【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，采用熱敏電阻，可滿足40℃至90℃測量范圍，但熱敏電阻可靠性差，測量溫度準(zhǔn)確率低，對于小于1℃的溫度信號是不適用的，還得經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由微處理器進行處理。
一、概述
傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為傳感器，采用熱敏電阻，可滿足40℃至90℃測量范圍，但熱敏電阻可靠性差，測量溫度準(zhǔn)確率低，對于小于1℃的溫度信號是不適用的，還得經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能由微處理器進行處理。
目前常用的微機與外設(shè)之間進行的數(shù)據(jù)通信的串行總線主要有I2C總線，SPI總線等。其中I2C總線以同步串行2線方式進行通信(一條時鐘線，一條數(shù)據(jù)線)，SPI總線則以同步串行3線方式進行通信(一條時鐘線，一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線)。這些總線至少需要兩條或兩條以上的信號線。而單總線( 1-wire bus )，采用單根信號線，既可傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的， CPU 只需一根端口線就能與諸多單總線器件通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 因而，這種單總線技術(shù)具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，軟件設(shè)計簡單，便于總線擴展和維護。同時，基于單總線技術(shù)能較好地解決傳統(tǒng)識別器普遍存在的攜帶不便，易損壞，易受腐饋，易受電磁干擾等不足，因此，單總線具有廣闊的應(yīng)用前景，是值得關(guān)注的一個發(fā)展領(lǐng)域。
單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換，控制都由這根線完成。主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線，而讓其它設(shè)備使用總線。單總線通常要求外接一個約為 4.7K的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時其狀態(tài)為高電平。
DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術(shù)，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度。同時，它可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理，接口簡單， 使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。 部分功能電路的集成，使總體硬件設(shè)計更簡潔，能有效地降低成本，搭建電路和焊接電路時更快，調(diào)試也更方便簡單化，這也就縮短了開發(fā)的周期 。
DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨特的優(yōu)點：
( 1 )采用單總線的接口方式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。單總線具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。
( 2 )測量溫度范圍寬，測量精度高。DS18B20 的測量范圍為-55℃ ~+125℃ ;在-10~+85℃ 范圍內(nèi)，精度為±0.5℃ 。
( 3 )在使用中不需要任何外圍元器件即可實現(xiàn)測溫。
( 4 )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。
( 5 )供電方式靈活。DS18B20可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。
( 6 )測量參數(shù)可配置。DS18B20的測量分辨率可通過程序設(shè)定9~12位。
( 7 ) 負(fù)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。
( 8 )掉電保護功能。DS18B20內(nèi)部含有EEPROM，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設(shè)定值。
DS18B20 具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)，因此也就被設(shè)計者們所青睞。
二、DS18B20測溫原理
DS18B20 的內(nèi)部測溫電路框圖
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送給減法計數(shù)器1，為計數(shù)器提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，很敏感的振蕩器，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)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(dāng)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。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(dá)到被測溫度值。
三、DS18B20 的管腳排列及封裝圖
DS18B20 實物管腳分布圖
DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端;GND為電源地;VDD為外接供電電源輸入端，電源供電 3.0~5.5V (在寄生電源接線方式時接地)。
DS18B20的硬件接口非常簡單。供電方式為計生電源供電或外部供電。
寄生電源工作方式
采用寄生電源供電時，在遠(yuǎn)程溫度測量和測量空間受限的情況下特別有價值。寄生電源供電的原理是在數(shù)據(jù)線為高電平的時候“竊取”數(shù)據(jù)線的電源，電荷被存儲在寄生供電電容上，用于在數(shù)據(jù)線為低的時候為設(shè)備提供電源。需要注意的是，DS18B20在進行溫度轉(zhuǎn)換或者將高速緩存里面的數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM中時，所需的電流會達(dá)到1.5mA，超出了電容所能提供的電流，此時可采用一個MOSFET三極管來供電。
