a新型传感器王凤波13721207

1、新型温度传感器DS18B20王凤波（上海大学机械工程及自动化学院，上海200072）摘要：温度传感器的使用有着悠久的历史，但温度传感器的应用依旧很广泛。温度传感器的由传统的热电偶、热敏电阻温度传感器，到集成温度传感器，新型温度传感器。在通信技术、电子技术飞速发展的同时，传感器技术的发展总是相对滞后。近年来，一大批温度传感器相继涌现，其中单线总线式的数字式集成温度传感器DS18B20的出现满足了温度测量领域的新需求。本文中，将着重介绍该款温度传感器。关键词：新型温度传感器；DS18B20；测温电路 A new type of temperature sensor DS18B20Wang Feng

2、bo(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract: The use of the temperature sensor has a long history, but still used very widely. From the traditional thermocouple of temperature sensor, thermistor temperature sensor, to the integrated temp

3、erature sensor, the new type of temperature sensor. The rapid development of communications technology, electronic technology at the same time, the development of sensor technology is relatively lagging behind. A large number of temperature sensor have sprung up in recent years, the emergence of the

4、 single wire bus digital integrated temperature sensor DS18B20 temperature meets the new demand of measurement field. In this article, the temperature sensor DS18B20 will be introduced emphatically.Key words: New type of temperature sensor; DS18B20; Temperature measurement circuit。1 温度传感器1.1 温度传感器简介

5、温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温

6、度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）、IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。1.2 新型温度传感器及其发展温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数，无论是工农业生产，还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量及温度传感器。它是现代测试和工业过程控制中应用

7、频率最高的传感器之一。然而，温度的准确测量并非轻而易举，即使有了准确度很高的温度传感器，但是，如果测量方法选择不当或者测量的环境不能满足要求，则都难以得到预期的结果。当前，虽然主要的温度传感器，如热电偶、热电阻及辐射温度计等的技术已经成熟，但是只能在传统的场合应用，不能满足许多领域的要求，尤其是高科技领域。因此，各国专家都在针对性的竞争开发各种新型温度传感器及特殊的实用测量技术。这些新型温度传感器主要有光纤温度传感器、特种测温热敏电缆、石英温度计、声学温度计、核四级共振温度计(NQR温度计)、智能温度传感器DSl820。本文主要介绍的是智能温度传感器DSl8202 DS18B20介绍2.1 背

8、景DS18B20是美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器，是世界上第一片支持 "一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。在温度测量系统中，抗干扰能力强的新型数字温度传感器DS18B20解决传统模拟信号引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移误差，测量精度不高等问题。DS18B20 具有体积

9、更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。图1为DS18B20实际的两种封装。图2为DS18B20的内部结构。2.2 DS18B20 的主要特征DS18B20的主要主要特征有：1、全数字温度转换及输出；2、先进的单总线数据通信；3 、可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.250.125和 0.0625图1 DS18B20实际的两种实物封装图2 DS18B20实际的内部结构 (65536/212)，可实现高精度测温 ；4 、在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在 750ms

10、 内把温度值转换为数字，速度更快 ；5 、可选择寄生工作方式；6 、 检测温度范围为55°C +125°C (67°F +257°F) ；7、内置 EEPROM，限温报警功能；8、64 位光刻 ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；9、多样封装形式，适应不同硬件系统；10、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；11、独特的单线接口方式，DS18B20 在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 ；12、DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实

11、现组网多点测温；13、DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；14、测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；15、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3 DS18B20 工作原理DS18B20 测温原理如图3 所示。图3中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数

12、值。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，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被装入，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，其输出用于修正计数器 1 的预置值。DS18B20 有 4 个主要的数据部件：图3 DS18B20工作原理（1）光刻 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。64位光刻 ROM 的排

13、列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 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。（2）DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：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。这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测

14、得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度。表1 DS18B20温度值格式表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。表2 一定温度对应的数字输出TEMPERATUREDIGTAL OUTPUT(Binary)DIGTAL OUTPUT(Hex)+1250000

15、0111 1101 000007D0+85 0000 0101 0101 00000550+25.06250000 0001 1001 00010191+10.1250000 0000 1010 001000A2+0.50000 0000 0000 1000000800000 0000 0000 00000000-0.51111 1111 1111 1000FFF8-10.1251111 1111 0101 1110FF5E-25.06251111 1110 0110 1111FE6F-551111 1100 1001 0000FC90（3）DS18B20 温度传感器的存储器 DS18B20

16、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 EEPROM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。（4）配置寄存器 该字节各位的意义如表3所示： 表3 配置寄存器结构TMR1R01111低五位一直都是"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 用来设置分辨率，如表4所示：（DS18B20 出厂时被设置为12 位）。表4 温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011

17、位375ms1112位750ms4 DS18B20 的典型应用电路DS18B20 测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。下面就是DS18B20。几个不同应用方式下的测温电路图：1、DS18B20 寄生电源供电方式电路图如图4所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20 从单线信号线上汲取能量：在信号线 DQ 处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处：1)进行远距离测温时，无需本地电源；2）可以在没有常规电源的条件下读取 ROM ；3）电路更加简洁，仅用一根

18、I/O 口实现测温；要想使 DS18B20 进行精确的温度转换，I/O 线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20 在温度转换期间工作电流达到 1mA，当几个温度传感器挂在同一根 I/O 线上进行多点测温时，只靠 4.7K 上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，图 4 电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源 VCC 必须保证在 5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。图4 DS18B20寄生电源供电方式 2、DS18B20 寄生电源强上拉供电方式电路图图5 弱上拉供电图

19、6 外部供电方式单点测温电路改进的寄生电源供电方式如图5所示，为了使 DS18B20 在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 E2 存储器操作时，用 MOSFET 把 I/O 线直接拉到 VCC 就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到 E2 存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多 10S 内把 I/O 线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不足的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根 I/O 口线进行强上拉切换。3、DS18B20 的外部电源供电方式在外部电源供电方式下，DS18B20 工作电源由 VDD 引脚接入，此时 I/O 线不需要强上

20、拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个 DS18B20 传感器，组成多点测温系统。在外部供电的方式下，DS18B20 的 GND 引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85。图7 外部供电方式的多点测温电路图外部电源供电方式是 DS18B20 最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。比寄生电源方式只多接一根 VCC 引线。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20 宽电源电压范围的优点，即使电源电压 VCC 降到 3V 时，依然能够保证温度量精度。5 结论DS18B20以其优异的

21、性能使得其应用广泛。其精度以及各方面的指标均能够满足大部分应用场合的测温需求。但仍然存在一些比如高精度测量领域，十分恶劣的环境下测温不准等问题亟待解决。但是随着科学技术，特别是材料技术，加工工艺的改进，我们有理由相信DS18B20的应用前景将更加广阔。致谢 感谢顾惠芬老师对论文的宝贵意见与指导，感谢我的同学们的建议，在此表示感谢！参考文献：1 任雁胜, 石艳林, 汪昌成. 基于单线总线智能温度传感器的电脑温控系统A. 2005年十二省区市机械工程学会学术年会论文集（湖北专集）C, 2005, (总第).2赵小强, 王曙光, 赵勇. 基于硅微机械F-P腔的新型温度传感器建模与优化设计A. 中国光

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24、）C, 2008 14 林晖, 郭唐永, 邹彤. C8051F330在地震反应观测系统中的应用A. 新世纪观测技术发展及防震减灾青年学术研讨会论文集C, 2007 15 齐婉玉, 孟英红, 沈满. 用DS18B20进行温度检测的方法与技巧A. 首届信息获取与处理学术会议论文集C, 2003, (总第) 16 刘建学. 食品冷藏运输过程中温度控制与安全追溯技术A. 中国机械工程学会包装与食品工程分会2010年学术年会论文集C, 2010 17 徐军, 李欣, 夏伟. 基于石英音叉温度传感器的测温仪表的设计与实现A. 首届信息获取与处理学术会议论文集C, 2003, (总第) 18 王瑗, 黄学东, 赵铁松. AD590电流温度特性测量实验的计算机数据采集A. 2005年全国高校非物理类专业物理教育学术研讨会论文集C, 2005 19 王俊松, 钱飞飞, 张兴会, 谷兆麟, 吴真. 基于BP神经网络的温度传感器动态建模及自适应标定A. 第