單線數(shù)字溫度傳感器DSB原理及其應用

1、單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及其應用DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介新的"一線器件"體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟 Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 "一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 " 一線總線"數(shù)字化溫度傳感器 同DS1820 一樣，DS18B20也支持"一線總線"接口，測量溫度范圍為 -55°C+125 C,在-10+85

2、6;C范圍內 精度為 垃.5。DS1822的精度較差為±2° C。現(xiàn)場溫度直接以"一線總線”的 數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20、 DS1822的特性DS18B20可以程序設定912位的分辨率，精度為 垃.5 C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品

3、中最好的！性能價格比也非常出色！DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數(shù)的 EEPROM ,精度降低為i2, 適用于對性能要求不高，成本控制嚴格的應用，是經(jīng)濟型產(chǎn)品。繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，DS1820開辟了溫度傳感器技術的新概念。DS18B20和DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構建適合自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)。1. DS18B20的新性能(1)可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5V;(2)測溫范圍：-55+125 C,在-10+85 C時精度為±0.5 C;(3)可編程的分辨率為 912位，對應

4、的可分辨溫度分別為0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C ;(4) 12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字；(5)負壓特性：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。2. DS18B20的外形和內部結構DS18B20內部結構主要由四部分組成：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。DS18B20的管腳排列如下：n 0 口C3 3 4I VII11.圖(1) DS18B20夕卜形圖引腳定義：(1) DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端;(2) GND為電源地；(3) VDD為外接供電電源輸入端內部結構(在寄生電源接線方式時接地)的位

5、和接口溫質靈敏元件存慵器和檀*震海CRC生成器圖(2) DS18B20內部結構圖DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：(1)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(28H)是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼 (CRC=X8+X5+X4+1 ) 光刻ROM的作用是使每一個 DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。(2) DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12位轉化為例：用16位符號擴展的二進制補

6、碼讀數(shù)形式提供，以 0.0625 C / LSB形式表達，其中S為符號位。表1 DS18B20溫度值格式表這是12位轉化后得到的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即可得到實際溫度。FF6FH, -55 C的數(shù)字輸出為 FC90H例如+125C的數(shù)字輸出為 07D0H, +25.0625 C的數(shù)字輸出為 0191H, -25.0625C的數(shù)字輸出為表2 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表TEMPER A

7、 II kj;O1 1 Pl T (JHJtrl 1AJ (>l 1 Pl |(1小OtHMJOl 1 H07LH)h4 S5 C*0WI0010 Old 0000O55Oh0(X)00001 1001 0001Olfllb+10,125 CMX1G tllKKi I0U)001000A2I- 0,5 C0000 0000 o(u：o 10000008bOf1 ' li 10 JI U：IM f'l'fll：'OOOOh-d 5(.J 1 H HU Illi 1000FH邸-10.125 CUH !ll 01 >H Lid115111nil i. i

8、："：>i ：(i 1111re6rh45 C111 1100 )001 0000J C90h*The poser-onl巧也 丫蘇眶 uf ihe tempErainr日 t注i£ 加芯K(3) DS18B20溫度傳感器的存儲器DS18B20溫度傳感器的內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EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結構寄存器。(4)配置寄存器該字節(jié)各位的意義如下：表3配置寄存器結構TMR1R011111低五位一直都是1 , TM是測試模式位，用于設置 DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位

9、被設置為 0,用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如下表所示：(DS18B20出廠時被設置為12位)分辨率設置表：表4溫度值分辨率設置表R1R0分辨率溫度最大轉換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3. 高速暫存存儲器高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表 5所示。當溫度轉換命令發(fā)布后，經(jīng)轉換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機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)格式如表1所示。對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算

10、十進制值。表2是對應的一部分溫度值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。表5 DS18B20 暫存寄存器分布寄存器內容字節(jié)地址溫度值低位0溫度值高位1高溫限值TH2低溫限值TL3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC檢驗8根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后 釋放，DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主 CPU收到此信號表示復位成功。表6 R

11、OM指令表指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS1820ROM 中的編碼（即 64位地址）符合ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的 DS1820 使之作出響應，為下一步對該DS1820 的讀寫作準備。搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上 DS1820 的個數(shù)和識別64位ROM地址。為操作各器件作好準備。跳過ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過設定值上限或下限的片子才做出響應。表7 RAM指令表指令約定代碼功能溫度變換44H啟動DS1820 進行溫度轉換，轉

