DS18B20的結(jié)構(gòu)與工作原理|壹芯微

DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)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(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75ms和750ms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(xiàn)(單線(xiàn)接口)讀寫(xiě)，溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線(xiàn)，總線(xiàn)本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶(hù)帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿(mǎn)意的效果。

DS18B20

1.主要特性

(1)適應(yīng)電壓范圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線(xiàn)供電。

(2)DS18B20與微處理器之間僅需要—條口線(xiàn)即可雙向通訊。

(3)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯—的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。

(4)不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在外形如一只三極管的電路內(nèi)。

(5)測(cè)溫范圍-55℃～+125℃，在-lO℃～+85℃時(shí)精度為±0.5℃。

(6)可編程的分辨率為9位～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。

(7)在9位分辨率時(shí)，最多93.75ms便可把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多750ms便可把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

(8)直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線(xiàn)總線(xiàn)串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

(9)電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

(10)3DS18B20遵循單總線(xiàn)協(xié)議，每次測(cè)溫時(shí)必須有初始化、傳送ROM命令、傳送RAM命令、數(shù)據(jù)交換等4個(gè)過(guò)程。

2.內(nèi)外結(jié)構(gòu)

DS18B20的外部結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，VDD為電源輸入端，DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，GND為電源地。

DS18B20外部結(jié)構(gòu)

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括4部分：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器，如圖所示。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

64位ROM中，在產(chǎn)品出廠(chǎng)前就被廠(chǎng)家通過(guò)光刻刻錄好了64位序列號(hào)。該序列號(hào)可以看作是DS18B20的地址序列碼，用來(lái)區(qū)分每一個(gè)DS18B20，從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度的多點(diǎn)測(cè)量。

3.部件介紹

3.1存儲(chǔ)器

DS18B20的存儲(chǔ)器包括高速暫存器RAM和可電擦除RAM，可電擦除RAM又包括溫度觸發(fā)器TH和TL，以及一個(gè)配置寄存器。存儲(chǔ)器能完整的確定一線(xiàn)端口的通訊，數(shù)字開(kāi)始用寫(xiě)寄存器的命令寫(xiě)進(jìn)寄存器，接著也可以用讀寄存器的命令來(lái)確認(rèn)這些數(shù)字。當(dāng)確認(rèn)以后就可以用復(fù)制寄存器的命令來(lái)將這些數(shù)字轉(zhuǎn)移到可電擦除RAM中。當(dāng)修改過(guò)寄存器中的數(shù)時(shí)，這個(gè)過(guò)程能確保數(shù)字的完整性。

高速暫存器RAM是由8個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器組成;。用讀寄存器的命令能讀出第九個(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)是對(duì)前面的八個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)。

3.264-位光刻ROM

64位光刻ROM的前8位是DS18B20的自身代碼，接下來(lái)的48位為連續(xù)的數(shù)字代碼，最后的8位是對(duì)前56位的CRC校驗(yàn)。64-位的光刻ROM又包括5個(gè)ROM的功能命令：讀ROM，匹配ROM，跳躍ROM，查找ROM和報(bào)警查找。

3.3外部電源的連接

DS18B20可以使用外部電源VDD，也可以使用內(nèi)部的寄生電源。當(dāng)VDD端口接3.0V—5.5V的電壓時(shí)是使用外部電源;當(dāng)VDD端口接地時(shí)使用了內(nèi)部的寄生電源。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線(xiàn)要接5KΩ左右的上拉電阻。

3.4配置寄存器

配置寄存器是配置不同的位數(shù)來(lái)確定溫度和數(shù)字的轉(zhuǎn)化。

可以知道R1，R0是溫度的決定位，由R1，R0的不同組合可以配置為9位，10位，11位，12位的溫度顯示。這樣就可以知道不同的溫度轉(zhuǎn)化位所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化時(shí)間，四種配置的分辨率分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃，出廠(chǎng)時(shí)以配置為12位。

3.5溫度的讀取

DS18B20在出廠(chǎng)時(shí)以配置為12位，讀取溫度時(shí)共讀取16位，前5個(gè)位為符號(hào)位，當(dāng)前5位為1時(shí)，讀取的溫度為負(fù)數(shù);當(dāng)前5位為0時(shí)，讀取的溫度為正數(shù)。溫度為正時(shí)讀取方法為：將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制即可。溫度為負(fù)時(shí)讀取方法為：將16進(jìn)制取反后加1，再轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制即可。例：0550H=+85度，F(xiàn)C90H=-55度。

4.工作原理

DS18B20測(cè)溫原理圖

DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20的測(cè)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，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)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(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。

計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。

減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。

圖2中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是DS18B20的測(cè)溫原理。

另外，由于DS18B20單線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)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(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。各種操作的時(shí)序圖與DS1820相同。

本文總結(jié)了DS1820的特性、結(jié)構(gòu)以及工作原理。DS1820主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀(guān)。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

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