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            數字溫度傳感器DS18B20的原理與應用

            日期:2021-08-11 22:58
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            摘要:

            數字溫度傳感器DS18B20的原理與應用

             

            1引言
                    DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器,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轉換精度,測溫分辨率可達0.0625℃,被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出;其工作電源既可在遠端引入,也可采用寄生電源方式產生;多個DS18B20可以并聯到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,可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。
            2DS18B20的內部結構
                    DS18B20內部結構如圖1所示,主要由4部分組成:64位ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2所示,DQ為數字信號輸入/輸出端;GND為電源地;VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地,見圖4)。
                    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,每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排的循環冗余校驗碼(CRC=X8+X5+X4+1)。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同,這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

             



            圖1DS18B20的內部結構



            圖2DS18B20的管腳排列



            (a)初始化時序



            (b)寫時序



            (c)讀時序
            圖3DS18B20的工作時序圖
            DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量,用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供,以0.0625℃/LSB形式表達,其中S為符號位。例如+125℃的數字輸出為07D0H,+25.0625℃的數字輸出為0191H,-25.0625℃的數字輸出為FF6FH,-55℃的數字輸出為FC90H。

            23
            22
            21
            20
            2-1
            2-2
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            2-4


            溫度值低字節
            MSBLSB

            S
            S
            S
            S
            S
            22
            25
            24


            溫度值高字節
                    高低溫報警觸發器TH和TL、配置寄存器均由一個字節的EEPROM組成,使用一個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:

            0
            R1
            R0
            1
            1
            1
            1
            1


            MSBLSB

                    R1、R0決定溫度轉換的精度位數:R1R0=“00”,9位精度,*大轉換時間為93.75ms;R1R0=“01”,10位精度,*大轉換時間為187.5ms;R1R0=“10”,11位精度,*大轉換時間為375ms;R1R0=“11”,12位精度,*大轉換時間為750ms;未編程時默認為12位精度。
              高速暫存器是一個9字節的存儲器。開始兩個字節包含被測溫度的數字量信息;第3、4、5字節分別是TH、TL、配置寄存器的臨時拷貝,每一次上電復位時被刷新;第6、7、8字節未用,表現為全邏輯1;第9字節讀出的是前面所有8個字節的CRC碼,可用來保證通信正確。
            3DS18B20的工作時序
              DS18B20的一線工作協議流程是:初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序,如圖3(a)(b)(c)所示。
            4DS18B20與單片機的典型接口設計
                圖4以MCS-51系列單片機為例,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。
                假設單片機系統所用的晶振頻率為12MHz,根據DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序,分別編寫了3個子程序:INIT為初始化子程序,WRITE為寫(命令或數據)子程序,READ為讀數據子程序,所有的數據讀寫均由*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;主機發復位脈沖持續3μs×200=600μs
            SETBDAT;主機釋放總線,口線改為輸入
            MOVR2,#30
            IN12:DJNZR2,INI12;DS18B20等待2μs×30=60μs
            CLRC
            ORLC,DAT;DS18B20數據線變低(存在脈沖)嗎?
            JCINI10;DS18B20未準備好,重新初始化
            MOVR6,#80
            INI13:ORLC,DAT
            JCINI14;DS18B20數據線變高,初始化成功
            DJNZR6,INI13;數據線低電平可持續3μs×80=240μs
            SJMPINI10;初始化失敗,重來
            INI14:MOVR2,#240
            IN15:DJNZR2,INI15;DS18B20應答*少2μs×240=480μs
            RET
            ;------------------------
            WRITE:CLREA
            MOVR3,#8;循環8次,寫一個字節
            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60μs
            DJNZR3,WR11
            ;未送完一個字節繼續
            SETBDAT
            RET
            ;------------------------
            READ:CLREA
            MOVR6,#8;循環8次,讀一個字節
            RD11:CLRDAT
            MOVR4,#4
            NOP;低電平持續2μs
            SETBDAT;口線設為輸入
            RD12:DJNZR4,RD12
            ;等待8μs
            MOVC,DAT
            ;主機按位依次讀入DS18B20的數據
            RRCA;讀取的數據移入A
            MOVR5,#30
            RD13:DJNZR5,RD13
            ;保證讀過程持續60μs
            DJNZR6,RD11
            ;讀完一個字節的數據,存入A中
            SETBDAT
            RET
            ;------------------------
                    主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟:初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。必須先啟動DS18B20開始轉換,再讀出溫度轉換值。假設一線僅掛接一個芯片,使用默認的12位轉換精度,外接供電電源,可寫出完成一次轉換并讀取溫度值子程序GETWD。
                GETWD:LCALLINIT
                MOVA,#0CCH
                LCALLWRITE;發跳過ROM命令
                MOVA,#44H
                LCALLWRITE;發啟動轉換命令
                LCALLINIT
                MOVA,#0CCH;發跳過ROM命令
                LCALLWRITE
                MOVA,#0BEH;發讀存儲器命令
                LCALLWRITE
                LCALLREAD
                MOVWDLSB,A
                ;溫度值低位字節送WDLSB
                LCALLREAD
                MOVWDMSB,A
                ;溫度值高位字節送WDMSB
                RET
                ……
                    子程序GETWD讀取的溫度值高位字節送WDMSB單元,低位字節送WDLSB單元,再按照溫度值字節的表示格式及其符號位,經過簡單的變換即可得到實際溫度值。
                    如果一線上掛接多個DS18B20、采用寄生電源連接方式、需要進行轉換精度配置、高低限報警等,則子程序GETWD的編寫就要復雜一些,限于篇幅,這一部分不再詳述,請參閱相關內容。
                    我們已成功地將DS18B20應用于所開發的“家用采暖洗浴器”控制系統中,其轉換速度快,轉換精度高,與微處理器的接口簡單,給硬件設計工作帶來了極大的方便,能有效地降低成本,縮短開發周期。

             

             

             

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