智能温度传感器DSB的原理与应用

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。ﻫ

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93.75ｍs和７5０ms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～＋5．5Ｖ。ﻫ

(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９~１2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。ﻫ2ＤＳ１８B20的内部结构ﻫ

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。

（1)6４b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.ﻫ

(3)高速暂存存储器ﻫ

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Ｅ２RAM。后者用于存储ＴH,TL值。数据先写入RAM,经校验后再传给E2ＲAＭ。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：ﻫ

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）.

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.ﻫ

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0062５℃/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Ｔ〉TH或T<TL，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.ﻫ

(4)CRC的产生ﻫ

在６4bRＯM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.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。ﻫ

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ﻫ

以MCS5１单片机为例，图3中采用寄生电源供电方式，P11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P10来完成对总线的上拉［２]。当DS１8B20处于写存储器操作和温度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10μｓ。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4.７ｋΩ,另外２个脚分别接电源和地.

5ＤS18B20的精确延时问题ﻫ

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1５μｓ，90μs,２70μs，54０μs等。因这些延时均为15μｓ的整数倍，因此可编写一个DＥLAY15(n）函数，源码如下：ﻫ

只要用该函数进行大约15μs×Ｎ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ﻫ

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）ﻫ[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ﻫ

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。ﻫ2DS１8B2０的内部结构ﻫ

图１DS18B20的内部结构ﻫ图2ＤS１８B２0的管脚排列ﻫ（ａ）初始化时序

（b）写时序

（c）读时序ﻫ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℃2３２221２02-12－22—３２－4温度值低字节ﻫMＳBLＳＢSSＳSS2２2524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：０R1R０11111MSBＬＳＢ

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75０ms；未编程时默认为1２位精度。ﻫ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。ﻫ3DＳ１８B２0的工作时序ﻫDS１8Ｂ２０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ﻫ

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.ﻫ

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.ﻫ

ＤAＴEQＵP1.０

……ﻫ

ＩNＩT：CLＲＥAﻫ

INI10：SETBＤATﻫ

ＭＯＶＲ２,＃200

（ａ）寄生电源工作方式ﻫ(ｂ）外接电源工作方式

图４ＤＳ１８B２0与微处理器的典型连接图IＮI１１:ＣＬRDＡTﻫDＪNＺＲ２，INI1１；主机发复位脉冲持续３μs×2０0＝6０0μsﻫSETＢDAT;主机释放总线，口线改为输入ﻫMＯVR2,＃30ﻫＩN１2：DＪＮＺＲ2，IＮI１2;DＳ1８B20等待2μs×３０=6０μsﻫCＬRCﻫOＲＬC，DＡT；DS18Ｂ2０数据线变低（存在脉冲）吗？ﻫJCIＮＩ１0；DＳ18B20未准备好,重新初始化ﻫMOVR6，＃8０ﻫＩNI１３：ＯＲLC,DATﻫＪCINＩ１4；DＳ1８B2０数据线变高,初始化成功ﻫDJNＺR6,IＮI13；数据线低电平可持续３μs×８0=2４0μsﻫＳJMPINＩ１0；初始化失败,重来ﻫINＩ14:MOVR２,#２４0ﻫIN1５：ＤJNZR2，INＩ15;ＤＳ１8B２0应答最少2μs×240＝４80μsﻫＲＥTﻫ；-—-－－-—－-－－—-——－--－--—－—

WRITE:CＬＲEＡﻫMＯＶR3，＃８;循环8次，写一个字节ﻫWR11:SETＢDＡTﻫＭＯVR４,＃８

ＲRＣＡ;写入位从A中移到ＣYﻫCLRDAＴ

WＲ１2:DJNZR4，WR1２ﻫ；等待1６μsﻫMＯVDAＴ,Ｃ;命令字按位依次送给DS18B20ﻫＭOVR4，＃2０ﻫWＲ1３：ＤJNZR4,WＲ１3

；保证写过程持续６0μｓﻫＤJＮZＲ3，ＷR11

；未送完一个字节继续

ＳＥTBDＡT

RＥT

；-－—－---－----－－-－－-－——－－—

ＲＥＡＤ：CLRＥＡﻫMＯVR６,＃８;循环８次,读一个字节ﻫRD11:ＣＬＲＤATﻫMＯＶR4，＃4ﻫNOP;低电平持续２μｓﻫＳEＴＢDAT;口线设为输入ﻫＲD12:DJＮＺR４,RＤ12ﻫ；等待８μｓﻫＭOVC，DAT

；主机按位依次读入DS１8Ｂ20的数据ﻫRＲCＡ;读取的数据移入AﻫMＯVR5，＃30ﻫＲＤ13:DJＮZR5,RＤ1３

；保证读过程持续6０μs

DJＮZR6，RD11ﻫ；读完一个字节的数据，存入A中ﻫSＥＴＢＤAＴﻫＲEＴﻫ；－-－-—-－—-－－－—－—－－—－—－－－—ﻫ

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须