【導讀】傳統的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，采用熱敏電阻，可滿(mǎn)足40℃至90℃測量范圍，但熱敏電阻可靠性差，測量溫度準確率低，對于小于1℃的溫度信號是不適用的，還得經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的接口電路轉換成數字信號才能由微處理器進(jìn)行處理。
一、概述
傳統的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，采用熱敏電阻，可滿(mǎn)足40℃至90℃測量范圍，但熱敏電阻可靠性差，測量溫度準確率低，對于小于1℃的溫度信號是不適用的，還得經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的接口電路轉換成數字信號才能由微處理器進(jìn)行處理。
目前常用的微機與外設之間進(jìn)行的數據通信的串行總線(xiàn)主要有I2C總線(xiàn)，SPI總線(xiàn)等。其中I2C總線(xiàn)以同步串行2線(xiàn)方式進(jìn)行通信(一條時(shí)鐘線(xiàn)，一條數據線(xiàn))，SPI總線(xiàn)則以同步串行3線(xiàn)方式進(jìn)行通信(一條時(shí)鐘線(xiàn)，一條數據輸入線(xiàn)，一條數據輸出線(xiàn))。這些總線(xiàn)至少需要兩條或兩條以上的信號線(xiàn)。而單總線(xiàn)( 1-wire bus )，采用單根信號線(xiàn)，既可傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的， CPU 只需一根端口線(xiàn)就能與諸多單總線(xiàn)器件通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線(xiàn)和邏輯電路。 因而，這種單總線(xiàn)技術(shù)具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，硬件開(kāi)銷(xiāo)少，成本低廉，軟件設計簡(jiǎn)單，便于總線(xiàn)擴展和維護。同時(shí)，基于單總線(xiàn)技術(shù)能較好地解決傳統識別器普遍存在的攜帶不便，易損壞，易受腐饋，易受電磁干擾等不足，因此，單總線(xiàn)具有廣闊的應用前景，是值得關(guān)注的一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域。
單總線(xiàn)即只有一根數據線(xiàn)，系統中的數據交換，控制都由這根線(xiàn)完成。主機或從機通過(guò)一個(gè)漏極開(kāi)路或三態(tài)端口連至數據線(xiàn)，以允許設備在不發(fā)送數據時(shí)能夠釋放總線(xiàn)，而讓其它設備使用總線(xiàn)。單總線(xiàn)通常要求外接一個(gè)約為 4.7K的上拉電阻，這樣，當總線(xiàn)閑置時(shí)其狀態(tài)為高電平。
DS18B20數字式溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻有所不同的是，使用集成芯片，采用單總線(xiàn)技術(shù)，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度。同時(shí)，它可以直接將被測溫度轉化成串行數字信號供微機處理，接口簡(jiǎn)單， 使數據傳輸和處理簡(jiǎn)單化。 部分功能電路的集成，使總體硬件設計更簡(jiǎn)潔，能有效地降低成本，搭建電路和焊接電路時(shí)更快，調試也更方便簡(jiǎn)單化，這也就縮短了開(kāi)發(fā)的周期 。
DS18B20單線(xiàn)數字溫度傳感器，即“一線(xiàn)器件”，其具有獨特的優(yōu)點(diǎn)：
( 1 )采用單總線(xiàn)的接口方式與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通訊。單總線(xiàn)具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現場(chǎng)溫度測量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò )，為測量系統的構建引入全新概念。
( 2 )測量溫度范圍寬，測量精度高。DS18B20 的測量范圍為-55℃ ~+125℃ ;在-10~+85℃ 范圍內，精度為±0.5℃ 。
( 3 )在使用中不需要任何外圍元器件即可實(shí)現測溫。
( 4 )多點(diǎn)組網(wǎng)功能。多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線(xiàn)上，實(shí)現多點(diǎn)測溫。
( 5 )供電方式靈活。DS18B20可以通過(guò)內部寄生電路從數據線(xiàn)上獲取電源。因此，當數據線(xiàn)上的時(shí)序滿(mǎn)足一定的要求時(shí)，可以不接外電源，從而使系統結構更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。
( 6 )測量參數可配置。DS18B20的測量分辨率可通過(guò)程序設定9~12位。
( 7 ) 負壓特性。電源極性接反時(shí)，溫度計不會(huì )因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。
( 8 )掉電保護功能。DS18B20內部含有EEPROM，在系統掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。
DS18B20 具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構建自己的經(jīng)濟的測溫系統，因此也就被設計者們所青睞。
二、DS18B20測溫原理
DS18B20 的內部測溫電路框圖
