摘  要：DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，他具有獨特的單線總線接口方式。文章詳細的介紹了單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測量原理、特性以及在溫度測量中的硬件和軟件設(shè)計，具有接口簡單、精度高、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠等特點。
    關(guān)鍵詞：DS18B20；單線制；溫度傳感器；單片機
    DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。?
    1.DS18B20簡介
    （1）獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。
    （2）在使用中不需要任何外圍元件。
    （3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~?+5.5 V。
    （4）測溫范圍：-55 ~+125 ℃。固有測溫分辨率為0.5 ℃。
    （5）通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。
    （6）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。
    （7）支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。
    （8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。?
    2.DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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    (1) 64 b閃速ROM的結(jié)構(gòu)如下：

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    開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。
    (2) 非易市失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限。
    (3) 高速暫存存儲器
    DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E?2RAM。后者用于存儲TH，TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給E?2RAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié)，他的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下：
          
    低5位一直都是1，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即是來設(shè)置分辨率，如表1所示（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）。? 

           
    由表1可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。
    高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節(jié)組成，其分配如下所示。其中溫度信息（第1，2字節(jié)）、TH和TL值第3，4字節(jié)、第6～8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個字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。

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    當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1，2字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0?062 5 ℃/LSB形式表示。溫度值格式如下：

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    對應(yīng)的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。表2是對應(yīng)的一部分溫度值。

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    DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH，TL作比較，若T>TH或T<TL,則將該器件內(nèi)的告警標志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行告警搜索。
    (4) CRC的產(chǎn)生
    在64 b ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（CRC）。主機根據(jù)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。? 

            
    3.DS18B20的測溫原理
    DS18B20的測溫原理如圖2所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小［1］，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在?-55 ℃?所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。
    另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。各種操作的時序圖與DS1820相同，可參看文獻［2］。? 
             

4.DS18B20與單片機的典型接口設(shè)計 
    以MCS51單片機為例，圖3中采用寄生電源供電方式， P1? 1口接單線總線為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管和89C51的P1?0來完成對總線的上拉［2］。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10 μs。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。假設(shè)單片機系統(tǒng)所用的晶振頻率為12 MHz，根據(jù)DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫3個子程序：INIT為初始化子程序，WRITE為寫（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)讀寫均由最低位開始，實際在實驗中不用這種方式，只要在數(shù)據(jù)線上加一個上拉電阻4.7 kΩ,另外2個腳分別接電源和地。?
5.DS18B20的精確延時問題
    雖然DS18B20有諸多優(yōu)點，但使用起來并非易事，由于采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一條線完成。因此，對讀寫的操作時序要求嚴格。為保證DS18B20的嚴格I/O時序，需要做較精確的延時。在DS18B20操作中，用到的延時有15 μs，90 μs，270 μs，540 μs等。因這些延時均為15 μs的整數(shù)倍，因此可編寫一個DELAY15（n）函數(shù)，源碼如下：
                     
    只要用該函數(shù)進行大約15 μs×N的延時即可。有了比較精確的延時保證，就可以對DS18B20進行讀寫操作、溫度轉(zhuǎn)換及顯示等操作。?
6.結(jié)語
    我們已成功地將DS18B20應(yīng)用于所開發(fā)的“LCD顯示氣溫”的控制系統(tǒng)中，其測溫系統(tǒng)簡單，測溫精度高，連接方便，占用口線少，轉(zhuǎn)換速度快，與微處理器的接口簡單，給硬件設(shè)計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。

作者簡介：

趙海蘭?  江蘇張家港 沙洲職業(yè)工學(xué)院

趙祥偉  ?江蘇張家港高新張銅公司

參考文獻：
［1］胡振宇，劉魯源，杜振輝?DS18B20接口的C語言程序  設(shè)計［J］單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002，(7)
［2］金偉正?單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用?［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2000，（6）：6668?