【文章內(nèi)容簡介】 限定溫度（溫度報警條件）的器件 ● 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 ●負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作 以上特點使 DS1820 非常適用與多點、遠距離溫度檢測系統(tǒng)。 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)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS1820 的管腳排列、各種封裝形式如圖 所示， DQ 為 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開漏單總線 接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源 ；GND 為 地信號 ； VDD為 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 其電路圖 所示 .。 圖 圖 外部封裝形式 DS1820 使用中的注意事項 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，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： ● DS1820 從測溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 需要一定的轉(zhuǎn)換時間，這是必須保證的，不然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示 85。 ●在實際使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在 5V 左右，若電源電壓過低，會使所測得的溫度精度降低。 12 ● 較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820 進行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M、 C 等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 ●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 DS1820，在實際應(yīng)用中并非如此，當(dāng)單總線上所掛 DS1820 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。 ●在 DS1820 測溫程序設(shè)計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS18B20的返回信號，一旦某個 DS1820 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS1820 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)，這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。 DS1820 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖為 DS1820 的內(nèi)部框圖，它主要包括 寄生電源 、 溫度傳感器 、 64位激光 ROM 單線接口 、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器 （內(nèi)含便箋式 RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的 TH 和TL 觸發(fā)器存儲與控制邏輯、 8 位循環(huán)冗余校驗碼（ CRC）發(fā)生器等七部分。 DS18B20 采用３腳 PR－ 35 封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 DS1820 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 64 b 閃速 ROM的結(jié)構(gòu)如下： 開始８位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟 一的序號，共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 檢驗碼，這也是多個 DS1820 可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸I/O 64 位 ROM 和 單 線 接 口 存儲區(qū) 存儲器與控制邏輯 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 TH 低溫觸發(fā)器 TL 8 位 CRC 發(fā)生器 13 發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過軟件寫入戶報警上下限。 主機操作 ROM 的命令有五種，如下： DS1820 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個 便箋式 RAM 和一個非易失性的可電擦除的EERAM。 便箋式 RAM 的結(jié)構(gòu)為８字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 便箋式 RAM 結(jié)構(gòu)圖 前２個字節(jié)包含測得的溫度信息，第３和第４字節(jié)ＴＨ 和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。 便箋式 RAM 的第 5字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯１。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。 。 DS1820 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。 該字節(jié)各位的定義如下： 當(dāng) DS1820 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在 便箋式 RAM 的第 1， 2字節(jié)。單片 機 可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 5 ℃ /LSB 形式表示。 溫度值格式如下：指 令 說 明 讀 ROM（ 33H） 讀 DS1820的序列號 匹配 ROM（ 55H） 繼讀完 64位序列號的一個命令，用于多個 DS1820時定位 跳過 ROM（ CCH） 此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有 DS1820 搜 ROM（ F0H） 識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準(zhǔn)備 報警搜索（ ECH） 僅溫度越限的器件對此命令作出響應(yīng) TM R1 R0 1 1 1 1 1 14 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 DS1820的兩個 8比特的 RAM 中，二進制中的前面 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 即可得到實際溫度；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 即可得到實際溫度 。 圖中， S 表示 位。 對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位 S=0 時， 表示測得的溫度植為正值， 直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng) S=1 時， 表示測得的溫度植為負(fù)值， 先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。 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。 