低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1，為計數器提供一頻率穩定的計數脈沖。高溫度系數晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，很敏感的振蕩器，所產(chǎn)生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入，為計數器2提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計數脈沖。圖中還隱含著(zhù)計數門(mén)，當計數門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計數，進(jìn)而完成溫度測量。計數門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數振蕩器來(lái)決定，每次測量前，首先將-55℃ 所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器 1 和溫度寄存器被預置在-55℃ 所對應的一個(gè)基數值。減法計數器1對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計數器1的預置將重新被裝入，減法計數器1重新開(kāi)始對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數，如此循環(huán)直到減法計數器2計數到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門(mén)仍未關(guān)閉就重復上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。
三、DS18B20 的管腳排列及封裝圖
DS18B20 實(shí)物管腳分布圖
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，電源供電 3.0~5.5V (在寄生電源接線(xiàn)方式時(shí)接地)。
DS18B20的硬件接口非常簡(jiǎn)單。供電方式為計生電源供電或外部供電。
寄生電源工作方式
采用寄生電源供電時(shí)，在遠程溫度測量和測量空間受限的情況下特別有價(jià)值。寄生電源供電的原理是在數據線(xiàn)為高電平的時(shí)候“竊取”數據線(xiàn)的電源，電荷被存儲在寄生供電電容上，用于在數據線(xiàn)為低的時(shí)候為設備提供電源。需要注意的是，DS18B20在進(jìn)行溫度轉換或者將高速緩存里面的數據復制到EEPROM中時(shí)，所需的電流會(huì )達到1.5mA，超出了電容所能提供的電流，此時(shí)可采用一個(gè)MOSFET三極管來(lái)供電。
外接電源工作方式
當DS18B20采用外部供電時(shí)，只需將其數據線(xiàn)，與單片機的一位雙向端口相連就可以實(shí)現數據的傳遞。
注意：當溫度高于100℃ 時(shí)，不能使用寄生電源，因為此時(shí)器件中較大的漏電流會(huì )使總線(xiàn)不能可靠檢測高低電平，從而導致數據傳輸誤碼率的增大。
四、DS18B20 內部結構
DS18B20的內部結構
DS18B20 內部結構如圖所示，主要由四部分組成：64位光刻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。
光刻ROM中的64位序列號是出廠(chǎng)前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開(kāi)始8位(地址： 28H )是產(chǎn)品類(lèi)型標號，接著(zhù)的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，并且每個(gè) DS18B20 的序列號都不相同，因此它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼; 8 位則是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼( CRC=X8+X5+X4+1 )。由于每一個(gè)DS18B20的ROM數據都各不相同，因此微控制器就可以通過(guò)單總線(xiàn)對多個(gè) DS18B20 進(jìn)行尋址，從而實(shí)現一根總線(xiàn)上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。
64B閃速ROM
DS18B20 中的溫度傳感器用于完成對溫度的測量，它的測量精度可以配置成9位，10位，11位或12位四種狀態(tài)。溫度傳感器在測量完成后將測量的結果存儲在 DS18B20 的兩個(gè)8BIT的RAM中，單片機可通過(guò)單線(xiàn)接口讀到該數據，讀取時(shí)低位在前，高位在后。數據的存儲格式如下表(以 12 位轉化為例)：
溫度信號寄存器格式
這是12位轉化后得到的12位數據，存儲在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0 ，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度;如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。
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 。
DS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與TH，TL作比較，若T>TH或T
五、DS18B20 溫度傳感器的存儲器
DS18B20 溫度傳感器的內部存儲器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2RAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH 、TL和結構寄存器。數據先寫(xiě)入RAM，經(jīng)校驗后再傳給 E2RAM 。
暫存存儲器包含了8個(gè)連續字節，前兩個(gè)字節是測得的溫度信息，個(gè)字節的內容是溫度的低八位TL，第二個(gè)字節是溫度的高八位TH。第三個(gè)和第四個(gè)字節是TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節的內容在每上電復位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節用于內部計算。第九個(gè)字節是冗余檢驗字節，可用來(lái)保證通信正確。DS18B20的分布如下：
DS18B20 的暫存寄存器分布
在 64B ROM 的有效字節中存儲有循環(huán)冗余校驗碼( CRC )。主機根據 ROM 的前 56 位來(lái)計算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主機收到的 ROM 數據是否正確。
1. 設置寄存器
該位于高速閃存的第5個(gè)字節，這個(gè)寄存器中的內容被用來(lái)確定測試模式和溫度的轉換精度。寄存器各位的內容如下：
DS18B20 的設置寄存器各位內容
該寄存器的低五位一直都是 1 ， TM 是測試模式位，用于設置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在 DS18B20 出廠(chǎng)時(shí)該位被設置為 0 ，用戶(hù)不要去改動(dòng)。 R1 和 R0 用來(lái)設置分辨率，如下表所示：( DS18B20 出廠(chǎng)時(shí)被設置為 12 位)
分辨率設置
由表可知，設定的分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時(shí)間就越長(cháng)。因此，在實(shí)際應用中要在分辨率和轉換時(shí)間權衡考慮。
六、DS18B20 的溫度測量
1-WIRE 網(wǎng)絡(luò )具有嚴謹的控制結構，其結構如下圖所示，一般通過(guò)雙絞線(xiàn)與 1-WIRE 元件進(jìn)行數據通信，它們通常被定義為漏極開(kāi)路端點(diǎn)，主/從式多點(diǎn)結構，而且一般都在主機端接上一個(gè)上拉電阻 +5V 電源。通常為了給 1-WIRE 設備提供足夠的電源，需要一個(gè) MOSFET 管將 1-WIRE 總線(xiàn)上拉至 +5V 電源。
DS18B20 組成的 1-WIRE 網(wǎng)絡(luò )
1-WIRE 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議是分時(shí)定義的，有嚴格的時(shí)隙概念，下圖是復位脈沖的時(shí)隙。
1-WIRE 協(xié)議的復位脈沖時(shí)隙
1-WIRE 讀寫(xiě)“ 0/ 1 ” 時(shí)隙
DS18B20 單線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴格的時(shí)隙概念，如果出現序列混亂， 1-WIRE 器件將不響應主機，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。根據 DS18B20 的協(xié)議規定，微控制器控制 DS18B20 完成溫度的轉換必須經(jīng)過(guò)以下 4 個(gè)步驟 ：
(1)每次讀寫(xiě)前對 DS18B20 進(jìn)行復位初始化。復位要求主 CPU 將數據線(xiàn)下拉 500ms ，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16ms~60ms 左右，然后發(fā)出 60ms~240ms 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號后表示復位成功。
(2)發(fā)送一條 ROM 指令，如下表所示：
DS18B20 的ROM指令集
a. 讀指令(33H)：通過(guò)該命令可以讀出ROM中8位系列產(chǎn)品代碼、48位產(chǎn)品序列號和8位CRC碼。
b. 選擇定位指令(55H)：多片DS18B20在線(xiàn)時(shí)，主機發(fā)出該命令和一個(gè)64位數列，DS18B20內部ROM與主機序列一致者，才能響應主機發(fā)送的寄存器操作指令，其它的DS18B20則等待復位。該指令也可用于單片DS18B20的情況。
c. 跳過(guò)ROM檢測指令(CCH)：若系統只用了一片DS18B20，該指令允許主機跳過(guò)ROM序列號檢測而直接對寄存器操作，從而節省了時(shí)間。對于多片DS18B20測溫系統，該指令將引起數據沖突。
d. 查詢(xún)指令(F0H)：該指令可以使主機查詢(xún)到總線(xiàn)上有多少片DS18B20，以及各自的64位序列號。
e. 報警查詢(xún)指令(ECH)：該指令的操作過(guò)程同查詢(xún)指令，但是僅當上次溫度測量值已置為報警標志時(shí)，DS18B20才響應該指令。
(3)發(fā)送存儲器指令，如下表所示：
DS18B20 的RAM指令集
a. 寫(xiě)入指令(4EH)：該指令把數據依次寫(xiě)入高溫報警觸發(fā)器TH、低溫報警觸發(fā)器TL和配置寄存器。命令復位信號發(fā)出之前必須把這三個(gè)字節寫(xiě)完。
b. 寫(xiě)出指令(BEH)：該指令可以讀出寄存器中的內容，從第1字節開(kāi)始，直到讀完第9個(gè)字節，如果僅需要讀取寄存器中的部分內容，主機可以在合適的時(shí)候發(fā)出復位指令以結束該過(guò)程。
c. 復制命令(48H)：該指令把高速緩存器中第 2 ~ 4 字節轉存到DS18B20的EEPROM中。命令發(fā)出后，主機發(fā)出讀指令來(lái)讀總線(xiàn)，如果轉存正在進(jìn)行時(shí)主機讀總線(xiàn)結果為0，而轉存結束則為1。
d. 開(kāi)始轉換指令(44H)：DS18B20收到該指令后立即開(kāi)始溫度轉換，不需要其他數據。此時(shí)DS18B20處于空閑狀態(tài)，當溫度轉換正在進(jìn)行時(shí)主機讀總線(xiàn)結果為0，轉換結束則為1.
e. 回調指令(B8H)：該指令把EEPROM中的內容回調至寄存器TH、TL和配置寄存器單元中。命令發(fā)出后如果主機接著(zhù)讀總線(xiàn)，則讀結果為0表示忙，為1表示回調結束。
f. 讀電源標志命令(B4H)：主機發(fā)出該指令后讀總線(xiàn)，DS18B20將發(fā)送電源標志，0表示數據線(xiàn)供電，1表示外接電源。
(4)進(jìn)行數據通信。
七、DS18B20 使用中注意事項
DS1820 雖然具有測溫系統簡(jiǎn)單、測溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應用中也應注意以下幾方面的問(wèn)題：
(1)每讀寫(xiě)之前都要對 DS18B20 進(jìn)行復位，復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預定的操作。復位要求主 CPU 將數據線(xiàn)下拉 500 us，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16 ~60 us左右，后發(fā)出 60~240 us的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復位成功。(所有的讀寫(xiě)時(shí)序至少需要 60us ，且每個(gè)獨立的時(shí)序之間至少需要 1us 的恢復時(shí)間。在寫(xiě)時(shí)序時(shí)，主機將在下拉低總線(xiàn) 15us 之內釋放總線(xiàn)，并向單總線(xiàn)器件寫(xiě) 1 ;若主機拉低總線(xiàn)后能保持至少 60us 的低電平，則向單總線(xiàn)器件寫(xiě) 0 。單總線(xiàn)僅在主機發(fā)出讀寫(xiě)時(shí)序時(shí)才向主機傳送數據，所以，當主機向單總線(xiàn)器件發(fā)出讀數據指令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便單總線(xiàn)器件能傳輸數據。)
(2)在寫(xiě)數據時(shí)，寫(xiě) 0 時(shí)單總線(xiàn)至少被拉低 60us， 寫(xiě) 1 時(shí) ，15us 內就得釋放總線(xiàn)。
(3)轉化后得到的 12 位數據，存儲在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0 ，這 5 位為 0 ，只要將測到的數值乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度;如果溫度小于 0 ，這 5 位為 1 ，測到的數值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。
(4)較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對復雜的軟件進(jìn)行補償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數據傳送，因此，在對 DS1820 進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測溫結果。在使用 PL/M 、 C 等語(yǔ)言進(jìn)行系統程序設計時(shí)，對 DS1820 操作部分采用匯編語(yǔ)言實(shí)現。
(5) 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線(xiàn)上所掛 DS1820 數量問(wèn)題，容易使人誤認為可以?huà)烊我舛鄠€(gè) DS1820 ，在實(shí)際應用中并非如此。當單總線(xiàn)上所掛 DS1820 超過(guò) 8 個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線(xiàn)驅動(dòng)問(wèn)題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統設計時(shí)要加以注意。
(6) 連接 DS1820 的總線(xiàn)電纜是有長(cháng)度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長(cháng)度超過(guò) 50m 時(shí)，讀取的測溫數據將發(fā)生錯誤。當將總線(xiàn)電纜改為雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達 150m ，當采用每米絞合次數更多的雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(cháng)。這種情況主要是由總線(xiàn)分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS1820 進(jìn)行長(cháng)距離測溫系統設計時(shí)要充分考慮總線(xiàn)分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。測溫電纜線(xiàn)建議采用屏蔽 4 芯雙絞線(xiàn)，其中一對線(xiàn)接地線(xiàn)與信號線(xiàn)，另一組接 VCC 和地線(xiàn)，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。
(7)在 DS1820 測溫程序設計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦某個(gè) DS1820 接觸不好或斷線(xiàn)，當程序讀該 DS1820 時(shí)，將沒(méi)有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設計時(shí)也要給予一定的重視。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
汽車(chē)LiDAR GaN的Design Win——高效功率轉換引領(lǐng)市場(chǎng)
