DS18B20介绍.doc

数字温度传感器DS18B20 介绍TS18B20数字温度传感器,该产品采用美国DALLAS公司生产得 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成,具有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温与控制领域。 实物图1、DS18B20得主要特性 1、1、适应电压范围更宽,电压范围:3、05、5V,在寄生电源方式下可由数 据线供电 1、2、独特得单线接口方式,DS18B20在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得双向通讯 1、3、 DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一得三线上,实现组网多点测温 1、4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管得集成电路内 1、5、温范围55125,在10+85时精度为0、5 1、6、可编程 得分辨率为912位,对应得可分辨温度分别为0、5、0、25、0、125与0、0625,可实现高精度测温 1、7、在9位分辨率时最多在 93、75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快 1、8、测量结果直接输出数字温度信号,以一 线总线串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强得抗干扰纠错能力 1、9、负压特性:电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁, 但不能正常工作。 2、DS18B20得外形与内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发得温度报警触发器TH与TL、配置寄存器。DS18B20得外形及管脚排列如下图1: DS18B20引脚定义:(1)DQ为数字信号输入/输出端; (2)GND为电源地; (3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。 图2: DS18B20内部结构图 3、DS18B20工作原理 DS18B20得读写时序与测温原理与DS1820相同,只就是得到得温度值得位数因分辨率不同而不同,且温度转换时得延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振得振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率得脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生得信号作为计数器2得脉冲输入。计数器1与温度寄存器被预置在55所对应得一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生得脉冲信号进行减法计数,当计数器1得预置值减到0时,温度寄存器得值将加1,计数器1得预置将重新被装入,计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生得脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值得累加,此时温度寄存器中得数值即为所测温度。图3中得斜率累加器用于补偿与修正测温过程中得非线性,其输出用于修正计数器1得预置值。 图3: DS18B20测温原理框图 DS18B20有4个主要得数据部件: (1)光刻ROM中得64位序列号就是出厂前被光刻好得,它可以瞧作就是该DS18B20得地址序列码。64位光刻ROM得排列就是:开始8位 (28H)就是产品类型标号,接着得48位就是该DS18B20自身得序列号,最后8位就是前面56位得循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM得作用 就是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20得目得。 (2)DS18B20中得温度传感器可完成对温度得测量,以12位转化为例:用16位符号扩展得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。 表1: DS18B20温度值格式表 这就是12位转化后得到得12位数据,存储在18B20得两个8比特得RAM中,二进制中得前面5位就是符号位,如果测得得温度大于0, 这5位为0,只要将测到得数值乘于0、0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到得数值需要取反加1再乘于0、0625即可得到实际 温度。 例如+125得数字输出为07D0H,+25、0625得数字输出为0191H,25、0625得数字输出为FF6FH,55得数字输出为FC90H 。 表2: DS18B20温度数据表 (3)DS18B20温度传感器得存储器 DS18B20温度传感器得内部存储器包括一个高速暂存RAM与一个非易失性得可电擦除得EEPRAM,后者存放高温度与低温度触发器 TH、TL与结构寄存器。 (4)配置寄存器 该字节各位得意义如下: 表3: 配置寄存器结构 TMR1R011111低五位一直都就是1,TM就是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还就是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用 户不要去改动。R1与R0用来设置分辨率,如下表所示:(DS18B20出厂时被设置为12位) 表4: 温度分辨率设置表 R1R0分辨率温度最大转换时间009位93、75ms 0110位187、5ms 1011位375ms 1112位750ms 4、高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成,其分配如表5所示。当温度转换命令发布后,经转换所得得温度值以二字节补码形式存放在 高速暂存存储器得第0与第1个字节。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,数据格式如表1所示。对应得温度计算: 当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。表 2就是对应得一部分温度值。第九个字节就是 冗余检验字节。 表5: DS18B20暂存寄存器分布 寄存器内容 字节地址温度值低位 (LS Byte)0温度值高位 (MS Byte)1高温限值(TH)2低温限值(TL)3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20得通讯协议,主机(单片机)控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行 复位操作,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定得操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后 释放,当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右,后发出60240微秒得存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。 表6: ROM指令表 指 令 约定代码功 能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中得编码(即64位地址) 符合 ROM 55H发出此命令之后,接着发出 64 位 ROM 编码,访问单总线上与该编码相对应得 DS1820 使之作出响应,为下一步对该 DS1820 得读写作准备。 搜索 ROM 0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS1820 得个数与识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。 跳过 ROM 0CCH忽略 64 位 ROM 地址,直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。 告警搜索命令 0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限得片子才做出响应。 表6: RAM指令表 指 令 约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换,12位转换时最长为750ms(9位为93、75ms)。结果存入内部9字节RAM中。 读暂存器 0BEH 读内部RAM中9字节得内容 写暂存器 4EH 发出向内部RAM得3、4字节写上、下限温度数据命令,紧跟该命令之后,就是传送两字节得数据。 复制暂存器 48H 将RAM中第3 、4字节得内容复制到EEPROM中。 重调 EEPROM 0B8H 将EEPROM中内容恢复到RAM中得第3 、4字节。 读供电方式 0B4H 读DS1820得供电模式。