温度传感器DS18B20

1、实物图

温度传感器DS18B20 1 - 斯塔克电子

2、原理图

温度传感器DS18B20 2 - 斯塔克电子

VCC:外接供电电源输入端。

DQ: 数字信号输入/输出端。

GND:电源地线

为什么接上拉电阻:

因为DS18B20的数据口是漏极开路,如果不接上拉电阻,则只能输出低电平和高阻态,不能输出高电平,因此需要外接上拉电阻,否则无法输出1。DS18B20的工作电流约为1mA,VCC一般为5V,则电阻R=5V/1mA=5KΩ。一般3.3k~10k都可以。

3、简介

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的单总线器件,独特的单总线通信协议,简化了分布式温度传感应用,无需外部元件,可用数据总线供电,电压范围为3 ~5.5 V,无需备用电源,测量温度范围为-55℃~+125℃。在-10℃至+85℃范围内精度为±0.5℃。应用领域包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。

4、测温原理

温度传感器DS18B20 3 - 斯塔克电子

DS18B20的内部测温电路框图如上图所示,图中低温度系数振荡器的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器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,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。

5、内部结构

温度传感器DS18B20 4 - 斯塔克电子

DS18B20内部结构如上图所示,主要由4部分组成:64位ROM、温度灵敏元件、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。由上图可见,DS18B20只有一个数据输入输出口,属于单总线专用芯片之一。DS18B20工作时被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰能力。其内部采用在线温度测量技术,测量范围为-55~125℃,在-10~85℃时,精度为±0.5℃。每个DS18B20在出厂时都已具有唯一的64位序列号,因此一条总线上可以同时挂接多个DS18B20,而不会出现混乱现象。另外用户还可自设定非易失性温度报警上下限值TH和TL(掉电后依然保存)。DS18B20在完成温度变换后,所测温度值将自动与存储在TH和TL内的触发值相比较,如果测温结果高于TH或低于TL, DS18B20内部的报警标志就会被置位,表示温度值超出了测量范围,同时还有报警搜索命令识别出温度超限的DS18B20。

6、温度读取与计算

DS18B20采用16位补码的形式来存储温度数据,温度是摄氏度。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。

高字节的五个S为符号位,温度为正值时S=0,温度为负值时S=1,剩下的11位为温度数据位,对于12位分辨率,所有位全部有效,对于11位分辨率,位0(bit0)无定义,对于10位分辨率,位0和位1无定义,对于9位分辨率,位0,位1,和位2无定义

温度传感器DS18B20 5 - 斯塔克电子

对应的温度计算:

当五个符号位S=0时,温度为正值,直接将后面的11位二进制转换为十进制,再乘以0.0625(12位分辨率),就可以得到温度值;当五个符号位S=1时,温度为负值,先将后面的11位二进制补码变为原码(符号位不变,数值位取反后加1),再计算十进制值。再乘以0.0625(12位分辨率),就可以得到温度值;

例如:

+125℃的数字输出07D0(00000111 11010000)

转换成10进制是2000,对应摄氏度:0.0625×2000=125℃

-55℃的数字输出为 FC90。

首先取反,然后+1,转换成原码为:11111011 01101111

数值位转换成10进制是870,对应摄氏度:-0.0625×870=-55℃

7、工作步骤

DS18B20的工作步骤可以分为三步:

  • 初始化DS18B20
  • 执行ROM指令
  • 执行DS18B20功能指令

其中第二步执行ROM指令,也就是访问每个DS18B20,搜索64位序列号,读取匹配的序列号值,然后匹配对应的DS18B20,如果我们仅仅使用单个DS18B20,可以直接跳过ROM指令。而跳过ROM指令的字节是0xCC。

①初始化DS18B20

任何器件想要使用,首先就是需要初始化,对于DS18B20单总线设备,首先初始化单总线为高电平,然后总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20,总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲,如果不存在的话,也就不会返回脉冲,即总线保持为高电平。

初始化具体时序步骤如下:

单片机拉低总线至少480us,产生复位脉冲,然后释放总线(拉高电平)。

这时DS8B20检测到请求之后,会拉低信号,大约60~240us表示应答。

DS8B20拉低电平的60~240us之间,单片机读取总线的电平,如果是低电平,那么表示初始化成功

DS18B20拉低电平60~240us之后,会释放总线。

温度传感器DS18B20 6 - 斯塔克电子

代码如下:

void Ds18b20_Init(void)

{

   bit q;

   DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高

   Ds18b20_Delay(10);

   DS18B20_DQ = 0;               //给复位脉冲

   Ds18b20_Delay(80);

   DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高,等待

   Ds18b20_Delay(10);

   q = DS18B20_DQ;              //读取ds18b20初始化信号

   Ds18b20_Delay(20);

   DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高,释放总线

}

②写时序

总线控制器通过控制单总线高低电平持续时间从而把逻辑1或0写进DS18B20中,每次只传输1位数据。

单片机想要给DS18B20写入一个0时,需要将单片机引脚拉低,保持低电平时间要在60~120us之间,然后释放总线。

单片机想要给DS18B20写入一个1时,需要将单片机引脚拉低,拉低时间需要大于1us,然后在15us内拉高总线。

在写时序起始后15μs到60μs期间,DS18B20处于采样单总线电平状态。如果在此期间总线为高电平,则向DS18B20写入1;如果总线为低电平,则向DSl8B20写入0。

注意:2次写周期之间至少间隔1us

温度传感器DS18B20 7 - 斯塔克电子

代码如下:

void Ds18b20_Write(uchar dat)

{

   uchar i;

   for(i=0; i

   {

      DS18B20_DQ = 0;               //把总线拉低,写数据开始

      DS18B20_DQ = dat&0x01;        //写一位数据

      Ds18b20_Delay(5);

      DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高,释放总线

      dat >>= 1;                   //数据右移一位

   }

}

写入的功能命令:

ROM指令:

采用多个DS18B20时,需要写ROM指令来控制总线上的某个DS18B20
如果是单个DS18B20,直接写跳过ROM指令0xCC即可

温度传感器DS18B20 8 - 斯塔克电子

RAM指令,DS18B20的一些功能指令

常用的是:

温度转换 0x44

开启温度读取转换,读取好的温度会存储在高速暂存器的第0个和第一个字节中

读取温度 0xBE
读取高速暂存器存储的数据

温度传感器DS18B20 9 - 斯塔克电子

③读时序

读时隙由主机拉低总线电平至少1μs然后再释放总线,读取DS18B20发送过来的1或者0

DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后,便开始送出数据,若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。

温度传感器DS18B20 10 - 斯塔克电子

注意:所有读时隙必须至少需要60us,且在两次独立的时隙之间至少需要1us的恢复时间

同时注意:主机只有在发送读暂存器命令(0xBE)或读电源类型命令(0xB4)后,立即生成读时隙指令,DS18B20才能向主机传送数据。 也就是先发读取指令,再发送读时隙。

最后一点:写时序注意是先写命令的低字节,比如写入跳过ROM指令0xCC(11001100),写的顺序是“0、0、1、1、0、0、1、1”,

读时序时是先读低字节,在读高字节,也就是先读取高速暂存器的第0个字节(温度的低8位),再读取高速暂存器的第1个字节(温度的高8位) 我们正常使用DS18B20读取温度读取两个温度字节即可。

代码如下:

uchar Ds18b20_Read(void)

{

   uchar i,value;

   for(i=0; i

   {

      DS18B20_DQ = 0;               //把总线拉低,读数据开始

      value >>= 1;                 //数据右移一位

      DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高,释放总线

      if(DS18B20_DQ == 1)           //开始读数据

       value |= 0x80;             //保存数据

      Ds18b20_Delay(5);

   }

   return value;                  //返回数据

}

8、流程设计

首先初始化引脚,然后初始化DS18B20,接着写指令“0xcc”即跳过64位ROM,写指令“0x44” 即启动一次温度转换命令,延时一段时间后,再初始化DS18B20,接着写指令“0xcc”即跳过64位ROM,写指令“0xbe” 即发出读取暂存器命令,开始读取温度低字节和高字节,整合数据,最后通过计算公式计算出温度值。

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