DS1820 溫度傳感器主要用于對溫度進行測量，數(shù)據(jù)可用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，并以 ℃ ／ LSB 形式表示 。 表 1是 部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度表示數(shù)據(jù)。 表 1 部分溫度 值 DS1820 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TL 字節(jié)內(nèi)容 作比較，若 TTH或 TTL,則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只 DS1820 同時測量溫度并進行告警搜索。 在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（ CRC）。主機根據(jù) ROM 的前 56 位來計算 CRC 值，并和存入 DS1820中的 CRC值做比較，以判斷主機收到的 ROM 數(shù) 據(jù)是否正確。 15 DS1820 測溫原理 DS1820 的測溫原理如圖 ，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩 頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS1820 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量 .計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55 ℃ 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 55 ℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。 減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0時溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入 ,減法計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù) ,如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2計數(shù)到 0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖 2 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就 是 DS1820的測溫原理。 另外，由于 DS1820單線通信功能是分時完成的，他有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時 序很重要。系統(tǒng)對 DS1820 的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化 DS1820 （發(fā)復(fù)位脈沖） → 發(fā) ROM 功能命令 → 發(fā)存儲器操作命令 → 處理數(shù)據(jù)。 圖 DS1820 測溫原理圖 提高 DS1820 測溫精度的途徑 16 （ 1） 、 DS1820 高精度測溫的理論依據(jù) DS1820 正常使用時的測溫分辨率為 ℃ ，這對于水輪發(fā)電機組軸瓦溫度監(jiān)測來講略顯不足，在對 DS1820 測溫原理詳細分析的基礎(chǔ)上，我們采取直接讀取 DS1820 內(nèi)部暫存寄存器的方法，將 DS1820 的測溫分辨率提高到 ℃ ～ ℃ ． DS1820 內(nèi)部暫存寄存器的分布如表 1所示，其中第 7 字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時計數(shù)器 1 的計數(shù)剩余值，第 8 字節(jié)存放的是每度所對應(yīng)的計數(shù)值，這樣，我們就可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果。首先用 DS1820 提供的讀暫存寄存器指令 (BEH)讀出以 ℃ 為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位 (LSB)，得到所測實際溫度整數(shù)部分 T 整數(shù)，然后再用 BEH 指令讀取計數(shù)器 1的計數(shù)剩余值 M 剩余和每度計數(shù)值 M 每度，考慮到 DS1820 測量溫度的整數(shù)部分以 ℃ 、 ℃ 為進位界限的關(guān)系，實際溫度 T 實際 可用下式計算得到： T 實際 =(T整數(shù)－ ℃ )+(M 每度－ M剩余 )/M 每度 。 根據(jù) DS1820 的通訊協(xié)議，主機控制 DS1820 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前 都要對 DS18B0 進行復(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 DS1B20 進行預(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， DS1B20 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。 （ 2） 、 測量數(shù)據(jù)比較 表 2 為 采用直接讀取測溫結(jié)果方法和采用計算方法得到的測溫數(shù)據(jù)比較，通過比較可以看出，計算方法在 DS1820 測溫中不僅是可行的，也可以大大的提高 DS1820 的測溫分辨率。 表 2 DS1820 直度測溫結(jié)果與計算測溫結(jié)果數(shù)據(jù)比較 顯示及報警模塊器件選擇 17 在本設(shè)計中溫度測量范圍為 0℃～＋ 125℃，精度為177。 ℃，因此只需要 數(shù)碼管 就可以完成相關(guān)的顯示功能，報警器可以用 蜂鳴器配合三極管來代替。 5 硬件設(shè)計電路 溫度計電路設(shè)計 總框圖 如圖 所示 ,控制器使用單片機 AT89C2051,溫度計傳感器使用DS1820,用 LED 數(shù)碼管 實現(xiàn)溫度顯示。 本溫度計大體分三個工作過程。首先，由 DS1820 溫度傳感器芯片測量當(dāng)前的溫度，并將結(jié)果送入單片機。然后，通過 89C205I 單片機芯片對送來的測量溫度讀數(shù)進行計算和轉(zhuǎn)換，經(jīng)顯示電路 顯示于 LED 數(shù)碼管上 本電路主要由 DSl820 溫度傳感器芯片、 LED 顯示電路 和AT89C2051 單片機芯片組成。其中， DSI820 溫度傳感器芯片采用 “ 一線制 ” 與單片機相連，它獨立地完成溫度測量以及將溫度測量結(jié)果送到單片機的工作。 、 主控制器 單片機 AT89C2051 具有低電壓供電和小體積等特點，兩個端口剛好滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很合適攜手特式產(chǎn)品的使用。 主機控制 DS1820 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 DS1820 開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。 、顯示電路 常用的 LED 顯示驅(qū)動電路有并行譯碼方式、串行 — 并行轉(zhuǎn)換方式、顯示驅(qū)動接口芯片方式等 . 并行譯碼顯示方式 右圖為單片機 AT89C2051 輸出顯示的一個例子， 4位 BCD碼數(shù)據(jù)從其 ～ 并行輸出，經(jīng) 7 段 LED 顯示驅(qū)動電路 CD4511譯碼后驅(qū)動 LED 顯示，這樣只需向 ～ 寫入欲顯示數(shù)字的BCD 碼，即可顯示出相應(yīng)的數(shù)字。這種方式雖然簡單，但占用單片機口線較多，資源利用率低，因此不常采用。 傳感器 A/D轉(zhuǎn)換器 顯示器 控制器 18 串行譯碼顯示方 式 右圖所示為 AT89C2051 的串口驅(qū)動數(shù)碼管的電路，其中串口工作在方式 0， 74LS164 是 8位串入并出移位寄存器，負(fù)責(zé)將 RXD 輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行