原创 智能温度传感器DS18B20的原理与应用

    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。

1.DS18B20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9~12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。
2.DS18B20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E2RAM。后者用于存储T_H，T_L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）、T_H和T_L值第3，4字节、第6～8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。

    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0062 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T_H，T_L作比较，若T>T_H或T<T_L,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。

3.DS18B20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］。

4.DS18B20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， 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 μs。采用寄生电源供电方式是V_DD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 kΩ,另外2个脚分别接电源和地。
5.DS18B20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 μs，90 μs，270 μs，540 μs等。因这些延时均为15 μs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 μs×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