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        數字溫度傳感器DS18B20的原理與應用

        日期:2022-06-16 02:46
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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
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        21
        20
        2-1
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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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