智能温度传感器DS18B20的原理与应用.docx
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智能温度传感器DS18B20的原理与应用
智能温度传感器DS18B20的原理与应用
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摘 要:
DS18B20是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器,他具有独特的单线总线接口方式。
文章详细的介绍了单线数字温度传感器DS18B20的测量原理、特性以及在温度测量中的硬件和软件设计,具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点。
关键词:
DS18B20;单线制;温度传感器;单片机
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
1DS18B20简介
(1)独特的单线接口方式:
DS18B20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的双向通讯。
(2)在使用中不需要任何外围元件。
(3)可用数据线供电,电压范围:
+3.0~+5.5V。
(4)测温范围:
-55~+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
(5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
(7)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点测温。
(8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
2DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图1所示。
(1)64b闪速ROM的结构如下:
开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
(2)非易市失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。
(3)高速暂存存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。
后者用于存储TH,TL值。
数据先写入RAM,经校验后再传给E2RAM。
而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节,他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
该字节各位的定义如下:
低5位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,即是来设置分辨率,如表1所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。
由表1可见,设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时间就越长。
因此,在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存存储器除了配置寄存器外,还有其他8个字节组成,其分配如下所示。
其中温度信息(第1,2字节)、TH和TL值第3,4字节、第6~8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。
当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2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,数据格式以00625℃/LSB形式表示。
温度值格式如下:
对应的温度计算:
当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。
表2是对应的一部分温度值。
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与TH,TL作比较,若T>TH或T 因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。 (4)CRC的产生 在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。 主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。 3DS18B20的测温原理 DS18B20的测温原理如图2所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小[1],用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。 计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。 减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。 另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。 系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。 操作协议为: 初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。 各种操作的时序图与DS1820相同,可参看文献[2]。 4DS18B20与单片机的典型接口设计 以MCS51单片机为例,图3中采用寄生电源供电方式,P11口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管和89C51的P10来完成对总线的上拉[2]。 当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10μs。 采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。 由于单线制只有一根线,因此发送接收口必须是三态的。 主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤: 初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。 假设单片机系统所用的晶振频率为12 MHz,根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序,分别编写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最低位开始,实际在实验中不用这种方式,只要在数据线上加一个上拉电阻4.7kΩ,另外2个脚分别接电源和地。 5DS18B20的精确延时问题 虽然DS18B20有诸多优点,但使用起来并非易事,由于采用单总线数据传输方式,DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。 因此,对读写的操作时序要求严格。 为保证DS18B20的严格I/O时序,需要做较精确的延时。 在DS18B20操作中,用到的延时有15μs,90μs,270μs,540μs等。 因这些延时均为15μs的整数倍,因此可编写一个DELAY15(n)函数,源码如下: 只要用该函数进行大约15μs×N的延时即可。 有了比较精确的延时保证,就可以对DS18B20进行读写操作、温度转换及显示等操作。 6结语 我们已成功地将DS18B20应用于所开发的“LCD显示气温”的控制系统中,其测温系统简单,测温精度高,连接方便,占用口线少,转换速度快,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。 参考文献 [1]胡振宇,刘鲁源,杜振辉DS18B20接口的C语言程序设计[J]单片机与嵌入式系统应用,2002,(7) [2]金伟正单线数字温度传感器的原理与应用[J].电子技术应用,2000,(6): 6668 数字温度传感器DS18B20的原理与应用 马云峰,陈子夫,李培全 (山东潍坊学院自动化系,山东潍坊261041) 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,最大转换时间为93.75ms;R1R0=“01”,10位精度,最大转换时间为187.5ms;R1R0=“10”,11位精度,最大转换时间为375ms;R1R0=“11”,12位精度,最大转换时间为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最低位开始。 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应答最少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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