a新型傳感器王鳳波13721207

1、新型溫度傳感器DS18B20王鳳波（上海大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）摘要：溫度傳感器的使用有著悠久的歷史，但溫度傳感器的應(yīng)用依舊很廣泛。溫度傳感器的由傳統(tǒng)的熱電偶、熱敏電阻溫度傳感器，到集成溫度傳感器，新型溫度傳感器。在通信技術(shù)、電子技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，傳感器技術(shù)的發(fā)展總是相對(duì)滯后。近年來，一大批溫度傳感器相繼涌現(xiàn)，其中單線總線式的數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20的出現(xiàn)滿足了溫度測(cè)量領(lǐng)域的新需求。本文中，將著重介紹該款溫度傳感器。關(guān)鍵詞：新型溫度傳感器；DS18B20；測(cè)溫電路 A new type of temperature sensor DS18B20Wang Feng

2、bo(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract: The use of the temperature sensor has a long history, but still used very widely. From the traditional thermocouple of temperature sensor, thermistor temperature sensor, to the integrated temp

3、erature sensor, the new type of temperature sensor. The rapid development of communications technology, electronic technology at the same time, the development of sensor technology is relatively lagging behind. A large number of temperature sensor have sprung up in recent years, the emergence of the

4、 single wire bus digital integrated temperature sensor DS18B20 temperature meets the new demand of measurement field. In this article, the temperature sensor DS18B20 will be introduced emphatically.Key words: New type of temperature sensor; DS18B20; Temperature measurement circuit。1 溫度傳感器1.1 溫度傳感器簡(jiǎn)介

5、溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。從17世紀(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫

6、度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域中，也為人們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器（RTD）、IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。1.2 新型溫度傳感器及其發(fā)展溫度是一個(gè)基本的物理現(xiàn)象，它是生產(chǎn)過程中應(yīng)用最普通、最重要的工藝參數(shù)，無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是科學(xué)研究和國(guó)防現(xiàn)代化，都離不開溫度測(cè)量及溫度傳感器。它是現(xiàn)代測(cè)試和工業(yè)過程控制中應(yīng)用

7、頻率最高的傳感器之一。然而，溫度的準(zhǔn)確測(cè)量并非輕而易舉，即使有了準(zhǔn)確度很高的溫度傳感器，但是，如果測(cè)量方法選擇不當(dāng)或者測(cè)量的環(huán)境不能滿足要求，則都難以得到預(yù)期的結(jié)果。當(dāng)前，雖然主要的溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計(jì)等的技術(shù)已經(jīng)成熟，但是只能在傳統(tǒng)的場(chǎng)合應(yīng)用，不能滿足許多領(lǐng)域的要求，尤其是高科技領(lǐng)域。因此，各國(guó)專家都在針對(duì)性的競(jìng)爭(zhēng)開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊的實(shí)用測(cè)量技術(shù)。這些新型溫度傳感器主要有光纖溫度傳感器、特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|、石英溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、核四級(jí)共振溫度計(jì)(NQR溫度計(jì))、智能溫度傳感器DSl820。本文主要介紹的是智能溫度傳感器DSl8202 DS18B20介紹2.1 背

8、景DS18B20是美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器，是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念現(xiàn)在，新一代的 DS18B20 體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。使你可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)。在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20解決傳統(tǒng)模擬信號(hào)引線誤差補(bǔ)償、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差和放大電路零點(diǎn)漂移誤差，測(cè)量精度不高等問題。DS18B20 具有體積

9、更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果。圖1為DS18B20實(shí)際的兩種封裝。圖2為DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2.2 DS18B20 的主要特征DS18B20的主要主要特征有：1、全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出；2、先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信；3 、可編程的分辨率為 912 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 0.5、0.250.125和 0.0625圖1 DS18B20實(shí)際的兩種實(shí)物封裝圖2 DS18B20實(shí)際的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (65536/212)，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫 ；4 、在 9 位分辨率時(shí)最多在 93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12 位分辨率時(shí)最多在 750ms

10、 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 ；5 、可選擇寄生工作方式；6 、 檢測(cè)溫度范圍為55°C +125°C (67°F +257°F) ；7、內(nèi)置 EEPROM，限溫報(bào)警功能；8、64 位光刻 ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接；9、多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)；10、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；11、獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時(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 ；12、DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)

11、現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫；13、DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；14、測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力；15、負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。3 DS18B20 工作原理DS18B20 測(cè)溫原理如圖3 所示。圖3中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)

