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1、传感器原理及工程应用DS18B20是美国DALLAS公司的新一代单总线数字温度传感器，其单总线是将地址线、数据线、控制线合三为一根信号线，实现了一信号线上进行双向数据传输，最大限度使通讯线数量减到最少，使系统构成更趋于简单化。该系统是以PC机为上位主机，以单片机为核心的数据采集为下位机，单片机只需一根端口线就能与多个DS18B20串接和通讯，单片机通过串行口跟PC机连在一起，构成三位一体的主从分布式控制系统。该系统具有温度检测、显示、打印和故障自检等多种功能。一、1DS18B20简介（1）独特的单线接口方式：DS18B20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的双向通讯
2、。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0?+5.5 V。（4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。（5）通过编程可实现912位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2DS18B20的内部结构 DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图1所示。 (1) 64 b闪速ROM的结构如下： 开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有
3、48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。(2) 非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。(3) 高速暂存存储器 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E?2RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E?2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下： 低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模
4、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决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。? 由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第68字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。? 当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符
5、号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2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，数据格式以0?062 5 /LSB形式表示。温度值格式如下：? 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，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。? DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若TTH或T (4) CRC的产生在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正
6、确。?二、DS18B20测温原理DS18B20的测温原理如图3-2-2-6所示，图中低温度系数晶振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，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，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 钟脉冲后进行计数，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对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数
7、，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晶振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2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。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复
8、位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同。低温度系数振荡器高温度系数振荡器斜率累加器计数器1预置计数器20温度寄存器预置比较0加1停止设置/清理LSB图1 DS18B20测温原理框图三、DS18B20的应用电路 DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。下面就是DS18B20几个不同应用方式下的测温电路图：（1）、DS18B20寄生电源供电方式电路图 如下面图4所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能
9、工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处： 1）进行远距离测温时，无需本地电源 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 要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。 因此，图4电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降
10、时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。注：在实验中，降低电源电压VCC，当低于4.5V时，测出的温度值比实际的温度高，误差较大。当电源电压降为4V时，温度误差有3之多，这就应该是因为寄生电源汲取能量不够造成的吧，因此，站长建议大家在开发测温系统时不要使用此电路。（2）、DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图 改进的寄生电源供电方式如下面图5所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10S内把I/
11、O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，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。注意：在图4和图5寄生电源供电方式中，DS18B20的VDD引脚必须接地（3）、DS18B20的外部电源供电方式 在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。 图7：外部供电方式的多点测温电路图外部电源供
12、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。站长推荐大家在开发中使用外部电源供电方式，毕竟比寄生电源方式只多接一根VCC引线。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。四、DS1820使用中注意事项 DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： 1) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编
13、程时，必须严格的保证读写时序，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DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。 2) 在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 3) 连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合
14、次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820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DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。 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，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。五、关于DS18B20数字温度传感器的购买 电话： 移动电话： 传真： 地址： 邮编： 公司网站： 网上购买地址：
