DS18B20工作原理.docx

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DS18B20工作原理

DS18B20工作原理简介

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20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-BOARD）专利技术。

全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

一线总线独特而经济的特点，使用户可轻松的组建传感器网络，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。

使你可以发挥“一线总线”的优点。

在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好地解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。

另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。

因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器DS18B20体积小、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。

DS18B20的主要特征：

（1）全数字温度转换及输出。

（2）先进的单总线数据通信。

（3）最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。

（4）12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

（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。

二、DS18B20的外形和内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻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的外形及管脚排列如下图1：

DS18B20引脚定义：

（1）DQ为数字信号输入/输出端；

（2）GND为电源地；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

图2DS18B20内部结构图

三、DS18B20工作原理

DS18B20的测温原理如图3所示。

图3DS18B20测温原理图

图中低温度系数晶振的震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震荡率明显改变，所产生的的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的的一个基数值。

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的预置值将重新被装入，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技术到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3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有四个主要的数据部件：

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最好8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+X1）。

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。

表1DS18B20温度值格式表

这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测得的数值需要取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度。

表2DS18B20温度数据表

（3）DS18B20温度传感器的存储器

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EEPRAM，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下：

表3配置寄存器结构

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，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）

表4温度分辨率设置表

四、DS18B20的操作流程：

图4DS18B20操作流程图

1、复位：

如图5所示，首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480μS的低电平信号。

当DS18B20接到此复位信号后则会在15~60μS后回发一个芯片的存在脉冲。

图5复位时序图

2、存在脉冲：

如图5所示，在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60μS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240μS的低电平信号。

至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与DS18B20间的数据通信。

如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

3、控制器发送ROM指令：

双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。

其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。

诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个DS18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：

此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。

ROM指令在下文有详细的介绍。

4、控制器发送存储器操作指令：

在ROM指令发送给DS18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。

操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。

存储器操作指令的功能是命令DS18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

5、执行或数据读写：

一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。

如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待DS18B20执行其指令，一般转换时间为500μS。

如执行数据读写指令则需要严格遵循DS18B20的读写时序来操作。

数据的读写方法及时序图将有下文有详细介绍。

图6读时序图

图7写时序图

若要读出当前的温度数据我们需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过ROM指令、执行温度转换存储器操作指令、等待500μS温度转换时间。

紧接着执行第二个周期为复位、跳过ROM指令、执行读RAM的存储器操作指令、读数据（最多为9个字节中途可停止，只读简单温度值则读前2个字节即可）。

参考文献:

《电子技术应用》2000年06期《单线数字温度传感器的原理与应用》

金伟正

《半导体技术》2003年02期《单总线数字温度传感器原理及应用》

王成江王安敏张玉华

《传感器与微系统》2007年11期《基于单总线的智能多点测温系统设计》

李金凤葛良全吴建平郝俊胜