数字温度传感器DS18B20控制接口设计.docx

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数字温度传感器DS18B20控制接口设计

数字温度传感器DS18B20控制接口设计

摘要：

DS18B20是一款经典的单总线数字温度传感器芯片，较传统的温度传感器具有构造简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用简单、可组网实现多点温度测量等优点。

本设计简要介绍了数字温度传感器DS18B20的特性及工作原理，着重论述了用FPGA实现对此传感器的控制，并将测到的温度在LED数码管上显示出来。

关键词：

DS18B20；温度传感器；FPGA；LED数码管

Abstract:

DS18B20isaclassicsingle-busdigitaltemperaturesensorchip,themoretraditionaltemperaturesensorhasasimplestructure,smallsize,lowpowerconsumption,andanti-interferenceability,easytousenetworkingtoachievemulti-pointtemperaturemeasurement.ThedesignbriefdescribesthefeaturesandworkingprincipleofthedigitaltemperaturesensorDS18B20,focusesonthecontrolofthissensorusingFPGA,andthemeasuredtemperatureisdisplayedontheLEDdigitaltube.

Keywords:

DS18B20;temperaturesensor;FPGA;LEDdigitaltube

1引言

传统的温度传感器系统大都采用放大、调理、A/D转换,转换后的数字信号送入计算机处理,处理电路复杂、可靠性相对较差,占用计算机的资源较多。

DS18B20是一线制数字温度传感器,它可将温度信号直接转换成串行数字信号送给微处理器,电路简单,本钱低,每一只DS18B20内部的ROM存储器都有唯一的64位系列号,在1根地址/信号线上可以挂接多个DS18B20,易于扩展,便于组网和多点测量。

随着科技的开展,温度的实时显示系统应用越来越广泛,比方空调遥控器上当前室温的显示、热水器温度的显示等等。

实现温度的实时采集与显示系统有很多种解决方案,本文使用全数字温度传感器DS18B20来实现温度的实时采集FPGA作为控制中心与数据桥梁;LED数码管作为温度实时显示器件。

其中DS18B20作为FPGA的外部信号源,把所采集到的温度转换为数字信号,通过接口〔113脚〕传给FPGA，FPGA启动ROM内的控制程序驱动LED数码管,通过IO口和数据线把数据传送给LED数码管,将采集到的温度实时显示出来。

该设计构造简单、测温准确,本钱低，工作稳定可靠,具有一定的实际应用价值。

2DS18B20数字温度传感器介绍

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改良型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，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。

DS18B20的性能特点如下：

2.1DS18B20的性能特点

独特的单线接口仅需要一个端口引脚进展通信；

多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

无须外部器件；

可通过数据线供电，电压X围为3.0~5.5Ｖ；

零待机功耗；

温度以９或１２位数字；

用户可定义报警设置；

报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度〔温度报警条件〕的器件；

负电压特性，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；

2.2DS18B20的内部构造图

DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部构造框图如图2-1所示。

图2-1DS18B20内部构造框图图2-2DS18B20字节定义

64位ROM的构造开场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位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进展通信的原因。

温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。

高速暂存RAM的构造为８字节的存储器，构造如图2-2所示。

头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。

第５个字节，为配置存放器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。

DS18B20工作时存放器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

该字节各位的定义如图3-4所示。

低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分率。

2.3DS18B20测温原理

DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一个频率稳定的计数脉冲。

高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。

初始时，温度存放器被预置成-55℃，每当计数器1从预置数开场减计数到0时，温度存放器中存放的温度值就增加1℃，这个过程重复进展，直到计数器2计数到0时便停顿。

初始时，计数器1预置的是与-55℃相对应的一个预置值。

以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。

为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。

计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度存放器存放值增加1℃计数器所需要的计数个数。

DS18B20内部的比拟器以四舍五入的量化方式确定温度存放器的最低有效位。

在计数器2停顿计数后，比拟器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25℃进展比拟，假设低于0.25℃，温度存放器的最低位就置0；假设高于0.25℃，最低位就置1；假设高于0.75℃时，温度存放器的最低位就进位然后置0。

这样，经过比拟后所得的温度存放器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。

温度存放器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。

测温完毕时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。

DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。

DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器那么将被测温度转换成频率信号。

当计数门翻开时，DS18B20进展计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。

芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。

测量结果存入温度存放器中。

一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。

2.4DS18B20供电方式

DS18B20有两种供电方式，一种是寄生电源强上拉供电方式，一种是外部供电方式，如下列图：

图2-3寄生电源强上拉供电方式电路图

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。

为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供给，当进展温度转换或拷贝到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10μS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给不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进展强上拉切换。

图2-4外部电源供电方式电路图

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线不需要强上拉，不存在电源电流缺乏的问题，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，否那么不能转换温度，读取的温度总是85℃。

