【文章內(nèi)容簡介】 控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較Dsl82O 都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。 DS18B20的性能特點 (1)采用 DALLAS公司獨特的單線接口方式 :DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DSI8B20的雙向通訊 [9]。 (2)在使用中不需要任何外圍元件。 (3)可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍 :++。 (4)測溫范圍 :55 +l25 ℃ 。固有測溫分辨率為 ℃ 。當(dāng)在 10℃ +85℃ 范圍內(nèi)，可確保測量誤差不超過 ℃ ，在 55 +125℃ 范圍內(nèi)，測量誤差也不超過 2℃ 。 (5)通過編程可實現(xiàn) 912位的數(shù)字讀數(shù)方式。 (6)用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。 (7)支持多點組網(wǎng)功能，多個 DSI8B20可以并聯(lián) 在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。 (8)負(fù)壓特性，即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時，能保護(hù) DS18B20不會因發(fā)熱而燒毀。但此時芯片無法正常工作。 (9)DS18BZO的轉(zhuǎn)換速率比較高，進(jìn)行 9位的溫度轉(zhuǎn)換僅需 。 (10)適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)。 (11)內(nèi)含 64位激光修正的只讀存儲 ROM，扣除 8位產(chǎn)品系列號和 8位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)之后，產(chǎn)品序號占 48位。出廠前產(chǎn)品序號存入其 ROM中。在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時，允許在單線總線上掛接多片 DS18B20。 Ds18B20的管 腳排列 DS18BZO采用 3腳 PR35封裝或 8腳 SOIC封裝。其管腳排列如圖 23所示 9 圖 23 DS18B20 的管腳排列 Figure3 The tube feet. DS18B20 I/O 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 (即單線總線 )，它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。 UDD是可供選用的外部電源端，不用時接地， GND為地， NC空腳。 DS18B2O的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 24所示。它主要包括 7部分 : 寄生電源 。 溫度傳感器 。 64位激光 (loser)ROM與單線接口 。 高速 暫存器，即便筏式 RAM，用于存放中間數(shù)據(jù) : TH觸發(fā)寄存器和 TL觸發(fā)寄存器，分別用來存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值 。 存儲和控制邏輯 8位循環(huán)冗余校驗碼 (CRC)發(fā)生器 。 圖 24 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 Figure4 The internal structure of DS18B20 block diagram (1)64位閃速 ROM的結(jié)構(gòu)如下： 10 圖 25 64位閃速 ROM的結(jié)構(gòu) Figure5 64 bit flash ROM structure 高 8位是 CRC位是產(chǎn)品類型的 編號，的原因。 校驗碼，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48位，低 8前 56位的這也是多個 DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信 (2)非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限。 (3)高速暫存存儲器 DS18B2O 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的護(hù) RAM。后者用于存儲 TH， TL值。數(shù)據(jù)先寫入 RAM，經(jīng)校驗后再傳給 EZRAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第 5個字節(jié)，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率， DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下： 表 21 配置 寄存器內(nèi)部字節(jié) Table1 Configuration register internal bytes TM R1 R0 1 1 1 1 1 低 5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 DS18BZO出廠時該位被設(shè)置為 O，用戶不要去改動， R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即用來設(shè)置分辨率，如表 22所示 (DS18BZO出廠時被設(shè)置為 12位 )。 表 22 R1和 R0模式表 Table2 R1 with R0 mode R1 R2 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間 /mm 0 0 9位 0 1 10 位 1 0 11 位 1 1 12 位 由表 22可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間兩者中權(quán)衡考慮。高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他 8個字節(jié)組成，其分配如下所示。 表 23 高速暫存其它字節(jié) Table3 Highspeed temporary other bytes 溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 8位 CRC 其中第 2字節(jié)是溫度信息，第 4字節(jié)是 TH和 TL值，第 6~8字節(jié)未用，表 11 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。 當(dāng) DS18B20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(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 1， 2 字節(jié)。單片機(jī)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。 以 12位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計算 :12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 DS1SBZO 的兩個高低 8位的 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，即符號位 S 二 O，這時只要直接將測到的數(shù)值二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，再乘以 。如果 溫度小于 0，這 5 位為 1，即符號位 S 習(xí)，這時先將補(bǔ)碼變換為原碼，也就是測到的數(shù)值需要取反加 1再計算十進(jìn)制值，最后乘以 。 表 210是對應(yīng)的一部分溫度值。 DSI8B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值 T 與 TH、 TL作比較，若 TTH或TTL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志位置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令做 出響應(yīng)。