毕业设计229智能温度传感器DS18B20的原理与应用.doc
毕业设计229智能温度传感器DS18B20的原理与应用
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毕业设计229智能温度传感器DS18B20的原理与应用,电气电子毕业设计论文
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智能温度传感器 DS18B20 的原理与应用 赵海兰 1,赵祥伟 2 (1 沙洲职业工学院江苏 张家港 215600； 2 高新张铜公司江苏张家港 215600) 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 93.75 ms和 750 ms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 +5.5 V。 （ 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 912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。 nts (1) 64 b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 E 2RAM。后者用于存储 TH， TL值。数据先写入 RAM，经校验后再传给 E 2RAM。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）。 nts 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 0062 5 /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 TTH或 TTL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。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 64 b ROM 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。 nts 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， P1 1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 P1 0 来完成对总线的上拉 2 。当 DS18B20处于写存储器操作和温nts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 10 s 。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 4.7 k, 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 15 s ， 90 s ， 270 s ， 540 s 等。因这些延时均为 15 s 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 15 sN 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 nts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 nts （ 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nts750ms；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 3s200=600s SETBDAT；主机释放总线，口线改为输入 MOVR2, 30 IN12:DJNZR2,INI12； DS18B20 等待 2s30=60s CLRC ORLC,DAT； DS18B20 数据线变低（存在脉冲）吗？ ntsJCINI10； 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 3s80=240s SJMPINI10；初始化失败，重来 INI14:MOVR2, 240 IN15:DJNZR2,INI15； DS18B20 应答最少 2s240=480s 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 16s MOVDAT,C；命令字按位依次送给 DS18B20 MOVR4, 20 WR13:DJNZR4,WR13 ；保证写过程持续 60s 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 2s SETBDAT；口线设为输入 RD12:DJNZR4,RD12 ；等待 8s 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
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