DS18B20數字溫度傳感器的資料簡介

美國Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，在其內部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引入全新概念?，F在，新一代的DS18B20體積更小、更經濟、更靈活。使你可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點。目前DS18B20批量采購價格僅10元左右。

在傳統的模擬信號遠距離溫度測量系統中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。另外一般監(jiān)控現場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統中，采用抗干擾能力強的新型數字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，新型數字溫度傳感器DS18B20具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果。

新的“一線器件”DS18B20體積更小、適用電壓更寬、更經濟。

DS18B20、DS1822的特性

DS18B20可以程序設定9～12位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產品中最好的！性能價格比也非常出色！DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數的EEPROM，精度降低為±2°C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴格的應用，是經濟型產品。 繼“一線總線”的早期產品后，DS1820開辟了溫度傳感器技術的新概念。DS18B20和DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構建適合自己的經濟的測溫系統。

DS18B20、DS1822 “一線總線”數字化溫度傳感器

同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55°C～+125°C，在-10～+85°C范圍內，精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為±2°C。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。與前一代產品不同，新的產品支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。而且新一代產品更便宜，體積更小。

一、DS18B20的主要特性

（1）適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電

（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊

（3）DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫

（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內

（5）溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃

（6）可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現高精度測溫

（7）在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快

（8）測量結果直接輸出數字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力

（9）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

二、DS18B20的外形和內部結構

DS18B20內部結構主要由四部分組成：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。DS18B20的外形及管腳排列如下圖1：

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圖1： DS18B20外形及引腳排列圖

DS18B20引腳定義：

（1）DQ為數字信號輸入/輸出端；

（2）GND為電源地；

（3）VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

三、DS18B20工作原理

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環(huán)直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。

圖3： DS18B20測溫原理框圖

DS18B20有4個主要的數據部件：

（1）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（28H）是產品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。

表1： DS18B20溫度值格式表

這是12位轉化后得到的12位數據，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℃的數字輸出為07D0H，+25.0625℃的數字輸出為0191H，-25.0625℃的數字輸出為FF6FH，-55℃的數字輸出為FC90H。

表2： DS18B20溫度數據表

（3）DS18B20溫度傳感器的存儲器

DS18B20溫度傳感器的內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EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結構寄存器。

（4）配置寄存器

該字節(jié)各位的意義如下：

表3： 配置寄存器結構

TMR1R011111

低五位一直都是“1”，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如下表所示：（DS18B20出廠時被設置為12位）

表4： 溫度分辨率設置表

R1R0分辨率溫度最大轉換時間

009位93.75ms

0110位187.5ms

1011位375ms

1112位750ms

四、 高速暫存存儲器

高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表5所示。當溫度轉換命令發(fā)布后，經轉換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后，數據格式如表1所示。對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。表？2是對應的一部分溫度值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。

表5： DS18B20暫存寄存器分布

寄存器內容字節(jié)地址

溫度值低位 （LS Byte）0

溫度值高位 （MS Byte）1

高溫限值（TH）2

低溫限值（TL）3

配置寄存器4

保留5

保留6

保留7

CRC校驗值8

根據DS18B20的通訊協議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，當DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。

表6： ROM指令表

指 令約定代碼功 能

讀ROM33H讀DS1820溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）

符合 ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的 DS1820 使之作出響應，為下一步對該 DS1820 的讀寫作準備。

搜索 ROM0FOH用于確定掛接在同一總線上 DS1820 的個數和識別 64 位 ROM 地址。為操作各器件作好準備。

跳過 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。

告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過設定值上限或下限的片子才做出響應。

表6： RAM指令表

指 令約定代碼功 能

溫度變換44H啟動DS1820進行溫度轉換，12位轉換時最長為750ms（9位為93.75ms）。結果存入內部9字節(jié)RAM中。

讀暫存器0BEH讀內部RAM中9字節(jié)的內容

寫暫存器4EH發(fā)出向內部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數據命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數據。

復制暫存器48H將RAM中第3 、4字節(jié)的內容復制到EEPROM中。

重調 EEPROM0B8H將EEPROM中內容恢復到RAM中的第3 、4字節(jié)。

讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時DS1820發(fā)送“ 0 ”，外接電源供電 DS1820發(fā)送“ 1 ”。

五、DS18B20的應用電路

DS18B20測溫系統具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。下面就是DS18B20幾個不同應用方式下的測溫電路圖：

［1］、DS18B20寄生電源供電方式電路圖

如下面圖4所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線信號線上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。

獨特的寄生電源方式有三個好處：

1）進行遠距離測溫時，無需本地電源

2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM

3）電路更加簡潔，僅用一根I/O口實現測溫

要想使DS18B20進行精確的溫度轉換，I/O線必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉換期間工作電流達到1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，只靠4.7K上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉換溫度或溫度誤差極大。

因此，圖4電路只適應于單一溫度傳感器測溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統中。并且工作電源VCC必須保證在5V，當電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。

注： 站長曾經就此電路做過實驗，在實驗中，降低電源電壓VCC，當低于4.5V時，測出的溫度值比實際的溫度高，誤差較大。。。當電源電壓降為4V時，溫度誤差有3℃之多，這就應該是因為寄生電源汲取能量不夠造成的吧，因此，站長建議大家在開發(fā)測溫系統時不要使用此電路。

圖4

［2］、DS18B20寄生電源強上拉供電方式電路圖

改進的寄生電源供電方式如下面圖5所示，為了使DS18B20在動態(tài)轉換周期中獲得足夠的電流供應，當進行溫度轉換或拷貝到E2存儲器操作時，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉換的指令后，必須在最多10μS內把I/O線轉換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應不走的問題，因此也適合于多點測溫應用，缺點就是要多占用一根I/O口線進行強上拉切換。

圖5

注意：在圖4和圖5寄生電源供電方式中，DS18B20的VDD引腳必須接地

［3］、DS18B20的外部電源供電方式

在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是85℃。

圖6：外部供電方式單點測溫電路

圖7：外部供電方式的多點測溫電路圖

外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統。站長推薦大家在開發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根VCC引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓VCC降到3V時，依然能夠保證溫度量精度。

六、DS1820使用中注意事項

DS1820雖然具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題：

1） 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數據傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統程序設計時，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現。

2） 在DS1820的有關資料中均未提及單總線上所掛DS1820數量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統設計時要加以注意。

3） 連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數據將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數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生畸變造成的。因此，在用DS1820進行長距離測溫系統設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。

4） 在DS1820測溫程序設計中，向DS1820發(fā)出溫度轉換命令后，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硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。

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。