3设计需求

温度测量X围：

-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℃

LED数码管直读显示

4设计方案

4.1硬件设计

将[DF2C8]FPGA核心板和[EB-F2]根底实验板连接在一起，同时使能DS18B20模块和数码管模块：

数码管使能：

用“短路帽〞将实验板上的JP4和JP5全部短接。

DS18B20温度传感器使能跳线JP10全部短接，元件安装示意如下列图4-1和4-2〔注意方向，半圆形的一边朝板子内部，平面朝外，和板上的图示一致〕。

图4-1：

数码管使能图示图4-2：

温度传感器安装和使能图示

4.1.1温度传感器DS18B20电路

根底实验板上提供了一个由DS18B20构成的温度测量模块，其原理如图4-3所示。

该电路选择外部供电方式。

外部电源供电方式工作稳定可靠，抗干扰能力强。

图4-3单线制温度传感器DS18B20电路图

DS18B20与[DF2C8]FPGA核心板的连接关系如表4-1所示

表4-1：

DS18B20与[DF2C8]FPGA核心板连接时的管脚对应关系

4.1.2数码管显示电路

根底实验板上具有2个共阳极的位七段数码管，构成8位构，其电路如图4-4所示。

图4-4：

七段数码管显示电路图

数码管的控制引脚由两个跳线JP4和JP5使能〔如图4-1所示〕

R10~R17是段码上的限流电阻，位码由于电流较大，采用了PNP三极管驱动。

当位码驱动信号为低电平〔0〕时，对应的数码管才能操作；当段码驱动信号为低电平〔0〕时，对应的段码点亮。

数码管不核心板连接时的管脚对应如表4-2所示：

表4-2：

数码管与[DF2C8]FPGA核心板连接时的管脚对应关系

4.2HDL编码

4.2.1时序

（1）复位:

使用DS18B20时,首先需将其复位,然后才能执行其它命令。

复位时,主机将数据线拉为低电平并保持480Ls~960Ls,然后释放数据线,再由上拉电阻将数据线拉高15~60Ls,等待DS18B20发出存在脉冲,存在脉冲有效时间为60~240Ls,这样,就完成了复位操作。

其复位时序如图4-5所示。

图4-5：

初始化时序图4-6：

写时序

〔2〕写时隙：

在主机对DS18B20写数据时,先将数据线置为高电平,再变为低电平,该低电平应大于1us。

在数据线变为低电平后15us内,根据写“1〞或写“0〞使数据线变高或继续为低。

DS18B20将在数据线变成低电平后15us~60us内对数据线进展采样。

要求写入DS18B20的数据持续时间应大于60us而小于120us,两次写数据之间的时间间隔应大于1us。

写时隙的时序如图4-6所示

〔3〕读时隙：

当主机从DS18B20读数据时,主机先将数据线置为高电平,再变为低电平,该低电平应大于1us,然后释放数据线,使其变为高电平。

DS18B20在数据线从高电平变为低电平的15us内将数据送到数据线上。

主机可在15us后读取数据线。

读时隙的时序如图4-7所示。

图4-7：

读时隙

4.2.2DS18B20的操作命令

主机可通过一线端口对DS18B20进展操作,其步骤为:

复位（初始化命令）->ROM功能命令->存储器功能命令->执行/数据,DS18B20的ROM命令有5个（见表1）,存储器命令有6个（见表2）。

命令的执行都是由复位、多个读时隙和写时隙根本时序单元组成。

因此,只要将复位、读时隙、写时隙的时序了解清楚,使用DS18B20就比拟容易了,时序如上文所述。

表4-3：

存储器命令操作表表4-4：

ROM命令功能操作表

4.2.3VerilogHDL编码

详细VerilogHDL代码参见工程文件：

DF2C8_13_DS18B20

工程文件中含有三个v文件，LED_CTL.v是数码管显示功能模块，DS18B20_CTL.v是温度传感器的控制模块，TEMP.v为顶层模块，实例化了前面两个模块，并将采集的温度值送至数码管中进展显示。

其中最主要的温度传感器的控制模块，DS18B20_CTL.v。

该程序对DS18B20进展控制,不仅可以简化程序,还可以缩短1次温度转换所需的时间.这样的话,1次温度转换和数字温度值输出循环所涉及到的控制命令、数据交换和所需时隙如图4-8所示。

.

图4-8：

1次温度转换的控制命令和时隙

5仿真测试结果

5.1仿真波形

温度测量模块仿真结果如图6-1所示：

图5-1：

仿真波形

5.2结果显示

下载配置文件后，可在数码管上观察到带一位小数的温度数值。

如果用手捏住传感器，会发现显示的温度在升高。

如下列图：

图5-2测温效果图示

参考文献：

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[2]罗钧,童景琳.智能传感器数据采集与信号处理[M].化学工业

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