數(shù)字溫度傳感器DS18B20的原理與應用

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(chǎn)生;多個DS18B20可以并聯(lián)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(jié)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(tǒng)。

2DS18B20的內(nèi)部結構

DS18B20內(nèi)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(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2所示，DQ為數(shù)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(huán)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(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

圖1DS18B20的內(nèi)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(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。

23

22

21

20

2-1

2-2

2-3

2-4

溫度值低字節(jié)

MSBLSB

S

S

S

S

S

22

25

24

溫度值高字節(jié)

高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)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(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R0=“00”，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為93.75ms;R1R0=“01”，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為187.5ms;R1R0=“10”，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為375ms;R1R0=“11”，12位精度，最大轉(zhuǎn)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(jié)的存儲器。開始兩個字節(jié)包含被測溫度的數(shù)字量信息;第3、4、5字節(jié)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(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1;第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)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(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)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(tǒng)所用的晶振頻率為12MHz，根據(jù)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(shù)據(jù))子程序，READ為讀數(shù)據(jù)子程序，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始。

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(fā)復位脈沖持續(xù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線變高，初始化成功

DJNZR6,INI13;數(shù)據(jù)線低電平可持續(xù)3μs×80=240μs

SJMPINI10;初始化失敗，重來

INI14:MOVR2,#240

IN15:DJNZR2,INI15;DS18B20應答最少2μs×240=480μs

RET

;------------------------

WRITE:CLREA

MOVR3,#8;循環(huán)8次，寫一個字節(jié)

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(xù)60μs

DJNZR3,WR11

;未送完一個字節(jié)繼續(xù)

SETBDAT

RET

;------------------------

READ:CLREA

MOVR6,#8;循環(huán)8次，讀一個字節(jié)

RD11:CLRDAT

MOVR4,#4

NOP;低電平持續(xù)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(shù)據(jù)

RRCA;讀取的數(shù)據(jù)移入A

MOVR5,#30

RD13:DJNZR5,RD13

;保證讀過程持續(xù)60μs

DJNZR6,RD11

;讀完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，存入A中

SETBDAT

RET

;------------------------

主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)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(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。假設一線僅掛接一個芯片，使用默認的12位轉(zhuǎn)換精度，外接供電電源，可寫出完成一次轉(zhuǎn)換并讀取溫度值子程序GETWD。

GETWD:LCALLINIT

MOVA,#0CCH

LCALLWRITE;發(fā)跳過ROM命令

MOVA,#44H

LCALLWRITE;發(fā)啟動轉(zhuǎn)換命令

LCALLINIT

MOVA,#0CCH;發(fā)跳過ROM命令

LCALLWRITE

MOVA,#0BEH;發(fā)讀存儲器命令

LCALLWRITE

LCALLREAD

MOVWDLSB,A

;溫度值低位字節(jié)送WDLSB

LCALLREAD

MOVWDMSB,A

;溫度值高位字節(jié)送WDMSB

RET

……

子程序GETWD讀取的溫度值高位字節(jié)送WDMSB單元，低位字節(jié)送WDLSB單元，再按照溫度值字節(jié)的表示格式及其符號位，經(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)容。

我們已成功地將DS18B20應用于所開發(fā)的“家用采暖洗浴器”控制系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)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(fā)周期。