數字溫度傳感器DS18B20的原理與應用

1引言
        DS18B20是DALLAS公司生產的線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯到3根或2根線上，CPU只需根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。
2DS18B20的內部結構
        DS18B20內部結構如圖1所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2所示，DQ為數字信號輸入／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接地，見圖4）。
        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，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排的循環冗余校驗碼（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。ROM的作用是使每個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現根總線上掛接多個DS18B20的目的。

圖1DS18B20的內部結構

圖2DS18B20的管腳排列

（a）初始化時序

（b）寫時序

（c）讀時序
圖3DS18B20的工作時序圖

        DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。例如＋125℃的數字輸出為07D0H，＋25.0625℃的數字輸出為0191H，－25.0625℃的數字輸出為FF6FH，－55℃的數字輸出為FC90H。

溫度值低字節
MSBLSB

溫度值高字節
        高低溫報警觸發器TH和TL、配置寄存器均由個字節的EEPROM組成，使用個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：

MSBLSB

        R1、R0決定溫度轉換的精度位數：R1R0=“00”，9位精度，大轉換時間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，大轉換時間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，大轉換時間為375ms；R1R0=“11”，12位精度，大轉換時間為750ms；未編程時默認為12位精度。
　　高速暫存器是個9字節的存儲器。開始兩個字節包含被測溫度的數字量信息；第3、4、5字節分別是TH、TL、配置寄存器的臨時拷貝，每次上電復位時被刷新；第6、7、8字節未用，表現為全邏輯1；第9字節讀出的是前面所有8個字節的CRC碼，可用來保證通信正確。
3DS18B20的工作時序
　　DS18B20的線工作協議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，如圖3（a）（b）（c）所示。
4DS18B20與單片機的典型接口設計
    圖4以MCS－51系列單片機為例，畫出了DS18B20與微處理器的典型連接。圖4（a）中DS18B20采用寄生電源方式，其VDD和GND端均接地，圖4（b）中DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用3V～5.5V電源供電。
    假設單片機系統所用的晶振頻率為12MHz，根據DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫了3個子程序：INIT為初始化子程序，WRITE為寫（命令或數據）子程序，READ為讀數據子程序，所有的數據讀寫均由低位開始。
    DATEQUP1.0
    ……
    INIT:CLREA
    INI10:SETBDAT
    MOVR2,＃200

（a）寄生電源工作方式
（b）外接電源工作方式
圖4DS18B20與微處理器的典型連接圖

INI11:CLRDAT
DJNZR2,INI11；主機發復位脈沖持續3μs×200=600μs
SETBDAT；主機釋放總線，口線改為輸入
MOVR2,＃30
IN12:DJNZR2,INI12；DS18B20等待2μs×30=60μs
CLRC
ORLC,DAT；DS18B20數據線變低（存在脈沖）嗎？
JCINI10；DS18B20未準備好，重新初始化
MOVR6,＃80
INI13:ORLC,DAT
JCINI14；DS18B20數據線變高，初始化成功
DJNZR6,INI13；數據線低電平可持續3μs×80=240μs
SJMPINI10；初始化失敗，重來
INI14:MOVR2,＃240
IN15:DJNZR2,INI15；DS18B20應答少2μs×240=480μs
RET
；------------------------
WRITE:CLREA
MOVR3,＃8；循環8次，寫個字節
WR11:SETBDAT
MOVR4,＃8
RRCA；寫入位從A中移到CY
CLRDAT
WR12:DJNZR4,WR12
；等待16μs
MOVDAT,C；命令字按位依次送給DS18B20
MOVR4,＃20
WR13:DJNZR4,WR13
；保證寫過程持續60μs
DJNZR3,WR11
；未送完個字節繼續
SETBDAT
RET
；------------------------
READ:CLREA
MOVR6,＃8；循環8次，讀個字節
RD11:CLRDAT
MOVR4,＃4
NOP；低電平持續2μs
SETBDAT；口線設為輸入
RD12:DJNZR4,RD12
；等待8μs
MOVC,DAT
；主機按位依次讀入DS18B20的數據
RRCA；讀取的數據移入A
MOVR5,＃30
RD13:DJNZR5,RD13
；保證讀過程持續60μs
DJNZR6,RD11
；讀完個字節的數據，存入A中
SETBDAT
RET
；------------------------
        主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。必須先啟動DS18B20開始轉換，再讀出溫度轉換值。假設線僅掛接個芯片，使用默認的12位轉換精度，外接供電電源，可寫出完成次轉換并讀取溫度值子程序GETWD。
    GETWD:LCALLINIT
    MOVA,＃0CCH
    LCALLWRITE；發跳過ROM命令
    MOVA,＃44H
    LCALLWRITE；發啟動轉換命令
    LCALLINIT
    MOVA,＃0CCH；發跳過ROM命令
    LCALLWRITE
    MOVA,＃0BEH；發讀存儲器命令
    LCALLWRITE
    LCALLREAD
    MOVWDLSB,A
    ；溫度值低位字節送WDLSB
    LCALLREAD
    MOVWDMSB,A
    ；溫度值高位字節送WDMSB
    RET
    ……
        子程序GETWD讀取的溫度值高位字節送WDMSB單元，低位字節送WDLSB單元，再按照溫度值字節的表示格式及其符號位，經過簡單的變換即可得到實際溫度值。
        如果線上掛接多個DS18B20、采用寄生電源連接方式、需要進行轉換精度配置、高低限報警等，則子程序GETWD的編寫就要復雜些，限于篇幅，這部分不再詳述，請參閱相關內容。
        我們已成功地將DS18B20應用于所開發的“用采暖洗浴器”控制系統中，其轉換速度快，轉換精度高，與微處理器的接口簡單，給硬件設計工作帶來了大的方便，能有效地降低成本，縮短開發周期。