数字化温度传感器

串行单总线原理与应用•串行单总线概述•数字化温度传感器DS18B20•DS18B20的温度采集程序•实践与思考串行单总线概述单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。•单总线的工作原理•单总线的时序•单总线器件单总线的工作原理单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为4.7k的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成，分别为初始化One-Wire器件、识别One-Wire器件和交换数据。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问One-Wire器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM命令、功能命令。如果出现序列混乱，One-Wire器件将不响应主机（搜索ROM命令、报警搜索命令除外）。单总线的时序One-Wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型。所有的单总线命令序列（初始化，ROM命令，功能命令）都是由这些基本的信号类型组成的。在这些信号中，除了应答脉冲外，其他均由主机发出同步信号，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。•初始化时序•读、写时序初始化时序初始化时序图读、写时序写时序图读、写时序读时序图单总线器件通常把挂在单总线上的器件称为单总线器件，单总线器件内一般都具有控制、收/发、存储等电路。为了区分不同的单总线器件，厂家生产单总线器件时都要刻录一个64位的二进制ROM代码，以标志其ID号。目前，单总线器件主要有数字温度传感器（如DS18B20）、A/D转换器（如DS2450）、门标、身份识别器（如DS1990A）、单总线控制器（如DS1WM）等。数字化温度传感器DS18B20美国DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。DS18B20测量温度范围为55℃～+125℃。在10℃～+85℃范围内，精度为0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20的主要特性DS18B20的外形和内部结构DS18B20工作原理DS18B20的4个主要数据部件高速暂存存储器指令表DS18B20的应用电路DS18B20使用中注意事项DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2）独特的单线接口方式，DS18B20在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的双向通信。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）测温范围55℃～+125℃，在10℃～+85℃时精度为0.5℃。（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms时间内把温度值转换为数字，速度更快。（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由4部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如图所示。DS18B20外形及引脚排列图DS18B20引脚定义如下：（1）DQ为数字信号输入/输出端。（2）GND为电源地。（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20工作原理DS18B20测温原理框图如图所示：图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55℃所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B20测温原理框图DS18B20的4个主要数据部件（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做是该DS18B20的地址序列码，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。DS18B20温度值格式表如表所示。DS18B20的4个主要数据部件（3）DS18B20温度传感器的存储器。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E2PROM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。（4）配置寄存器。配置寄存器的格式如表所示。TMR1R011111低5位一直都是“1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如右表所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。R1R0分辨率温度最大转换时间/ms009位93.750110位187.51011位3751112位750温度分辨率设置表高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。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。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，先将补码变为原码，再将数据部分转换为十进制。第9个字节是冗余检验字节。寄存器内容字节地址温度值低位（LSByte）0温度值高位（MSByte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8DS18B20暂存寄存器分布高速暂存存储器根据DS18B20的通信协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500s，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60s左右，后发出60～240s的应答低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820，使之做出响应，为下一步对该DS1820的读写做准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件做好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。适用于单片工作告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应ROM指令表指令表RAM指令表指令约定代码功能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的2、3、4字节写上、下限温度数据和配置寄存器命令，紧跟该命令之后，是传送三字节的数据复制暂存器48H将RAM中第2、3字节的内容复制到E2PROM中重调E2PROM0B8H将E2PROM中内容恢复到RAM中的第2、3字节读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式。寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电DS18B20发送“1”DS18B20的应用电路1．DS18B20寄生电源供电方式电路图寄生电源方式特点：（1）进行远距离测温时，无须本地电源。（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。（4）只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适于采用电池供电系统中。DS18B20寄生电源供电方式DS18B20的应用电路2．DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图DS18B20寄生电源强上拉供电方式在强上拉供电方式下可以解决电流供应不足的问题，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。DS18B20的应用电路3．DS18B20的外部电源供电方式外部电源供电方式是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，如图所示。外部供电方式的多点测温电路图DS18B20使用中注意事项（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，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DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。（2）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。（3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。在采用DS18B20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DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。（5）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，另一对线接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。DS18B20的温度采集程序1．采集程序功能从DS18B20中读出温度数据，并舍去小数位，将整数部分转换成十进制数据存入内存单元，并通过P1口驱动8位LED显示。2．子程序入口地址与变量定义（1）子程序入口地址。INIT_1820：DS18B20初始化程序READ_1820：读DS18B20的程序，从DS18B20中读出一个字节的数据READ_18200：读DS18B20的程序，从DS18B20中读出两个字节的温度数据WRITE_1820：写DS18B20的程序TEMPER_COV：将从DS18B20中读出的温度数据进行转换BIN_BCD：将十六进制的温度数据转换成压缩BCD码DELAY：延时子程序GET_TEMPER：从DS18B20读出温度数据DS18B20的温度采集程序（2）变量定义。TEMPER_L：存放读出温度低位数据的符号地址TEMPER_H：存放读出温度高位数据的符号地址TE