外接電源工作方式
當(dāng)DS18B20采用外部供電時，只需將其數(shù)據(jù)線，與單片機的一位雙向端口相連就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。
注意：當(dāng)溫度高于100℃ 時，不能使用寄生電源，因為此時器件中較大的漏電流會使總線不能可靠檢測高低電平，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的增大。
四、DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由四部分組成：64位光刻ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。
光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位(地址： 28H )是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，并且每個 DS18B20 的序列號都不相同，因此它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼; 8 位則是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼( CRC=X8+X5+X4+1 )。由于每一個DS18B20的ROM數(shù)據(jù)都各不相同，因此微控制器就可以通過單總線對多個 DS18B20 進行尋址，從而實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。
64B閃速ROM
DS18B20 中的溫度傳感器用于完成對溫度的測量，它的測量精度可以配置成9位，10位，11位或12位四種狀態(tài)。溫度傳感器在測量完成后將測量的結(jié)果存儲在 DS18B20 的兩個8BIT的RAM中，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)的存儲格式如下表(以 12 位轉(zhuǎn)化為例)：
溫度信號寄存器格式
這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0 ，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度;如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。
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 。
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
五、DS18B20 溫度傳感器的存儲器
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E2RAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH 、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給 E2RAM 。
暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位TL，第二個字節(jié)是溫度的高八位TH。第三個和第四個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)，可用來保證通信正確。DS18B20的分布如下：
DS18B20 的暫存寄存器分布
在 64B ROM 的有效字節(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。
1. 設(shè)置寄存器
該位于高速閃存的第5個字節(jié)，這個寄存器中的內(nèi)容被用來確定測試模式和溫度的轉(zhuǎn)換精度。寄存器各位的內(nèi)容如下：
DS18B20 的設(shè)置寄存器各位內(nèi)容
該寄存器的低五位一直都是 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 用來設(shè)置分辨率，如下表所示：( DS18B20 出廠時被設(shè)置為 12 位)
分辨率設(shè)置
由表可知，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。
六、DS18B20 的溫度測量
1-WIRE 網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，一般通過雙絞線與 1-WIRE 元件進行數(shù)據(jù)通信，它們通常被定義為漏極開路端點，主/從式多點結(jié)構(gòu)，而且一般都在主機端接上一個上拉電阻 +5V 電源。通常為了給 1-WIRE 設(shè)備提供足夠的電源，需要一個 MOSFET 管將 1-WIRE 總線上拉至 +5V 電源。
DS18B20 組成的 1-WIRE 網(wǎng)絡(luò)
1-WIRE 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是分時定義的，有嚴(yán)格的時隙概念，下圖是復(fù)位脈沖的時隙。
1-WIRE 協(xié)議的復(fù)位脈沖時隙
1-WIRE 讀寫“ 0/ 1 ” 時隙
DS18B20 單線通信功能是分時完成的，他有嚴(yán)格的時隙概念，如果出現(xiàn)序列混亂， 1-WIRE 器件將不響應(yīng)主機，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。根據(jù) DS18B20 的協(xié)議規(guī)定，微控制器控制 DS18B20 完成溫度的轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過以下 4 個步驟 ：
(1)每次讀寫前對 DS18B20 進行復(fù)位初始化。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500ms ，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16ms~60ms 左右，然后發(fā)出 60ms~240ms 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號后表示復(fù)位成功。
(2)發(fā)送一條 ROM 指令，如下表所示：
DS18B20 的ROM指令集
a. 讀指令(33H)：通過該命令可以讀出ROM中8位系列產(chǎn)品代碼、48位產(chǎn)品序列號和8位CRC碼。
