證通信正確。?3DＳ１８B２0的工作時(shí)序?DS１8Ｂ２０的一線工作協(xié)議流程是:初始化→ROＭ操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，如圖３(ａ）（ｂ）（c）所示。

4DS18B20與單片機(jī)的典型接口設(shè)計(jì)?

圖４以MCS—５1系列單片機(jī)為例，畫出了ＤS1８B２0與微處理器的典型連接。圖4(a)中DS1８B20采用寄生電源方式，其ＶＤD和GND端均接地,圖4（b）中DS18Ｂ２0采用外接電源方式，其VDD端用３V～5.５Ｖ電源供電.?

假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)所用的晶振頻率為12ＭHｚ，根據(jù)DＳ18B20的初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，分別編寫了3個(gè)子程序：INＩT為初始化子程序，ＷＲＩTＥ為寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序,RＥAＤ為讀數(shù)據(jù)子程序，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始.?

ＤAＴEQＵP1.０

……?

ＩNＩT：CLＲＥA?

INI10：SETBＤAT?

ＭＯＶＲ２,＃200

（ａ）寄生電源工作方式?(ｂ）外接電源工作方式

圖４ＤＳ１８B２0與微處理器的典型連接圖IＮI１１:ＣＬRDＡT?DＪNＺＲ２，INI1１；主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖持續(xù)３μs×2０0＝6０0μs?SETＢDAT;主機(jī)釋放總線，口線改為輸入?MＯVR2,＃30?ＩN１2：DＪＮＺＲ2，IＮI１2;DＳ1８B20等待2μs×３０=6０μs?CＬRC?OＲＬC，DＡT；DS18Ｂ2０數(shù)據(jù)線變低（存在脈沖）嗎？?JCIＮＩ１0；DＳ18B20未準(zhǔn)備好,重新初始化?MOVR6，＃8０?ＩNI１３：ＯＲLC,DAT?ＪCINＩ１4；DＳ1８B2０數(shù)據(jù)線變高,初始化成功?DJNＺR6,IＮI13；數(shù)據(jù)線低電平可持續(xù)３μs×８0=2４0μs?ＳJMPINＩ１0；初始化失敗,重來?INＩ14:MOVR２,#２４0?IN1５：ＤJNZR2，INＩ15;ＤＳ１8B２0應(yīng)答最少2μs×240＝４80μs?ＲＥT?；-—-－－-—－-－－—-——－--－--—－—

WRITE:CＬＲEＡ?MＯＶR3，＃８;循環(huán)8次，寫一個(gè)字節(jié)?WR11:SETＢDＡT?ＭＯVR４,＃８

ＲRＣＡ;寫入位從A中移到ＣY?CLRDAＴ

WＲ１2:DJNZR4，WR1２?；等待1６μs?MＯVDAＴ,Ｃ;命令字按位依次送給DS18B20?ＭOVR4，＃2０?WＲ1３：ＤJNZR4,WＲ１3

；保證寫過程持續(xù)６0μｓ?ＤJＮZＲ3，ＷR11

；未送完一個(gè)字節(jié)繼續(xù)

ＳＥTBDＡT

RＥT

；-－—－---－----－－-－－-－——－－—

ＲＥＡＤ：CLRＥＡ?MＯVR６,＃８;循環(huán)８次,讀一個(gè)字節(jié)?RD11:ＣＬＲＤAT?MＯＶR4，＃4?NOP;低電平持續(xù)２μｓ?ＳEＴＢDAT;口線設(shè)為輸入?ＲD12:DJＮＺR４,RＤ12?；等待８μｓ?ＭOVC，DAT

；主機(jī)按位依次讀入DS１8Ｂ20的數(shù)據(jù)?RＲCＡ;讀取的數(shù)據(jù)移入A?MＯVR5，＃30?ＲＤ13:DJＮZR5,RＤ1３

；保證讀過程持續(xù)6０μs

DJＮZR6，RD11?；讀完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，存入A中?SＥＴＢＤAＴ?ＲEＴ?；－-－-—-－—-－－－—－—－－—－—－－－—?

主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。必須