12、值。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)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，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 如此循環(huán)直到計(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(cè)溫度。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。DS18B20 有 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：圖3 DS18B20工作原理（1）光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)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

13、列是：開始 8 位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。（2）DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號(hào)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(hào)位。這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)

14、得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。表1 DS18B20溫度值格式表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)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。表2 一定溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出TEMPERATUREDIGTAL OUTPUT(Binary)DIGTAL OUTPUT(Hex)+1250000

15、0111 1101 000007D0+85 0000 0101 0101 00000550+25.06250000 0001 1001 00010191+10.1250000 0000 1010 001000A2+0.50000 0000 0000 1000000800000 0000 0000 00000000-0.51111 1111 1111 1000FFF8-10.1251111 1111 0101 1110FF5E-25.06251111 1110 0110 1111FE6F-551111 1100 1001 0000FC90（3）DS18B20 溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20

16、溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)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 EEPROM,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。（4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如表3所示： 表3 配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R01111低五位一直都是"1"，TM 是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式。在 DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)。R1 和 R0 用來設(shè)置分辨率，如表4所示：（DS18B20 出廠時(shí)被設(shè)置為12 位）。表4 溫度分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011

17、位375ms1112位750ms4 DS18B20 的典型應(yīng)用電路DS18B20 測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。下面就是DS18B20。幾個(gè)不同應(yīng)用方式下的測(cè)溫電路圖：1、DS18B20 寄生電源供電方式電路圖如圖4所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20 從單線信號(hào)線上汲取能量：在信號(hào)線 DQ 處于高電平期間把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。 獨(dú)特的寄生電源方式有三個(gè)好處：1)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)，無需本地電源；2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取 ROM ；3）電路更加簡(jiǎn)潔，僅用一根

18、I/O 口實(shí)現(xiàn)測(cè)溫；要想使 DS18B20 進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O 線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20 在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到 1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根 I/O 線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只靠 4.7K 上拉電阻就無法提供足夠的能量，會(huì)造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，圖 4 電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測(cè)溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源 VCC 必須保證在 5V，當(dāng)電源電壓下降時(shí)，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會(huì)使溫度誤差變大。圖4 DS18B20寄生電源供電方式 2、DS18B20 寄生電源強(qiáng)上拉供電方式電路圖圖5 弱上拉供電圖

19、6 外部供電方式單點(diǎn)測(cè)溫電路改進(jìn)的寄生電源供電方式如圖5所示，為了使 DS18B20 在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 E2 存儲(chǔ)器操作時(shí)，用 MOSFET 把 I/O 線直接拉到 VCC 就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到 E2 存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多 10S 內(nèi)把 I/O 線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不足的問題，因此也適合于多點(diǎn)測(cè)溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要多占用一根 I/O 口線進(jìn)行強(qiáng)上拉切換。3、DS18B20 的外部電源供電方式在外部電源供電方式下，DS18B20 工作電源由 VDD 引腳接入，此時(shí) I/O 線不需要強(qiáng)上

20、拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè) DS18B20 傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。在外部供電的方式下，DS18B20 的 GND 引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是 85。圖7 外部供電方式的多點(diǎn)測(cè)溫電路圖外部電源供電方式是 DS18B20 最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。比寄生電源方式只多接一根 VCC 引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20 寬電源電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)，即使電源電壓 VCC 降到 3V 時(shí)，依然能夠保證溫度量精度。5 結(jié)論DS18B20以其優(yōu)異的

21、性能使得其應(yīng)用廣泛。其精度以及各方面的指標(biāo)均能夠滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)溫需求。但仍然存在一些比如高精度測(cè)量領(lǐng)域，十分惡劣的環(huán)境下測(cè)溫不準(zhǔn)等問題亟待解決。但是隨著科學(xué)技術(shù)，特別是材料技術(shù)，加工工藝的改進(jìn)，我們有理由相信DS18B20的應(yīng)用前景將更加廣闊。致謝 感謝顧惠芬老師對(duì)論文的寶貴意見與指導(dǎo)，感謝我的同學(xué)們的建議，在此表示感謝！參考文獻(xiàn)：1 任雁勝, 石艷林, 汪昌成. 基于單線總線智能溫度傳感器的電腦溫控系統(tǒng)A. 2005年十二省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（湖北專集）C, 2005, (總第).2趙小強(qiáng), 王曙光, 趙勇. 基于硅微機(jī)械F-P腔的新型溫度傳感器建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)A. 中國(guó)光

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