寄生供电时DS1820发送“ 0 ”,外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。 5、DS18B20得应用电路 DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。下面就就是DS18B20几个不同应用方式下得 测温电路图: 5、1、DS18B20寄生电源供电方式电路图 如下面图4所示,在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上汲取能量:在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部 电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上得电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。 独特得寄生电源方式有三个好处: 1)进行远距离测温时,无需本地电源 2)可以在没有常规电源得条件下读取ROM 3)电路更加简洁,仅用一根I/O口实现测温 要想使DS18B20进行精确得温度转换,I/O线必须保证在温度转换期间提供足够得能量,由 于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA,当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时,只靠4、7K上拉电阻就无法提供足够得 能量,会造成无法转换温度或温度误差极大。 因此,图4电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用,不适宜采用电池供电系统中。并 且工作电源VCC必须保证在5V,当电源电压下降时,寄生电源能够汲取得能量也降低,会使温度误差变大。 图4图4 5、2、DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图 改进得寄生电源供电方式如下面图5所示,为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够得电流供应,当进行温度转换或拷贝到 E2存储器操作时,用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够得电流,在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换得指令后,必须在最 多10S内把I/O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走得问题,因此也适合于多点测温应用,缺 点就就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。 图5图5 注意:在图4与图5寄生电源供电方式中,DS18B20得VDD引脚必须接地 5、3、DS18B20得外部电源供电方式 在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VDD引脚接入,此时I/O线不需要强上拉,不存在电源电流不足得问题,可以保证 转换精度,同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。注意:在外部供电得方式下,DS18B20得GND引脚不能悬空 ,否则不能转换温度,读取得温度总就是85。 图6:外部供电方式单点测温电路 图6图7:外部供电方式得多点测温电路图 图7外部电源供电方式就是DS18B20最佳得工作方式,工作稳定可靠,抗干扰能力强,而且电路也比较简单,可以开发出稳定可靠得多点温度 监控系统。站长推荐大家在开发中使用外部电源供电方式,毕竟比寄生电源方式只多接一根VCC引线。在外接电源方式下, 可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围得优点,即使电源电压VCC降到3V时,依然能够保证温度量精度。 6、工作时序(图略):6、1 DS18B20得初始化 (1) 先将数据线置高电平“1”。 (2) 延时(该时间要求得不就是很严格,但就是尽可能得短一点) (3) 数据线拉到低电平“0”。 (4) 延时750微秒(该时间得时间范围可以从480到960微秒)。 (5) 数据线拉到高电平“1”。 (6) 延时等待(如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回得低电平“0”。据该状态可以来确定它得存在,但就是应注意不能无限得进行等待,不然会使程序进入死循环,所以要进行超时控制)。 (7) 若CPU读到了数据线上得低电平“0”后,还要做延时,其延时得时间从发出得高电平算起(第(5)步得时间算起)最少要480微秒。 (8) 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。 6、2 DS18B20得写操作 (1) 数据线先置低电平“0”。 (2) 延时确定得时间为15微秒。 (3) 按从低位到高位得顺序发送字节(一次只发送一位)。 (4) 延时时间为45微秒。 (5) 将数据线拉到高电平。 (6) 重复上(1)到(6)得操作直到所有得字节全部发送完为止。 (7) 最后将数据线拉高。 6、3 DS18B20得读操作 (1)将数据线拉高“1”。 (2)延时2微秒。 (3)将数据线拉低“0”。 (4)延时15微秒。 (5)将数据线拉高“1”。 (6)延时15微秒。 (7)读数据线得状态得到1个状态位,并进行数据处理。 (8)延时30微秒。 7、DS1820使用中注意事项 DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面得问题: 6、1、较小得硬件开销需要相对复杂得软件进行补偿,由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送,因此 ,在对DS1820进行读写编程时,必须严格得保证读写时序,否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对 DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。 6、2、在DS1820得有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820,在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时,就需要解决微处理器得总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。 6、3、连接DS1820得总线电缆就是有长度限制得。试验中,当采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取得 测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离可达150m,当采用每米绞合次数更多得双绞线带屏蔽电缆时,正 常通讯距离进一步加长。这种情况主要就是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成得。因此,在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考 虑总线分布电容与阻抗匹配问题。 6、4、在DS1820测温程序设计中,向DS1820发出温度转换命令后,程序总要等待DS1820得返回信号,一旦 某个DS1820接触不好或断线,当程序读该DS1820时,将没有返回信号,程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接与软件设计时也要给予 一定得重视。 测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线,其中一对线接地线与信号线,另一组接VCC与地线,屏蔽层在源端单点接地。8、本次课程设计说明:题目:使用DS18B20温度传感器设计温控系统要求如下:（1） 在前三个数码管上显示当前采集到得环境温度(099、9度);（2） 当环境温度低于27度时,蜂鸣器开始以慢“滴”声报警,并且伴随P1、0口发光二极管闪烁(模拟开启制热设备);当环境温度继续降低并低于25度时,蜂鸣器以快“滴”声报警,并且伴随P1、0与P1、1口发光二极管一起闪烁(模拟加大制热设备功率);（3） 当环境温度高于30度时,蜂鸣器开始以慢“滴”声报警,并且伴随P1、2口发光二极管闪烁(模拟开启制冷设备);当环境温度继续升高并高于32度时,蜂鸣器以快“滴”声报警,并且伴随P1、2与P1、3口发光二极管一起闪烁(模拟加大制冷设备功率)（4） 用串口将采集到得温度数据实时发送至上位机,在上位机软件上显示当前温度值。(关于温度变化得实现,可参考以下方法:室温通常在28度左右,用手捏住温度传感器可使其温度上升,用温度低得物体接触温度传感器可使其温度降低,或在温度传感器上淋点水,然后对着温度传感器吹气可以使温度迅速下降,大家也可想其她办法使温度传感器周围在2532度变化。)接线:P0口接LED段码,P2口接LED位码,P1、0P1、3接发光二极管,P1、6接蜂鸣器,P1、7接DS18B20得I/O口。附:DS18B20与单片机得接法: