【文章內(nèi)容簡介】 多總線式發(fā)展 [10]。數(shù)字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器的 I/O接口相連接，組成自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)克服了模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號調(diào)理電路和 A/D轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有 DS18B20等。電子設(shè)計(jì)中常用的幾 種溫度傳感器的性能、價(jià)格等的對比，如表 21所示： 表 31傳感器對比表 傳感器 AD590 PT100 DS18B20 產(chǎn)地 美國 德國 美國 量程 50℃ ~+150℃ 200℃ ~+450℃ 55℃ ~+125 精度 177。 ℃ 177。 ℃ 177。 ℃ 供電電壓 +4V~+30V +13V~+36V +~+ 輸出信號類型 模擬信號 模擬信號 數(shù)字信號 PT100與 AD590都不能與單片機(jī)的 I/O口直接相連，需要設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路。而 DS18B20是數(shù)字 溫度傳感器，并且采用單總線技術(shù)，使該傳感器不但可以直接與單片機(jī) I/O口相連，并且只需要一個(gè) I/O就可以連接多個(gè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量與控制。所以使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20不但可以節(jié)約單片機(jī) I/O口，還能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低。 DS18B20 芯片簡介 DALLAS半導(dǎo)體公司最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的 “一線器件 ”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820是世界上第一片支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感 器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 DS18B DS1822 “一線總線 ”數(shù)字化溫度傳感器同DS1820一樣， DS18B20也支持“一線總線 ”接口，測量溫度范圍為 55176。C__+125176。C ，10__+85176。C范圍內(nèi) ,精度為177。176。 C。 DS1822的精度較差為177。 2176。C。現(xiàn)場溫度直接以 “一線總線 ”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的 產(chǎn)品支持 3V~~，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。 DS18B DS1822的特性 :DS18B20可以程序設(shè)定 9~12位的分辨率，精度為177。 176。 C?？蛇x更小的方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲在 EEPROM中，掉電依然保存。 DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！ DS182 DS18B20軟件兼容好。省略了存儲用戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的 EEPROM，精度降低為177。 2176。 C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的 應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。繼 “一線總線 ”的早期產(chǎn)品后， DS1820開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。 DS18B20和 DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL、配置寄存器。 DS18B20的管腳排列如下 : 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(shí)接地）。光刻 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。 64位光刻 ROM的排列是：開始 8位（ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的 48位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM的作用是使每一個(gè) DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20的目的。 DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12位轉(zhuǎn)化為例 :用 16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB形式表達(dá)，其中 S為符號位，見表 21。 表 21 DS18B20內(nèi)部溫度表示形式 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 Bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 Bit0 LS Byte S S S S S 26 25 24 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20的兩個(gè) 8比特的 RAM中，二進(jìn)制中的前面 5位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 ；如果 溫度小于 0，這 5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 。 例如 +125℃的數(shù)字輸出為 07D0H， +℃的數(shù)字輸出為 0191H，℃的數(shù)字輸出為 FF6FH， 55℃的數(shù)字輸出為 FC90H。見表 22 表 22DS18B20轉(zhuǎn)化溫度形式 實(shí)際溫度值 數(shù)字輸出（二進(jìn)制） 數(shù)字輸出（十六進(jìn)制） +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H +℃ 0000 0001 1001 0001 0191H +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2H +℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6EH 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H 溫度傳感器的儲存器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存 RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的 E2PPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 T和結(jié)構(gòu)寄存器。暫存存儲器包含了 8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是 TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，見表 23。 表 23 DS18B20暫存存儲器的 8個(gè)連續(xù)字節(jié) 寄存器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度最低數(shù)字位 0 溫度最高數(shù)字位 1 高溫限值 2 低溫限值 3 保留 4 保留 5 計(jì)數(shù)剩余值 6 每度計(jì)數(shù)值 7 CTR校驗(yàn) 8 該字節(jié)各位的意義如下： TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1 ， TM是測試模式位，用于設(shè)置 DS18B20在工作模式還是在測試模式。在 DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)。 R1和 R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（ DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為 12位） ,見表 24 表 24分辨率設(shè)置 表 R1 R2 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms 根據(jù) DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制 DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM指令，最后發(fā)送 RAM指令，這樣才能對 DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主 CPU將數(shù)據(jù)線下拉 500微秒，然后釋放， DS18B20收到信號后等待 16～ 60微秒左右，后發(fā)出 60～ 240微秒的 存在低脈沖，主 CPU收到此信號表示復(fù)位成功。 DS1820使用中注意事項(xiàng) DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： (1)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M、 C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序計(jì)時(shí)，對 DS1820操作部分最好采用匯編語實(shí)現(xiàn)。 (2)在 DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS1820，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS1820超過 8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。 (3)連接 DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 (4)在 DS1820測溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個(gè) DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS1820時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。測溫電纜線建議采用屏蔽 4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。 DS18B20 內(nèi)部邏輯圖 DS18B20內(nèi)部內(nèi) 部邏輯圖 DS18B20 測溫流程 測溫原理內(nèi)部裝置 DS18B20 溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路 DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí) DS18B20的 1腳接地， 2腳作為信號線， 3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖 4 所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20時(shí)鐘 周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè) MOSFET管來完成對總線的上拉。 當(dāng) DS18B20處于寫存儲器操作和溫度 A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為 10us。采用寄生電源供電方式時(shí) VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。由于 DS18B20是在一根 I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。 DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)預(yù) 置 低溫度系數(shù) 振 蕩 器 高溫度系數(shù)振 蕩 器 減法計(jì)數(shù)器 減到 0 減法計(jì)數(shù)器 斜坡累加器 減到 0 溫度寄存器 預(yù) 置 計(jì)數(shù)比較器 初始化 DS18B20 跳過 ROM 匹配 溫度變換 讀暫存器 轉(zhuǎn)換成顯示碼 數(shù)碼管顯示 延時(shí) 1S 跳過 ROM 匹配 議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè) 備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 對于 DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 DS18B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過程，至少需要 60us才能完成。 對于 DS18B20寫 0時(shí)序和寫 1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫 0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少 60us，保證 DS18B20能夠在 15us到 45us之間能夠正確地采樣 IO總線上的“0”電平，當(dāng)要寫 1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在 15us之內(nèi)就得釋放單總線。 溫度檢測和報(bào)警主機(jī)硬件電路設(shè)計(jì) 溫度的檢測主要依據(jù) DS18B20 來采集， DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí) DS18B20 的 1 腳接地， 2 腳作為信號線，3 腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖 所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20 時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè) MOSFET 管來完成對總線的上拉。本設(shè)計(jì)采用電源供電方式， 口 接單線總線為保證在有效的 DS18B20 時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè) MOSFET 管和 89S51 的 來完成對總線的上拉。當(dāng) DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度 A/D 變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為 10 μs。采用寄生電源供電方式是 VDD 和 GND 端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三狀態(tài)的。主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過 3 個(gè)步驟：