温度传感器DS1820.docx

1、温度传感器温度传感器 DS1820 美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 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。目前 DS18B20批量采购价格仅 10元左右。在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的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

2、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是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器 DS18B20 具有体积更小、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。新的一线器件DS18B20 体积更小、适用电压更宽、更经济。DS18B20、DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定 912位的分辨率，精度为 0.5 C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温

3、度存储在 EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822 与 DS18B20 软件兼容，是 DS18B20 的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的 EEPROM，精度降低为 2 C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。继一线总线的早期产品后，DS1820 开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和 DS1822 使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。DS18B20、DS1822 一线总线数字化温度传感器 同 DS1820 一样，DS18B20 也支持一线总线接口

4、，测量温度范围为-55 C+125 C，在-10+85 C 范围内，精度为 0.5 C。DS1822 的精度较差为 2 C。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持 3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。一、DS18B20的主要特性 （1）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 （2）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 DS18B2

5、0 的双向通讯 （3）DS18B20支持多点组网功能，多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 （4）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 （5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5 （6）可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温 （7）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 内把温度值转换为数字，速度更快 （8）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

6、可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 （9）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。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 1:740)this.width=740 border=undefined 740)this.width=740 border=undefined 图 1：DS18B20 外形及引脚排列图 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

7、为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图 2：DS18B20 内部结构图 三、DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms。DS18B20 测温原理如图 3 所示。图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

8、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 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。图 3：DS18B20 测温原理框图 DS18B20有 4 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，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻 ROM 的排列是：开始 8位（28H）是产品类型标号，接着的 48位是该 DS18B20 自身的序

9、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。表 1:DS18B20 温度值格式表 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，如果测得的温度大于 0，这 5位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0

10、625即可得到实际温度；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。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。表 2:DS18B20 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 TM R1 R0 1

11、1 1 1 1 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 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9位 93.75ms 0 1 10位 187.5ms 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms 四、高速暂存存储器 高速暂存存储器由 9个字节组成，其分配如表 5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0和第 1个字节

12、。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，数据格式如表 1 所示。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，先将补码变为原码，再计算十进制值。表?2是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。表 5：DS18B20 暂存寄存器分布 寄存器内容 字节地址 温度值低位（LS Byte）0 温度值高位（MS Byte）1 高温限值（TH）2 低温限值（TL）3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC 校验值 8 根据 DS18B20 的通讯协议，主机（单片机）控制 DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都

13、要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 ROM指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500微秒，然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 1660 微秒左右，后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。表 6：ROM指令表 指 令 约定代码 功 能 读ROM 33H 读 DS1820 温度传感器 ROM中的编码（即 64位地址）符合 ROM 55H 发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS18

14、20 的读写作准备。搜索 ROM 0FOH 用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。跳过 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令 0ECH 执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。表 6：RAM指令表 指 令 约定代码 功 能 温度变换 44H 启动 DS1820 进行温度转换，12位转换时最长为 750ms（9位为 93.75ms）。结果存入内部 9字节RAM中。读暂存器 0BEH 读内部 RAM 中 9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部

15、RAM 的 3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器 48H 将 RAM 中第 3、4字节的内容复制到EEPROM中。重调 EEPROM 0B8H 将 EEPROM 中内容恢复到 RAM 中的第 3、4字节。读供电方式 0B4H 读 DS1820 的供电模式。寄生供电时 DS1820发送“0”，外接电源供电 DS1820 发送“1”。五、DS18B20的应用电路 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 如下面图 4

16、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 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

17、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。注：站长曾经就此电路做过实验，在实验中，降低电源电压 VCC，当低于 4.5V时，测出的温度值比实际的温度高，误差较大。当电源电压降为 4V 时，温度误差有 3之多，这就应该是因为寄生电源汲取能量不够造成的吧，因此，站长建议大家在开发测温系统时不要使用此电路。图 4 2、DS18B20 寄生电源强上拉供电方式电路图 改进的寄生电源供电方式如下面图 5 所示，为了使

18、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 口线进行强上拉切换。图 5 注意：在图 4和图 5 寄生电源供电方式中，DS18B20的 VDD引脚必须接地 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

19、强上拉，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。注意：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 6：外部供电方式单点测温电路 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。站长推荐大家在开发中使用外部电源供电方式，毕竟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

20、电源电压 VCC降到 3V时，依然能够保证温度量精度。六、DS1820 使用中注意事项 DS1820 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS1820 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用 PL/M、C 等高级语言进行系统程序设计时，对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现。2)在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个

21、DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820 超过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。3)连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS1820 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。4)在 DS1820 测温程序设计中，向 DS1820 发出温度转换命令后，程序总要等待 DS1820 的返回信号，一旦某个 DS1820 接触不好或断线，当程序读该 DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS1820 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽 4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。