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转 DS18B20温度传感器  

2014-01-19 22:00:52|  分类: 元器件 |  标签: |举报 |字号 订阅

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单总线数字温度传感器DS18B20,PR-35封装,外型以及大小跟普通9014三极管一模一样。
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数字温度传感器DS18B20介绍
1、DS18B20的主要特性
1.1、适应电压范围更宽,电压范围:3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数 据线供电
1.2、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DS18B20的双向通讯
1.3、 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
1.4、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
1.5、温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃
1.6、可编程 的分辨率为9~12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
1.7、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
1.8、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,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力
1.9、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。

2、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)。 

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 图2: DS18B20内部结构图
3、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。 

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                                                 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
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 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0.0625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 
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 (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
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



4、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。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16~60微秒左右,后发出60~240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 DS1820 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 ”。



5、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:
5.1、DS18B20寄生电源供电方式电路图
如下面图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。

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。 

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图4

5.2DS18B20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。
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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


5.3DS18B20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℃。
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                                             图6:外部供电方式单点测温电路

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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,即使电源电压VCC降到3V时,依然能够保证温度量精度。


6、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:
6.1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。
6.2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 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。
6.3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。
6.4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。



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