摘  要：DS18B20是DALLAS公司生產的單線數字溫度傳感器，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計，具有接口簡單、精度高、抗干擾能力強、工作穩定可靠等特點。
    關鍵詞：DS18B20；單線制；溫度傳感器；單片機
    DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20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據總線，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可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、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）可用數據線供電，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9~12位的數字讀數方式。
    （6）用戶可自設定非易失性的報警上下限值。
    （7）支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點測溫。
    （8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。?
    2.DS18B20的內部結構
    DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖1所示。

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    (1) 64 b閃速ROM的結構如下：

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    開始8位是產品類型的編號，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。數據先寫入RAM，經校驗后再傳給E?2RAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節，他的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率，DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換為相應精度的數值。該字節各位的定義如下：
          
    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決定溫度轉換的精度位數，即是來設置分辨率，如表1所示（DS18B20出廠時被設置為12位）。? 

           
    由表1可見，設定的分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間就越長。因此，在實際應用中要在分辨率和轉換時間權衡考慮。
    高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節組成，其分配如下所示。其中溫度信息（第1，2字節）、TH和TL值第3，4字節、第6～8字節未用，表現為全邏輯1；第9字節讀出的是前面所有8個字節的CRC碼，可用來保證通信正確。

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    當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉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。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，數據格式以0?062 5 ℃/LSB形式表示。溫度值格式如下：

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    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，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。表2是對應的一部分溫度值。

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    DS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與TH，TL作比較，若T>TH或T<TL,則將該器件內的告警標志置位，并對主機發出的告警搜索命令作出響應。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行告警搜索。
    (4) CRC的產生
    在64 b ROM的最高有效字節中存儲有循環冗余校驗碼（CRC）。主機根據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數據是否正確。? 

            
    3.DS18B20的測溫原理
    DS18B20的測溫原理如圖2所示，圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小［1］，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1，高溫度系數晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖后進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在?-55 ℃?所對應的一個基數值。減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數器1的預置將重新被裝入，減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到減法計數器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器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過程，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。系統對DS18B20的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20（發復位脈沖）→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。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，因此發送接收口必須是三態的。主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。假設單片機系統所用的晶振頻率為12 MHz，根據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（命令或數據）子程序，READ為讀數據子程序，所有的數據讀寫均由最低位開始，實際在實驗中不用這種方式，只要在數據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有諸多優點，但使用起來并非易事，由于采用單總線數據傳輸方式，DS18B20的數據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的整數倍，因此可編寫一個DELAY15（n）函數，源碼如下：
                     
    只要用該函數進行大約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、溫度轉換及顯示等操作。?
6.結語
    我們已成功地將DS18B20應用于所開發的“LCD顯示氣溫”的控制系統中，其測溫系統簡單，測溫精度高，連接方便，占用口線少，轉換速度快，與微處理器的接口簡單，給硬件設計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發周期。

作者簡介：

趙海蘭?  江蘇張家港 沙洲職業工學院

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  設計［J］單片機與嵌入式系統應用，2002，(7)
［2］金偉正?單線數字溫度傳感器的原理與應用?［J］.電子技術應用，2000，（6）：6668?