因此，可用多只 DS18B20同時測量溫度并進(jìn)行告警搜索。 (4)CRC的產(chǎn)生在 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(jī)根 Dsl8B20的控制方法 在硬件上， DS18B20 與單片機(jī)的連接有兩種方法。一種是將 DS18B20 的 UDD 接外部電源， GND 接地，其 1/0 與單片機(jī)的工 /0 線相連 。另一種是用寄生電源供電，此時DSISBZO 的 UDD、 GND 接地，其 I/0 接單片機(jī) 1/0。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電， DS18B20 的工 /0 口線要接 5K見左右的上拉電阻。 DS18BZO 有六條控制命令，如圖 211 所示 : CPU對 DS18B20的訪問流程是 :先對 DS18B20初始化，再進(jìn)行 ROM操作命令，最后才能對存儲器操作和對數(shù)據(jù)操作。 DS1SBZO 每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議。例如主機(jī)控制 DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù) DS18B20的通訊協(xié)議，必須經(jīng)歷三個步驟 :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。 Ds18B20的測溫原理 DS18B20的測溫 原理如圖 26所示。 12 圖 26 DS18B20的內(nèi)部測溫電路原理框圖 Figure6 DS18B20 internal temperature measurement circuit principle diagram 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)晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明顯改變，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， DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，進(jìn) 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(jìn)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(jìn)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)值即為所測溫度。圖 27中的斜率累加器用于補(bǔ)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(dá)到被測溫度值，這就是 DS1SBZO的測溫原理。 Dsl8B20的時序 由于 DS18B20采用的是 1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，單線通信功能是分時完成的，有嚴(yán)格的時序概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為 :初始化 DS18B20(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)。各種操作的時序圖與 Ds1820相同 [川，Dsl8B20的復(fù)位時序圖如圖 27所示 。 13 圖 27 DS18B20的復(fù)位時序圖 Figure7 The graph reset DS18B20 DS18B20的讀時序圖如圖 28所示。 DS18B20的讀時序分為讀 0時序和讀 l 時序兩個過程。 DS18B20的讀時序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18BZ 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18BZO在完成一個讀時序過程，至少需要 60us 才能完成。 圖 28 DS18B20的讀時序圖 Figure8 Read the timing diagram of DS18B20 DS18B20的寫時序圖如圖 29所示。 DS18B20的寫時序仍然分為寫 0時序和寫 1時序兩個過程，但對寫 0時序和寫 1時序的要求不同，當(dāng)要寫 0時序時，單總線要被拉低至少 6Ous，保證 DS18B20能夠在 1sus 到45us 之 [b]能夠正確地采樣 10總線上的 “0”電平，當(dāng)要寫 1時序時，單總線被拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線。 圖 29 DS18B20的寫時序圖 Figure9 The timing diagram. Write DS18B20 所 有時序都是將主機(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 14 都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，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)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 DSI8B20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 : (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 DS1SBZo與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS18B20 進(jìn)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 PUM、 C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS18BZO操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 (2)在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18BZO 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS18BZO，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS18B20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(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。 (3)連接 DS18B20 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 5Om 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電 纜時，正常通訊距離可達(dá) 15Om，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，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 DS1SBZO進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。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 VDD 和地線，屏蔽層在源端單點接地。 (4)在 DS1SB20 測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20 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 DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。 TDR 水份 及電導(dǎo)率 傳感器 TDR原理 TDR 測量土壤含水量依賴于 TDR 對土壤介電常數(shù) E的測量 (Toppetal,1980) [10] , 電磁波通過介電常數(shù)為 E的介質(zhì)時符合下列關(guān)系 : c 為電磁波在真空中的傳播速度 (3 108ms1) 。 t 為傳播時間 (s) 。 l 為波導(dǎo)頭 (探頭 )的長度 (m )。 假定土壤介