b. 選擇定位指令(55H)：多片DS18B20在線時，主機發(fā)出該命令和一個64位數(shù)列，DS18B20內(nèi)部ROM與主機序列一致者，才能響應(yīng)主機發(fā)送的寄存器操作指令，其它的DS18B20則等待復(fù)位。該指令也可用于單片DS18B20的情況。
c. 跳過ROM檢測指令(CCH)：若系統(tǒng)只用了一片DS18B20，該指令允許主機跳過ROM序列號檢測而直接對寄存器操作，從而節(jié)省了時間。對于多片DS18B20測溫系統(tǒng)，該指令將引起數(shù)據(jù)沖突。
d. 查詢指令(F0H)：該指令可以使主機查詢到總線上有多少片DS18B20，以及各自的64位序列號。
e. 報警查詢指令(ECH)：該指令的操作過程同查詢指令，但是僅當(dāng)上次溫度測量值已置為報警標(biāo)志時，DS18B20才響應(yīng)該指令。
(3)發(fā)送存儲器指令，如下表所示：
DS18B20 的RAM指令集
a. 寫入指令(4EH)：該指令把數(shù)據(jù)依次寫入高溫報警觸發(fā)器TH、低溫報警觸發(fā)器TL和配置寄存器。命令復(fù)位信號發(fā)出之前必須把這三個字節(jié)寫完。
b. 寫出指令(BEH)：該指令可以讀出寄存器中的內(nèi)容，從第1字節(jié)開始，直到讀完第9個字節(jié)，如果僅需要讀取寄存器中的部分內(nèi)容，主機可以在合適的時候發(fā)出復(fù)位指令以結(jié)束該過程。
c. 復(fù)制命令(48H)：該指令把高速緩存器中第 2 ~ 4 字節(jié)轉(zhuǎn)存到DS18B20的EEPROM中。命令發(fā)出后，主機發(fā)出讀指令來讀總線，如果轉(zhuǎn)存正在進行時主機讀總線結(jié)果為0，而轉(zhuǎn)存結(jié)束則為1。
d. 開始轉(zhuǎn)換指令(44H)：DS18B20收到該指令后立即開始溫度轉(zhuǎn)換，不需要其他數(shù)據(jù)。此時DS18B20處于空閑狀態(tài)，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換正在進行時主機讀總線結(jié)果為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束則為1.
e. 回調(diào)指令(B8H)：該指令把EEPROM中的內(nèi)容回調(diào)至寄存器TH、TL和配置寄存器單元中。命令發(fā)出后如果主機接著讀總線，則讀結(jié)果為0表示忙，為1表示回調(diào)結(jié)束。
f. 讀電源標(biāo)志命令(B4H)：主機發(fā)出該指令后讀總線，DS18B20將發(fā)送電源標(biāo)志，0表示數(shù)據(jù)線供電，1表示外接電源。
(4)進行數(shù)據(jù)通信。
七、DS18B20 使用中注意事項
DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：
(1)每讀寫之前都要對 DS18B20 進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 us，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16 ~60 us左右，后發(fā)出 60~240 us的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復(fù)位成功。(所有的讀寫時序至少需要 60us ，且每個獨立的時序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時間。在寫時序時，主機將在下拉低總線 15us 之內(nèi)釋放總線，并向單總線器件寫 1 ;若主機拉低總線后能保持至少 60us 的低電平，則向單總線器件寫 0 。單總線僅在主機發(fā)出讀寫時序時才向主機傳送數(shù)據(jù)，所以，當(dāng)主機向單總線器件發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便單總線器件能傳輸數(shù)據(jù)。)
(2)在寫數(shù)據(jù)時，寫 0 時單總線至少被拉低 60us， 寫 1 時 ，15us 內(nèi)就得釋放總線。
(3)轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0 ，這 5 位為 0 ，只要將測到的數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實際溫度;如果溫度小于 0 ，這 5 位為 1 ，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實際溫度。
(4)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820 進行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M 、 C 等語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS1820 操作部分采用匯編語言實現(xiàn)。
(5) 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS1820 ，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS1820 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。
(6) 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達(dá) 150m ，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS1820 進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。測溫電纜線建議采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC 和地線，屏蔽層在源端單點接地。
(7)在 DS1820 測溫程序設(shè)計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦某個 DS1820 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS1820 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。
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