數(shù)字溫度傳感器DS18B20的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1引言

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線(xiàn)上，CPU只需一根端口線(xiàn)就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線(xiàn)和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

2 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)? ds18b20電路圖

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2所示，DQ為數(shù)字信號(hào)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(xiàn)方式時(shí)接地，見(jiàn)圖4）。

ROM中的64位序列號(hào)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(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

?
圖1 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20中的溫度傳感器完成對(duì)溫度的測(cè)量，用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。例如＋125℃的數(shù)字輸出為07D0H，＋25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，－25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，－55℃的數(shù)字輸出為FC90H。

23
22
21
20
2－1
2－2
2－3
2－4

溫度值低字節(jié)
MSBLSB

S
S
S
S
S
22
25
24

溫度值高字節(jié)

高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的EEPROM組成，使用一個(gè)存儲(chǔ)器功能命令可對(duì)TH、TL或配置寄存器寫(xiě)入。其中配置寄存器的格式如下：

0
R1
R0
1
1
1
1
1

MSBLSB

R1、R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R0=“00”，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms；未編程時(shí)默認(rèn)為12位精度。

高速暫存器是一個(gè)9字節(jié)的存儲(chǔ)器。開(kāi)始兩個(gè)字節(jié)包含被測(cè)溫度的數(shù)字量信息；第3、4、5字節(jié)分別是TH、TL、配置寄存器的臨時(shí)拷貝，每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新；第6、7、8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)保證通信正確。

3 DS18B20的工作時(shí)序

DS18B20的一線(xiàn)工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序，如圖3（a）（b）（c）所示。

（a）初始化時(shí)序

（c）讀時(shí)序

圖3DS18B20的工作時(shí)序圖

4 DS18B20與單片機(jī)的典型接口設(shè)計(jì)

圖4以MCS－51系列單片機(jī)為例，畫(huà)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。

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

假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)所用的晶振頻率為12MHz，根據(jù)DS18B20的初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序，分別編寫(xiě)了3個(gè)子程序：INIT為初始化子程序，WRITE為寫(xiě)（命令或數(shù)據(jù)）子程序，READ為讀數(shù)據(jù)子程序，所有的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)均由最低位開(kāi)始。

DATEQUP1.0
……
INIT:CLREA
INI10:SETBDAT
MOVR2,＃200
INI11:CLRDAT
DJNZR2,INI11；主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖持續(xù)3μs×200=600μs
SETBDAT；主機(jī)釋放總線(xiàn)，口線(xiàn)改為輸入
MOVR2,＃30
IN12:DJNZR2,INI12；DS18B20等待2μs×30=60μs
CLRC
ORLC,DAT；DS18B20數(shù)據(jù)線(xiàn)變低（存在脈沖）嗎？
JCINI10；DS18B20未準(zhǔn)備好，重新初始化
MOVR6,＃80
INI13:ORLC,DAT
JCINI14；DS18B20數(shù)據(jù)線(xiàn)變高，初始化成功
DJNZR6,INI13；數(shù)據(jù)線(xiàn)低電平可持續(xù)3μs×80=240μs
SJMPINI10；初始化失敗，重來(lái)
INI14:MOVR2,＃240
IN15:DJNZR2,INI15；DS18B20應(yīng)答最少2μs×240=480μs
RET
；－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
WRITE:CLREA
MOVR3,＃8；循環(huán)8次，寫(xiě)一個(gè)字節(jié)
WR11:SETBDAT
MOVR4,＃8
RRCA；寫(xiě)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(xiě)過(guò)程持續(xù)60μs
DJNZR3,WR11
；未送完一個(gè)字節(jié)繼續(xù)
SETBDAT
RET

；－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
READ:CLREA
MOVR6,＃8；循環(huán)8次，讀一個(gè)字節(jié)
RD11:CLRDAT
MOVR4,＃4
NOP；低電平持續(xù)2μs
SETBDAT；口線(xiàn)設(shè)為輸入
RD12:DJNZR4,RD12
；等待8μs
MOVC,DAT
；主機(jī)按位依次讀入DS18B20的數(shù)據(jù)
RRCA；讀取的數(shù)據(jù)移入A
MOVR5,＃30
RD13:DJNZR5,RD13
；保證讀過(guò)程持續(xù)60μs
DJNZR6,RD11
；讀完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，存入A中
SETBDAT
RET
；－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：初始化、ROM操作指令、存儲(chǔ)器操作指令。必須先啟動(dòng)DS18B20開(kāi)始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。假設(shè)一線(xiàn)僅掛接一個(gè)芯片，使用默認(rèn)的12位轉(zhuǎn)換精度，外接供電電源，可寫(xiě)出完成一次轉(zhuǎn)換并讀取溫度值子程序GETWD。

GETWD:LCALLINIT
MOVA,＃0CCH
LCALLWRITE；發(fā)跳過(guò)ROM命令
MOVA,＃44H
LCALLWRITE；發(fā)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令
LCALLINIT
MOVA,＃0CCH；發(fā)跳過(guò)ROM命令
LCALLWRITE
MOVA,＃0BEH；發(fā)讀存儲(chǔ)器命令
LCALLWRITE
LCALLREAD
MOVWDLSB,A
；溫度值低位字節(jié)送WDLSB
LCALLREAD
MOVWDMSB,A
；溫度值高位字節(jié)送WDMSB
RET
……

子程序GETWD讀取的溫度值高位字節(jié)送WDMSB單元，低位字節(jié)送WDLSB單元，再按照溫度值字節(jié)的表示格式及其符號(hào)位，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的變換即可得到實(shí)際溫度值。

如果一線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20、采用寄生電源連接方式、需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換精度配置、高低限報(bào)警等，則子程序GETWD的編寫(xiě)就要復(fù)雜一些，限于篇幅，這一部分不再詳述，請(qǐng)參閱相關(guān)內(nèi)容。

我們已成功地將DS18B20應(yīng)用于所開(kāi)發(fā)的“家用采暖洗浴器”控制系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換精度高，與微處理器的接口簡(jiǎn)單，給硬件設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。