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数字温度传感器DS18B20的原理与应用

数字温度传感器DS18B20的原理与应用

 

1引言
        DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
2DS18B20的内部结构
        DS18B20内部结构如图1所示,主要由4部分组成:64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图2所示,DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地,见图4)。
        ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

 



图1DS18B20的内部结构



图2DS18B20的管脚排列



(a)初始化时序



(b)写时序



(c)读时序
图3DS18B20的工作时序图
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量,用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。例如+125℃的数字输出为07D0H,+25.0625℃的数字输出为0191H,-25.0625℃的数字输出为FF6FH,-55℃的数字输出为FC90H。

23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4


温度值低字节
MSBLSB

S
S
S
S
S
22
25
24


温度值高字节
        高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成,使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下:

0
R1
R0
1
1
1
1
1


MSBLSB

        R1、R0决定温度转换的精度位数:R1R0=“00”,9位精度,蕞大转换时间为93.75ms;R1R0=“01”,10位精度,蕞大转换时间为187.5ms;R1R0=“10”,11位精度,蕞大转换时间为375ms;R1R0=“11”,12位精度,蕞大转换时间为750ms;未编程时默认为12位精度。
  高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息;第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝,每一次上电复位时被刷新;第6、7、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。
3DS18B20的工作时序
  DS18B20的一线工作协议流程是:初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序,如图3(a)(b)(c)所示。
4DS18B20与单片机的典型接口设计
    图4以MCS-51系列单片机为例,画出了DS18B20与微处理器的典型连接。图4(a)中DS18B20采用寄生电源方式,其VDD和GND端均接地,图4(b)中DS18B20采用外接电源方式,其VDD端用3V~5.5V电源供电。
    假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz,根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序,分别编写了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蕞低位开始。
    DATEQUP1.0
    ……
    INIT:CLREA
    INI10:SETBDAT
    MOVR2,#200




a)寄生电源工作方式
(b)外接电源工作方式
图4DS18B20与微处理器的典型连接图

INI11:CLRDAT
DJNZR2,INI11;主机发复位脉冲持续3μs×200=600μs
SETBDAT;主机释放总线,口线改为输入
MOVR2,#30
IN12:DJNZR2,INI12;DS18B20等待2μs×30=60μs
CLRC
ORLC,DAT;DS18B20数据线变低(存在脉冲)吗?
JCINI10;DS18B20未准备好,重新初始化
MOVR6,#80
INI13:ORLC,DAT
JCINI14;DS18B20数据线变高,初始化成功
DJNZR6,INI13;数据线低电平可持续3μs×80=240μs
SJMPINI10;初始化失败,重来
INI14:MOVR2,#240
IN15:DJNZR2,INI15;DS18B20应答蕞少2μs×240=480μs
RET
;------------------------
WRITE:CLREA
MOVR3,#8;循环8次,写一个字节
WR11:SETBDAT
MOVR4,#8
RRCA;写入位从A中移到CY
CLRDAT
WR12:DJNZR4,WR12
;等待16μs
MOVDAT,C;命令字按位依次送给DS18B20
MOVR4,#20
WR13:DJNZR4,WR13
;保证写过程持续60μs
DJNZR3,WR11
;未送完一个字节继续
SETBDAT
RET
;------------------------
READ:CLREA
MOVR6,#8;循环8次,读一个字节
RD11:CLRDAT
MOVR4,#4
NOP;低电平持续2μs
SETBDAT;口线设为输入
RD12:DJNZR4,RD12
;等待8μs
MOVC,DAT
;主机按位依次读入DS18B20的数据
RRCA;读取的数据移入A
MOVR5,#30
RD13:DJNZR5,RD13
;保证读过程持续60μs
DJNZR6,RD11
;读完一个字节的数据,存入A中
SETBDAT
RET
;------------------------
        主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换,再读出温度转换值。假设一线仅挂接一个芯片,使用默认的12位转换精度,外接供电电源,可写出完成一次转换并读取温度值子程序GETWD。
    GETWD:LCALLINIT
    MOVA,#0CCH
    LCALLWRITE;发跳过ROM命令
    MOVA,#44H
    LCALLWRITE;发启动转换命令
    LCALLINIT
    MOVA,#0CCH;发跳过ROM命令
    LCALLWRITE
    MOVA,#0BEH;发读存储器命令
    LCALLWRITE
    LCALLREAD
    MOVWDLSB,A
    ;温度值低位字节送WDLSB
    LCALLREAD
    MOVWDMSB,A
    ;温度值高位字节送WDMSB
    RET
    ……
        子程序GETWD读取的温度值高位字节送WDMSB单元,低位字节送WDLSB单元,再按照温度值字节的表示格式及其符号位,经过简单的变换即可得到实际温度值。
        如果一线上挂接多个DS18B20、采用寄生电源连接方式、需要进行转换精度配置、高低限报警等,则子程序GETWD的编写就要复杂一些,限于篇幅,这一部分不再详述,请参阅相关内容。
        我们已成功地将DS18B20应用于所开发的“家用采暖洗浴器”控制系统中,其转换速度快,转换精度高,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。

 

 

 

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