数字温度传感器DS18B20的原理与应用

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃～+125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

2DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构如图1所示，主要由4部分组成：64位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的管脚排列如图2所示，DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地，见图4)。

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图1DS18B20的内部结构

图2DS18B20的管脚排列

(a)初始化时序

(b)写时序

(c)读时序

图3DS18B20的工作时序图

DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，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。例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

23

22

21

20

2-1

2-2

2-3

2-4

温度值低字节

MSBLSB

S

S

S

S

S

22

25

24

温度值高字节

高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下：

0

R1

R0

1

1

1

1

1

MSBLSB

R1、R0决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms;R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms;R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms;R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms;未编程时默认为12位精度。

高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息;第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新;第6、7、8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。

3DS18B20的工作时序

DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图3(a)(b)(c)所示。

4DS18B20与单片机的典型接口设计

图4以MCS-51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。图4(a)中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地，图4(b)中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V～5.5V电源供电。

假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写了3个子程序：INIT为初始化子程序，WRITE为写(命令或数据)子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。

DATEQUP1.0

……

INIT:CLREA

INI10:SETBDAT

MOVR2,#200

a)寄生电源工作方式

(b)外接电源工作方式

图4DS18B20与微处理器的典型连接图

INI11:CLRDAT

DJNZR2,INI11;主机发复位脉冲持续3μs×200=600μs

SETBDAT;主机释放总线，口线改为输入

MOVR2,#30

IN12:DJNZR2,INI12;DS18B20等待2μs×30=60μs

CLRC

ORLC,DAT;DS18B20数据线变低(存在脉冲)吗?

JCINI10;DS18B20未准备好，重新初始化

MOVR6,#80

INI13:ORLC,DAT

JCINI14;DS18B20数据线变高，初始化成功

DJNZR6,INI13;数据线低电平可持续3μs×80=240μs

SJMPINI10;初始化失败，重来

INI14:MOVR2,#240

IN15:DJNZR2,INI15;DS18B20应答最少2μs×240=480μs

RET

;------------------------

WRITE:CLREA

MOVR3,#8;循环8次，写一个字节

WR11:SETBDAT

MOVR4,#8

RRCA;写入位从A中移到CY

CLRDAT

WR12:DJNZR4,WR12

;等待16μs

MOVDAT,C;命令字按位依次送给DS18B20

MOVR4,#20

WR13:DJNZR4,WR13

;保证写过程持续60μs

DJNZR3,WR11

;未送完一个字节继续

SETBDAT

RET

;------------------------

READ:CLREA

MOVR6,#8;循环8次，读一个字节

RD11:CLRDAT

MOVR4,#4

NOP;低电平持续2μs

SETBDAT;口线设为输入

RD12:DJNZR4,RD12

;等待8μs

MOVC,DAT

;主机按位依次读入DS18B20的数据

RRCA;读取的数据移入A

MOVR5,#30

RD13:DJNZR5,RD13

;保证读过程持续60μs

DJNZR6,RD11

;读完一个字节的数据，存入A中

SETBDAT

RET

;------------------------

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。假设一线仅挂接一个芯片，使用默认的12位转换精度，外接供电电源，可写出完成一次转换并读取温度值子程序GETWD。

GETWD:LCALLINIT

MOVA,#0CCH

LCALLWRITE;发跳过ROM命令

MOVA,#44H

LCALLWRITE;发启动转换命令

LCALLINIT

MOVA,#0CCH;发跳过ROM命令

LCALLWRITE

MOVA,#0BEH;发读存储器命令

LCALLWRITE

LCALLREAD

MOVWDLSB,A

;温度值低位字节送WDLSB

LCALLREAD

MOVWDMSB,A

;温度值高位字节送WDMSB

RET

……

子程序GETWD读取的温度值高位字节送WDMSB单元，低位字节送WDLSB单元，再按照温度值字节的表示格式及其符号位，经过简单的变换即可得到实际温度值。

如果一线上挂接多个DS18B20、采用寄生电源连接方式、需要进行转换精度配置、高低限报警等，则子程序GETWD的编写就要复杂一些，限于篇幅，这一部分不再详述，请参阅相关内容。

我们已成功地将DS18B20应用于所开发的“家用采暖洗浴器”控制系统中，其转换速度快，转换精度高，与微处理器的接口简单，给硬件设计工作带来了极大的方便，能有效地降低成本，缩短开发周期。