1、智能温度传感器 DS18B20 的原理与应用 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 9 12 位的数字值读数方式。可以分别在
2、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）
3、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：
4、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 E 2RAM。后者用于存储 TH， TL值。数据先写入 RAM，经校验后再传给 E 2RAM。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
5、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 6 8 字节未用
6、，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 TTH或
7、TTL,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
8、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
9、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 MC
10、S51 单片机为例，图 3 中采用寄生电源供电方式， P1 1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 P1 0 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 DS18B
11、20 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
12、 ， 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 sN 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
