DS18B20溫度傳感器的工作原理和硬件設計

引言：通過本文可以了解DS18B20溫度傳感器工作原理、硬件設計、DS18B20單總線接口驅動編寫。

1. 概述

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

圖1：兩種封裝DS18B20實物圖

DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，經(jīng)封裝成后可應用于多種場合，如電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣等特點，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。

2.原理學習

2.1 芯片概述

DS18B20數(shù)字溫度計提供9到12bit分辨率的溫度測量，可以通過可編程非易失性存儲單元實現(xiàn)溫度的下限和上限報警。DS18B20采用單總線協(xié)議與上位機進行通信，只需要一根信號線和一根地線。它的溫度測量范圍為-55℃~ +125℃(-67°F to +257°F)。在-10℃~70℃范圍內的測試精度可以達到±0.5℃。此外它還可以工作在寄生模式下，直接通過信號線對芯片供電，從而不需要額外的供電電源。每個DS18B20都有一個全球唯一的64位序列號，可以將多個DS18B20串聯(lián)在同一跟單總線上進行組網(wǎng)，只需要一個處理器就可以控制分布在大面積區(qū)域中的多顆DS18B20。這種組網(wǎng)方式特別適合HVAC環(huán)境控制，建筑、設備、糧情測溫和工業(yè)測溫以及過程監(jiān)測控制等應用領域。

2.2 管腳描述

圖2：常見封裝管腳定義

DS18B20管腳描述如下表所示。

表1：DS18B20管腳描述

2.3 芯片內部結構

圖3：DS18B20內部結構

2.4 硬件設計

DS18B20可以通過管腳VDD外部電源供電，也可以工作于寄生電源模式。

（1）寄生電源模式硬件設計

如圖所示，當總線處于高電平狀態(tài)，DQ與外部上拉電阻連接通過單總線對器件供電。同時處于高電平狀態(tài)的總線信號對內部電容（Cpp）充電（如圖3所示），在總線處于低電平狀態(tài)時，該電容提供能量給器件，該提供能量的方式成為“寄生電源”。當DS18B20處于寄生電源模式時，VDD管腳必須接地。

寄生電源模式下，單總線和CPP在大部分操作中能夠提供充分的滿足規(guī)定時序和電壓的電流（見直流電特性和交流電特性節(jié)）給DS18B20。然而，當DS18B20正在執(zhí)行溫度轉換或從寄存器向EEPROM傳送數(shù)據(jù)時，工作電流可高達1.5mA。這個電流可能會引起連接在單總線上的弱上拉電阻不可接受的壓降，這需要更大的電流，而此時CPP無法提供。為了保證DS18B20有充足的供電，當進行溫度轉換或復制數(shù)據(jù)到EEPORM操作時，必須給單總線提供一個強上拉，采用MOSFET直接把總線上拉到電源上的方式實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4：溫度轉換器件寄生電源模式硬件設計

（2）外部供電模式硬件設計

對DS18B20供電的另外一種方法是傳統(tǒng)的從VDD管腳接入一個外部電源，如圖5所示。這樣做的好處是單總線上不需要強上拉，而且總線不用在溫度轉換期間總保持高電平。

圖5：使用外部電源供電硬件設計

寄生電源模式在遠距離測試或空間受限的應用場合是非常有用的。

對于溫度高于100℃時，不推薦使用寄生電源，因為DS18B20在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通信可能無法進行。在類似這種溫度的情況下，強烈推薦使用DS18B20的VDD管腳供電。

2.5 寄存器詳解

（1） 64bit只讀寄存器

圖6：64bit ROM編碼

每顆DS18B20都有一個全球唯一的存儲在ROM中的64位編碼。最低8bit是單線系列編碼：28h。接著的48位是一個唯一的序列號。最后高8bit是低56bit編碼的CRC編碼。CRC的詳細解釋見CRC發(fā)生器節(jié)。64位ROM和ROM操作控制區(qū)允許DS18B20作為單總線器件并按照詳述于單總線系統(tǒng)節(jié)的單總線協(xié)議工作。

（2）存儲器結構

DS18B20的存儲器結構如圖7所示。

圖7：DS18B20的存儲器結構

（1）byte0和byte1：分別為溫度寄存器的LSB和MSB，這兩個字節(jié)的存儲器為只讀存儲器；

這個兩個字節(jié)寄存器用來存儲溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)，寄存器格式如圖8所示。

圖8：溫度寄存器格式

溫度與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式對應關系如圖9所示。"S"bit表示溫度符號位，上電復位時，溫度寄存器默認值為+85℃。

圖9：溫度/數(shù)據(jù)關系

（2）byte2和byte3：是TH和TL，注意當報警功能不能使用時，TH和TL寄存器可以被當作普通寄存器使用。TH，TL和配置寄存器均為非易失性的可擦除寄存器（EEPROM），該存儲的數(shù)據(jù)在器件掉電后不會消失。

圖10：TH，TL寄存器格式

（3）byte4：配置寄存器。

配置寄存器允許用戶將溫度測量分辨率設定為9，10，11或12位，對應的溫度分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，芯片在上電狀態(tài)下默認的精度為12位。