12、換時最長為500ms （典型為200ms ） o結果存入內部 9字節(jié)RAM中。讀暫存器0BEH內部RAM中9字節(jié)的內容寫暫存器4EH發(fā)出向內部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字的數(shù)據(jù)。復制暫存器48H將RAM中第3、4字節(jié)的內容復制到 EEPROM中。重調EEPROM0B8H將EEPROM 中內容恢復到 RAM中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820 的供電模式。寄生供電時 DS1820發(fā)送“0”，外接電源供電DS1820 發(fā)送“1”。4. DS18B20的使用方法AT89S51單片機來說,DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20采用的是1Wir

13、e總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總 線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的復位時序vm一主機發(fā)出復

14、佇昧Kf 主機軾收用法/理忖間15s SuusDS18B20的復位時序圖4DS18B20的讀時序對于DS18B20的讀時序分為讀 0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內就得釋放單總線，以讓 DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。DS18B20的寫時序對于DS18B20的寫時序仍然分為寫 0時序和寫1時序兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫 0時序時，單總線要被拉低至少60us ,保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“西平

15、，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在 15us之內就得釋放單總線。主賀耳。計序 4| 4”做主皿寫5豺伸5. DS18B20工作原理DS18B20是直接數(shù)字式高精度溫度傳感器，其內部含有兩個溫度系數(shù)不同的溫敏振蕩器，其中低溫度系數(shù)振蕩 器相當于標尺，高溫度系數(shù)振蕩器相當于測溫元件，通過不斷比較兩個溫敏振蕩器的振蕩周期得到兩個溫敏振蕩器在測量溫度下的振蕩頻率比值。根據(jù)頻率比值和溫度的對應曲線得到相應的溫度值。這種方式避免了測溫過程中的A/D轉換，提高了溫度測量的精度。DS18B20測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用來向計數(shù)器1提供固定頻率的脈沖信號。高溫度系數(shù)晶振

16、的振蕩頻率受溫度影響較大，隨溫度的變化而明顯改變，其產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入，用于控制閘門的關閉時間。初態(tài)時，計數(shù)器 1和溫度寄存器被預置在與-55 C相對應的一個基值 上。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，在計數(shù)器2控制的閘門時間到達之前，如果計數(shù)器1的預置值減到0,則溫度寄存器的值將作加1運算，與此同時，用于補償和修正測溫過程中非線性的斜率累加器將輸出一個與溫度變化相對應的計數(shù)值，作為計數(shù)器1的新預置值，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)，直到計數(shù)器 2控制的閘門時間到達亦即計數(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

17、為所測溫度。在默認的配置中，DS18B20的測溫分辨率為 0. 0625 C,以12位有效數(shù)據(jù)表示，其中，高位的s表示符號位，其數(shù)據(jù)格式如表1所示。如：0000 0001 1001 0001表示 +25. 0625 C斜車索加器|低溫度系數(shù)晶振計數(shù)器1比較置位/清除互I溫度寄存器I高溫度系數(shù)晶振計數(shù)器2停止測溫原理DS18B20的讀寫時序如下PROC WRITEWRITE: MOV R2,#8 CLR CWR1:CLR DQMOV R7,#6 DJNZ R7,$ RRC A MOVDQ,CMOVR7,#23DJNZ R7,$ SETB DQ NOP DJNZ R2,WR1 SETB DQ RE

18、T讀一個字節(jié)，出口 ：A=讀入的字節(jié) PROC DREADDREAD: MOV R2,#8 READL: CLR CSETB DQ NOP NOP CLR DQ NOPNOPNOPSETB DQ；產(chǎn)生時間片MOVR7,#7DJNZ R7,$ MOVC,DQMOVR7,#23DJNZ R7,$ RRC A DJNZ R2,READL RET 5. DS1820使用中注意事項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，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題：(1)較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于 DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820進行讀寫編 程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用 PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對 DS1820操作部分最 好采用匯編語言實現(xiàn)。(2)在DS1820的有關資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820,在實際應用中并非如此。當單總線上所掛 DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當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。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離