【mcuclub】温度传感器DS18B20

1、实物图

2、原理图

VCC：外接供电电源输入端。

DQ：数字信号输入／输出端。

GND：电源地线

为什么接上拉电阻：

因为DS18B20的数据口是漏极开路，如果不接上拉电阻，则只能输出低电平和高阻态，不能输出高电平，因此需要外接上拉电阻，否则无法输出1。DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ。一般3.3k~10k都可以。

3、简介

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的单总线器件，独特的单总线通信协议，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3 ~5.5 V，无需备用电源，测量温度范围为-55℃~+125℃。在-10℃至+85℃范围内精度为±0.5℃。应用领域包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。

4、测温原理

DS18B20的内部测温电路框图如上图所示，图中低温度系数振荡器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，高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变，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对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，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振荡器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。

5、内部结构

DS18B20内部结构如上图所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度灵敏元件、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。由上图可见，DS18B20只有一个数据输入输出口，属于单总线专用芯片之一。DS18B20工作时被测温度值直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。其内部采用在线温度测量技术，测量范围为-55~125℃，在-10~85℃时，精度为±0.5℃。每个DS18B20在出厂时都已具有唯一的64位序列号，因此一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，而不会出现混乱现象。另外用户还可自设定非易失性温度报警上下限值TH和TL（掉电后依然保存）。DS18B20在完成温度变换后，所测温度值将自动与存储在TH和TL内的触发值相比较，如果测温结果高于TH或低于TL， DS18B20内部的报警标志就会被置位，表示温度值超出了测量范围，同时还有报警搜索命令识别出温度超限的DS18B20。

6、温度读取与计算

DS18B20采用16位补码的形式来存储温度数据，温度是摄氏度。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。

高字节的五个S为符号位，温度为正值时S=0,温度为负值时S=1，剩下的11位为温度数据位，对于12位分辨率，所有位全部有效，对于11位分辨率，位0(bit0)无定义，对于10位分辨率，位0和位1无定义,对于9位分辨率，位0，位1，和位2无定义

对应的温度计算：

当五个符号位S=0时，温度为正值，直接将后面的11位二进制转换为十进制，再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值;当五个符号位S=1时，温度为负值，先将后面的11位二进制补码变为原码(符号位不变，数值位取反后加1)，再计算十进制值。再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值;

例如：

+125℃的数字输出07D0(00000111 11010000)

转换成10进制是2000，对应摄氏度：0.0625x2000=125℃

-55℃的数字输出为 FC90。

首先取反，然后+1，转换成原码为：11111011 01101111

数值位转换成10进制是870，对应摄氏度：-0.0625x870=-55℃

7、工作步骤

DS18B20的工作步骤可以分为三步：

初始化DS18B20
执行ROM指令
执行DS18B20功能指令

其中第二步执行ROM指令，也就是访问每个DS18B20，搜索64位序列号，读取匹配的序列号值，然后匹配对应的DS18B20，如果我们仅仅使用单个DS18B20，可以直接跳过ROM指令。而跳过ROM指令的字节是0xCC。

①初始化DS18B20

任何器件想要使用，首先就是需要初始化，对于DS18B20单总线设备，首先初始化单总线为高电平，然后总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平。

初始化具体时序步骤如下:

<1>单片机拉低总线至少480us，产生复位脉冲，然后释放总线（拉高电平）。

<2>这时DS8B20检测到请求之后，会拉低信号，大约60~240us表示应答。

<3>DS8B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示初始化成功

<4>DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线。

代码如下：

void Ds18b20_Init(void)

{

bit q;

DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高

Ds18b20_Delay(10);

DS18B20_DQ = 0;               //给复位脉冲

Ds18b20_Delay(80);

DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高，等待

Ds18b20_Delay(10);

q = DS18B20_DQ;              //读取ds18b20初始化信号

Ds18b20_Delay(20);

DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高，释放总线

}

②写时序

总线控制器通过控制单总线高低电平持续时间从而把逻辑1或0写进DS18B20中，每次只传输1位数据。

单片机想要给DS18B20写入一个0时，需要将单片机引脚拉低，保持低电平时间要在60~120us之间，然后释放总线。

单片机想要给DS18B20写入一个1时，需要将单片机引脚拉低，拉低时间需要大于1us，然后在15us内拉高总线。

在写时序起始后15μs到60μs期间，DS18B20处于采样单总线电平状态。如果在此期间总线为高电平，则向DS18B20写入1;如果总线为低电平，则向DSl8B20写入0。

注意：2次写周期之间至少间隔1us

代码如下：

void Ds18b20_Write(uchar dat)

{

uchar i;

for(i=0; i<8; i++)               //循环8次，每次写一位，且先写低位再写高位

{

DS18B20_DQ = 0;               //把总线拉低，写数据开始

DS18B20_DQ = dat&0x01;        //写一位数据

Ds18b20_Delay(5);

DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高，释放总线

dat >>= 1;                   //数据右移一位

}

}

写入的功能命令：

ROM指令：

采用多个DS18B20时，需要写ROM指令来控制总线上的某个DS18B20
如果是单个DS18B20,直接写跳过ROM指令0xCC即可

RAM指令，DS18B20的一些功能指令

常用的是：

温度转换 0x44

开启温度读取转换，读取好的温度会存储在高速暂存器的第0个和第一个字节中

读取温度 0xBE
读取高速暂存器存储的数据

③读时序

读时隙由主机拉低总线电平至少1μs然后再释放总线，读取DS18B20发送过来的1或者0

DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。

注意：所有读时隙必须至少需要60us，且在两次独立的时隙之间至少需要1us的恢复时间

同时注意：主机只有在发送读暂存器命令(0xBE)或读电源类型命令(0xB4)后，立即生成读时隙指令，DS18B20才能向主机传送数据。也就是先发读取指令，再发送读时隙。

最后一点：写时序注意是先写命令的低字节，比如写入跳过ROM指令0xCC(11001100),写的顺序是“0、0、1、1、0、0、1、1”，

读时序时是先读低字节，在读高字节，也就是先读取高速暂存器的第0个字节(温度的低8位)，再读取高速暂存器的第1个字节(温度的高8位) 我们正常使用DS18B20读取温度读取两个温度字节即可。

代码如下：

uchar Ds18b20_Read(void)

{

uchar i,value;

for(i=0; i<8; i++)              //循环8次，每次读取一位，且先读低位再读高位

{

DS18B20_DQ = 0;               //把总线拉低，读数据开始

value >>= 1;                 //数据右移一位

DS18B20_DQ = 1;               //把总线拉高，释放总线

if(DS18B20_DQ == 1)           //开始读数据

value |= 0x80;             //保存数据

Ds18b20_Delay(5);

}

return value;                //返回数据

}

8、流程设计

首先初始化引脚，然后初始化DS18B20，接着写指令“0xcc”即跳过64位ROM，写指令“0x44” 即启动一次温度转换命令，延时一段时间后，再初始化DS18B20，接着写指令“0xcc”即跳过64位ROM，写指令“0xbe” 即发出读取暂存器命令，开始读取温度低字节和高字节，整合数据，最后通过计算公式计算出温度值。