数字化温度传感器DS18B20的使用.ppt

数字化温度传感器DS18B20 One-Wire总线（单总线） One-Wire总线是DALLAS公司研制开发的一种协议。它由一个总线主 节点、一个或多个从节点组成系统，通过一根信号线对从芯片进行数 据的读取。每一个符合 One-Wire协议的从芯片都有一个唯一的地址， 包括48位的序列号、8位的家族代码和8位的CRC代码。主芯片对各个 从芯片的寻址依据这64位的不同来进行。One-Wire总线利用一根线实 现双向通信。因此其协议对时序的要求较严格，如应答等时序都有明 确的时间要求。基本的时序包括复位及应答时序、写一位时序、读一 位时序。 在复位及应答时序中，主器件发出复位信号后，要求从器件 在规定的时间内送回应答信号；在位读和位写时序中，主器件要在规 定的时间内读回或写出数据。 串行单总线原理与应用 串行单总线概述 数字化温度传感器DS18B20 DS18B20的温度采集程序 实践与思考 串行单总线概述 单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制 器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有 一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多 节点系统操作。 单总线的工作原理 单总线的时序 单总线器件 单总线的工作原理 单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成 。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线， 以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。 单总线通常要求外接一个约为4.7k的上拉电阻，这样，当总线闲置 时，其状态为高电平。主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成， 分别为初始化One-Wire器件、识别One-Wire器件和交换数据。由于 它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访 问One-Wire器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM 命令、功能命令。如果出现序列混乱，One-Wire器件将不响应主机（ 搜索ROM命令、报警搜索命令除外）。 单总线的时序 One-Wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种 信号类型。所有的单总线命令序列（初始化，ROM命令，功能命令） 都是由这些基本的信号类型组成的。在这些信号中，除了应答脉冲外， 其他均由主机发出同步信号，并且发送的所有命令和数据都是字节的低 位在前。 初始化时序 读、写时序 初始化时序 初始化时序图 读、写时序 写时序图 读、写时序 读时序图 单总线器件 通常把挂在单总线上的器件称为单总线器件，单总线器 件内一般都具有控制、收/发、存储等电路。为了区分不 同的单总线器件，厂家生产单总线器件时都要刻录一个 64位的二进制ROM代码，以标志其ID号。目前，单总线 器件主要有数字温度传感器（如DS18B20）、A/D转换 器（如DS2450）、门标、身份识别器（如DS1990A）、 单总线控制器（如DS1WM）等。 数字化温度传感器DS18B20 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。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。DS18B20测量温度范围为 55+125。在10+85范围内，精度为0.5。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。 DS18B20的主要特性 DS18B20的外形和内部结构 DS18B20工作原理 DS18B20的4个主要数据部件 高速暂存存储器 指令表 DS18B20的应用电路 DS18B20使用中注意事项 DS18B20的主要特性 （1）适应电压范围更宽，电压范围：35.5V，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DS18B20的双向通信。 （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）测温范围55+125，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时间内 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。 DS18B20的外形和内部结构 DS18B20内部结构主要由4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图所示。 DS18B20外形及引脚排列图 DS18B20引脚定义如下： （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）。 DS18B20工作原理 DS18B20测温原理框图如图所示： 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频率明显改变，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。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测温原理框图 DS18B20的4个主要数据部件 （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，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 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）。 （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 。DS18B20温度值格式表如表所示。 DS18B20的4个主要数据部件 （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E2PROM，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。配置寄存器的格式如表所示。 TMR1R011111 低5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，如右表所示（ DS18B20出厂时被设置为12位）。 R1R0分辨率 温度最大转 换时间 /ms 009位93.75 0110位187.5 1011位375 1112位750 温度分辨率设置表 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。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，再将数据部分转换为十进 制。第9个字节是冗余检验字节。 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 DS18B20暂存寄存器分布 高速暂存存储器 根据DS18B20的通信协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温 度转换必须经过3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500s，然后释放，当DS18B20收到信号后等待1660s左 右，后发出60240s的应答低脉冲，主CPU收到此信号表示复 位成功。 指令表 指 令 约定代 码 功 能 读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址） 符合 ROM55H 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 ，使之做出响 应，为下一步对该 DS1820 的读写做准备 搜索 ROM0F0H 用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件做好准备 跳过 ROM0CCH 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 ROM指令表 指令表 RAM指令表 指 令 约定代 码 功 能 温度变换44H 启动DS18B20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2、3、4字节写上、下限温度数据 和配置寄存器命令，紧跟该命令之后，是传送三字节 的数据 复制暂存器48H将RAM中第2 、3字节的内容复制到E2PROM中 重调 E2PROM 0B8H将E2PROM中内容恢复到RAM中的第2 、3字节 读供电方式0B4H 读DS18B20的供电模式。寄生供电时DS18B20发送“ 0 ”，外接电源供电 DS18B20发送“ 1 ” DS18B20的应用电路 1DS18B20寄生电源供电方式电路图 寄生电源方式特点： （1）进行远距离测温时，无须本地电源 。 （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。 （4）只适应于单一温度传感器测温情况 下使用，不适于采用电池供电系统中。 DS18B20寄生电源供电方式 DS18B20的应用电路 2DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图 DS18B20寄生电源强上拉供电方式 在强上拉供电方式下可以解决电流 供应不足的问题，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。 DS18B20的应用电路 3DS18B20的外部电源供电方式 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，如图所示。 外部供电方式的多点测温电路图 DS18B20使用中注意事项 （1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数 据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，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DS18B20操作部分最好采用汇编 语言实现。 （2）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可 以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。 （3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。在采用DS18B20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DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20 的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号， 程序进入死循环。 （5）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，另一对线接VCC和地 线，屏蔽层在源端单点接地。 DS18B20的温度采集程序 1采集程序功能 从DS18B20中读出温度数据，并舍去小数位，将整数部分转换成十进制数据存入 内存单元，并通过P1口驱动8位LED显示。 2子程序入口地址与变量定义 （1）子程序入口地址。 INIT_1820： DS18B20初始化程序 READ_1820： 读DS18B20的程序，从DS18B20中读出一个字节的数据 READ_18200： 读DS18B20的程序，从DS18B20中读出两个字节的温度数据 WRITE_1820： 写DS18B20的程序 TEMPER_COV： 将从DS18B20中读出的温度数据进行转换 BIN_BCD： 将十六进制的温度数据转换成压缩BCD码 DELAY： 延时子程序 GET_TEMPER： 从DS18B20读出温度数据 DS18B20的温度采集程序 （2）变量定义。 TEMPER_L