配置寄存器的bit7和bit0到bit4被器件保留，禁止寫入；在讀數(shù)據(jù)時，它們全部表現(xiàn)為邏輯1。

圖11：配置寄存器格式

表2：傳感器精度配置表

（4）byte5：被器件保留，禁止寫入。

（5）byte6和byte7：用戶可以使用；

（6）byte8：只讀，包含以上八個字節(jié)的CRC碼。

2.6 DS18B20操作流程

通過單總線訪問DS18B20的執(zhí)行步驟如下：

步驟1：初始化；

步驟2：ROM操作指令；

步驟3：DS18B20功能指令。

每一次DS18B20的操作都必須滿足以上步驟，若是缺少步驟或是順序混亂，器件將不會有返回值。搜索ROM命令和報警搜索命令除外。當這兩個命令執(zhí)行時，主控制器必須返回步驟1。

2.7 單總線協(xié)議詳解

DS18B20采用單總線協(xié)議，通過一個單線端口通信。DS18B20需要嚴格的單總線協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議定義了幾種單總線信號的類型：復位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除存在脈沖外，都是由總線控制器發(fā)出的。

（1）初始化：復位脈沖和存在脈沖

所有和DS18B20間的通信都以初始化序列開始，初始化序列如圖12所示。一個復位脈沖跟著一個存在脈沖表明DS18B20已經(jīng)準備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖 12：初始化時序

如圖所示，初始化包括兩個階段：

①復位脈沖階段：總線控制器拉低總線并保持480us以發(fā)出（TX）一個復位脈沖信號，然后釋放總線；

②檢測存在脈沖階段：當總線被釋放后，進入接收狀態(tài)（RX）。上拉電阻將總線拉到高電平。當DS18B20檢測到IO引腳上的上升沿后，等待1560us，然后發(fā)出一個由60240us低電平信號構成的存在脈沖。

（2）寫時序

DS18B20有兩種寫時序：寫1時序和寫0時序?？偩€控制器通過寫1時序來寫邏輯1；通過寫0時序來寫邏輯0。寫時序必須最少持續(xù)60us，包括兩個寫周期之間至少1us的恢復時間。當總線控制器把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉低到低電平的時候，寫時序開始（見圖13）。

圖 13：寫時序

總線控制器要寫產(chǎn)生一個寫時序，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放，且需在15us內釋放總線。當總線被釋放后，上拉電阻將總線拉高?？偩€控制器要生成寫0時隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平且繼續(xù)保持至少60us。

總線控制器初始化寫時序后，DS18B20在一個15us到60us的窗口內對信號線DQ進行采樣。如果線上是高電平，就是寫1。反之，如果線上是低電平，就是寫0。

（3）讀時序

總線控制器發(fā)起讀時序時，DS18B20僅被用來傳輸數(shù)據(jù)給控制器。因此，總線控制器在發(fā)出讀寄存器指令[BEh]或讀電源模式指令[B4h]后必須立刻開始讀時序，以便DS18B20提供請求的數(shù)據(jù)。除此之外，總線控制器在發(fā)出發(fā)送溫度轉換指令平[44h]或召回EEPROM指令[B8h]之后讀時序，詳見DS18B20功能指令節(jié)。

圖 14：讀時序

所有讀時序必須最少60us，包括兩個讀周期間至少1us的恢復時間。當總線控制把數(shù)據(jù)線從高電平拉低到低電平時，讀時序開始，數(shù)據(jù)線必須至少保持1us，然后總線被釋放（見圖14）。在總線控制器發(fā)出讀時序后，DS18B20過拉高或拉低總線上來傳輸1或0。當傳輸0結束后，總線將被釋放，通過上拉電阻回到高電平空閑狀態(tài)。從DS18B20輸出的數(shù)據(jù)在讀時序的下降沿出現(xiàn)后15us內有效。因此，總線控制器在讀時序開始15us內釋放總線然后采樣總線狀態(tài)，以讀取數(shù)據(jù)線的狀態(tài)。

3.實戰(zhàn)操作

3.1 軟件設計

本文要利用LCD1602實現(xiàn)DS18B20溫度及時間實時顯示。具體功能如下：

（1）DS18B20單總線接口驅動功能；

（2）溫度值HEX轉BCD碼功能；

（3）時鐘計時器功能；

（4）LCD1602顯示DS18B20實時溫度及時間顯示。

軟件功能模塊劃分如圖15所示。

圖15：軟件功能模塊框圖

各個模塊功能：

（1）ds18b20_test.v模塊為頂層模塊，實現(xiàn)模塊間互聯(lián)；

（2）ds18b20_driver.v實現(xiàn)芯片單總線接口通信功能；

（3）hex_bcd.v實現(xiàn)溫度值HEX轉BCD碼功能；

（4）clock_timer.v實現(xiàn)時鐘計時器功能；

（5）lcd1602_driver.v實現(xiàn)DS18B20實時溫度及時間顯示。

DS18B20接口驅動ds18b20_driver.v軟件實現(xiàn)流程圖如圖16所示。

圖16：DS18B20溫度讀取控制流程圖

3.2 測試結果

軟件下載至電路板，顯示在LCD1602上，如圖17所示，可以看到DS18B20溫度及時間已經(jīng)正確顯示。

圖17：DS18B20溫度及時間顯示