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      數(shù)字溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用

      數(shù)字溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用

      1引言
              DS18B20
      是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器,具有3引腳TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55℃~+125℃,可編程為9位~12位A/D轉(zhuǎn)換精度,測溫分辨率可達(dá)0.0625℃,被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出;其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入,也可采用寄生電源方式產(chǎn)生;多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上,CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點溫度檢測系統(tǒng)。
      2DS18B20
      的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
              DS18B20
      內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由4部分組成:64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2所示,DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端;GND為電源地;VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地,見圖4)。
              ROM
      中的64位序列號是出廠前被光刻好的,它可以看作是該DS18B20的地址序列碼,每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗碼(CRC=X8+X5+X4+1)。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同,這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。



      圖1DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)



      圖2DS18B20的管腳排列



      (a)初始化時序



      (b)寫時序



      (c)讀時序
      圖3DS18B20的工作時序圖
      DS18B20
      中的溫度傳感器完成對溫度的測量,用16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供,以0.0625℃/LSB形式表達(dá),其中S為符號位。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H,+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H,-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH,-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。

      23
      22
      21
      20
      2
      -1
      2
      -2
      2
      -3
      2
      -4


      溫度值低字節(jié)
      MSBLSB

      S
      S
      S
      S
      S
      22
      25
      24


      溫度值高字節(jié)
              
      高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的EEPROM組成,使用一個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下:

      0
      R1
      R0
      1
      1
      1
      1
      1


      MSBLSB

              R1
      、R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù):R1R0=“00”,9位精度,*大轉(zhuǎn)換時間為93.75ms;R1R0=“01”,10位精度,*大轉(zhuǎn)換時間為187.5ms;R1R0=“10”,11位精度,*大轉(zhuǎn)換時間為375ms;R1R0=“11”,12位精度,*大轉(zhuǎn)換時間為750ms;未編程時默認(rèn)為12位精度。
        高速暫存器是一個9字節(jié)的存儲器。開始兩個字節(jié)包含被測溫度的數(shù)字量信息;第3、4、5字節(jié)分別是TH、TL、配置寄存器的臨時拷貝,每一次上電復(fù)位時被刷新;第6、7、8字節(jié)未用,表現(xiàn)為全邏輯1;第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)的CRC碼,可用來保證通信正確。
      3DS18B20
      的工作時序
        DS18B20的一線工作協(xié)議流程是:初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序,如圖3(a)(b)(c)所示。
      4DS18B20
      與單片機的典型接口設(shè)計
          
      圖4以MCS-51系列單片機為例,畫出了DS18B20與微處理器的典型連接。圖4(a)中DS18B20采用寄生電源方式,其VDD和GND端均接地,圖4(b)中DS18B20采用外接電源方式,其VDD端用3V~5.5V電源供電。
          
      假設(shè)單片機系統(tǒng)所用的晶振頻率為12MHz,根據(jù)DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序,分別編寫了3個子程序:INIT為初始化子程序,WRITE為寫(命令或數(shù)據(jù))子程序,READ為讀數(shù)據(jù)子程序,所有的數(shù)據(jù)讀寫均由*低位開始。
          DATEQUP1.0
          ……
          INIT:CLREA
          INI10:SETBDAT
          MOVR2,
      #200



      a
      )寄生電源工作方式
      (b)外接電源工作方式
      圖4DS18B20與微處理器的典型連接圖

      INI11:CLRDAT
      DJNZR2,INI11
      ;主機發(fā)復(fù)位脈沖持續(xù)3μs×200=600μs
      SETBDAT
      ;主機釋放總線,口線改為輸入
      MOVR2,
      #30
      I
      N12:DJNZR2,INI12;DS18B20等待2μs×30=60μs
      CLRC
      ORLC,DAT
      ;DS18B20數(shù)據(jù)線變低(存在脈沖)嗎?
      JCINI10
      ;DS18B20未準(zhǔn)備好,重新初始化
      MOVR6,
      #80
      INI13:ORLC,DAT
      JCINI14
      ;DS18B20數(shù)據(jù)線變高,初始化成功
      DJNZR6,INI13
      ;數(shù)據(jù)線低電平可持續(xù)3μs×80=240μs
      SJMPINI10
      ;初始化失敗,重來
      INI14:MOVR2,
      #240
      I
      N15:DJNZR2,INI15;DS18B20應(yīng)答*少2μs×240=480μs
      RET
      ;------------------------
      WRITE:CLREA
      MOVR3,
      #8;循環(huán)8次,寫一個字節(jié)
      WR11:SETBDAT
      MOVR4,
      #8
      RRCA
      ;寫入位從A中移到CY
      CLRDAT
      WR12:DJNZR4,WR12
      ;等待16μs
      MOVDAT,C
      ;命令字按位依次送給DS18B20
      MOVR4,
      #20
      WR13:DJNZR4,WR13
      ;保證寫過程持續(xù)60μs
      DJNZR3,WR11
      ;未送完一個字節(jié)繼續(xù)
      SETBDAT
      RET
      ;------------------------
      READ:CLREA
      MOVR6,
      #8;循環(huán)8次,讀一個字節(jié)
      RD11:CLRDAT
      MOVR4,
      #4
      NOP
      ;低電平持續(xù)2μs
      SETBDAT
      ;口線設(shè)為輸入
      RD12:DJNZR4,RD12
      ;等待8μs
      MOVC,DAT
      ;主機按位依次讀入DS18B20的數(shù)據(jù)
      RRCA
      ;讀取的數(shù)據(jù)移入A
      MOVR5,
      #30
      RD13:DJNZR5,RD13
      ;保證讀過程持續(xù)60μs
      DJNZR6,RD11
      ;讀完一個字節(jié)的數(shù)據(jù),存入A中
      SETBDAT
      RET
      ;------------------------
              
      主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟:初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。必須先啟動DS18B20開始轉(zhuǎn)換,再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。假設(shè)一線僅掛接一個芯片,使用默認(rèn)的12位轉(zhuǎn)換精度,外接供電電源,可寫出完成一次轉(zhuǎn)換并讀取溫度值子程序GETWD。
          GETWD:LCALLINIT
          MOVA,
      #0CCH
          LCALLWRITE
      ;發(fā)跳過ROM命令
          MOVA,
      #44H
          LCALLWRITE
      ;發(fā)啟動轉(zhuǎn)換命令
          LCALLINIT
          MOVA,
      #0CCH;發(fā)跳過ROM命令
          LCALLWRITE
          MOVA,
      #0BEH;發(fā)讀存儲器命令
          LCALLWRITE
          LCALLREAD
          MOVWDLSB,A
          
      ;溫度值低位字節(jié)送WDLSB
          LCALLREAD
          MOVWDMSB,A
          
      ;溫度值高位字節(jié)送WDMSB
          RET
          ……
              
      子程序GETWD讀取的溫度值高位字節(jié)送WDMSB單元,低位字節(jié)送WDLSB單元,再按照溫度值字節(jié)的表示格式及其符號位,經(jīng)過簡單的變換即可得到實際溫度值。
              
      如果一線上掛接多個DS18B20、采用寄生電源連接方式、需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換精度配置、高低限報警等,則子程序GETWD的編寫就要復(fù)雜一些,限于篇幅,這一部分不再詳述,請參閱相關(guān)內(nèi)容。
              
      我們已成功地將DS18B20應(yīng)用于所開發(fā)的“家用采暖洗浴器”控制系統(tǒng)中,其轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換精度高,與微處理器的接口簡單,給硬件設(shè)計工作帶來了極大的方便,能有效地降低成本,縮短開發(fā)周期。

       

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