DS18B20温度传感器的工作原理_基于ds18b20的温度报警仿真

2022-09-30 20:47:52 浏览数 (1)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

数字温度传感器（DS18B20）

DS18B20是一款常用的高精度的单总线数字温度测量芯片。具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

传感器参数

  • 测温范围为-55℃到 125℃，在-10℃到 85℃范围内误差为±0.4°。
  • 返回16位二进制温度数值
  • 主机和从机通信使用单总线，即使用单线进行数据的发送和接收
  • 在使用中不需要任何外围元件，独立芯片即可完成工作。
  • 掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，通过配置寄存器可以设定数字转换精度和报警温度，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
  • 每个DS18B20都有独立唯一的64位-ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18b20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值
  • 宽电压供电，电压2.5V~5.5V
  • DS18B20返回的16位二进制数代表此刻探测的温度值，其高五位代表正负。如果高五位全部为1，则代表返回的温度值为负值。如果高五位全部为0，则代表返回的温度值为正值。后面的11位数据代表温度的绝对值，将其转换为十进制数值之后，再乘以0.0625即可获得此时的温度值。

传感器引脚及原理图

DS18B20传感器的引脚及封装图如下:

DS18B20一共有三个引脚，分别是：

  • GND：电源地线
  • DQ：数字信号输入／输出端。
  • VDD：外接供电电源输入端。

单个DS18B20接线方式： VDD接到电源，DQ接单片机引脚，同时外加上拉电阻，GND接地

注意这个上拉电阻是必须的，就是DQ引脚必须要一个上拉电阻

DS18B20上拉电阻

首先我们要知道什么是漏极开路：

首先看一下 场效应管（MOSFET）

场效应管 是电压控制型元器件，只要对栅极施加一定电压，DS就会导通。

漏极开路：MOS管的栅极G和输入连接，源极S接公共端，漏极D悬空（开路）什么也没有接，直接输出 ，这时只能输出低电平和高阻态，不能输出高电平。

那么这个时候会出现三种情况：

  1. 图a为正常输出（内有上拉电阻）：场效应管导通时，输出低电位输出低电位，截止时输出高电位。
  2. 图b为漏极开路输出，外接上拉电阻：场效应管导通时，驱动电流是从外部的VCC流经电阻通过MOSFET到GND，输出低电位，截止时输出高电位。
  3. 图c为漏极开路输出，无外接上拉电阻：场效应管导通时输出低电位，截止呈高阻态(断开)。

总结：

开漏输出只能输出低电平，不能输出高电平。漏极开路输出高电平时必须在输出端与正电源（VCC）间外接一个上拉电阻。否则只能输出高阻态。

DS18B20 是单线通信，即接收和发送都是这个通信脚进行的。 其接收数据时为高电阻输入，其发送数据时是开漏输出，本身不具有输出高电平的能力，即输出0时通过MOS下拉为低电平，而输出1时，则为高阻，需要外接上拉电阻将其拉为高电平。 因此，需要外接上拉电阻，否则无法输出1。

外接上拉电阻阻值：

DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ，

所以正常选择4.7K电阻，或者相近的电阻值。

DS18B20寄生电源

DSl8B20的另一个特点是不需要再外部供电下即可工作。当总线高电平时能量由单线上拉电阻经过DQ引脚获得。高电平同时充电一个内部电容，当总线低电平时由此电容供应能量。这种供电方法被称为“寄生电源”。另外一种选择是DSl8B20由接在VDD的外部电源供电

DS18B20内部构成

主要由以下3部分组成： 64 位ROM，高速暂存器，存储器

64 位ROM存储独有的序列号

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

高速暂存器包含：

  • 温度传感器
  • 一个字节的温度上限和温度下限报警触发器(TH和TL)
  • 配置寄存器允许用户设定9位，10位，11位和12位的温度分辨率，分别对应着温度的分辨率为：0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，默认为12位分辨率，

存储器：由一个高速的RAM和一个可擦除的EEPROM组成，EEPROM存储高温和低温触发器(TH和TL)以及配置寄存器的值，(就是存储低温和高温报警值以及温度分辨率)

DS18B20高速缓存器

高速暂存器由9个字节组成

  • 字节0~1 是温度存储器，用来存储转换好的温度。第0个字节存储温度低8位，第一个字节存储温度高8位
  • 字节2~3 是用户用来设置最高报警和最低报警值(TH和TL)。
  • 字节4 是配置寄存器，用来配置转换精度，可以设置为9~12 位。
  • 字节5~7 保留位。芯片内部使用
  • 字节8 CRC校验位。是64位ROM中的前56位编码的校验码。由CRC发生器产生。

DS18B20温度读取与计算

DS18B20采用16位补码的形式来存储温度数据，温度是摄氏度。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。

高字节的五个S为符号位，温度为正值时S=1,温度为负值时S=0

剩下的11位为温度数据位，对于12位分辨率，所有位全部有效，对于11位分辨率，位0(bit0)无定义，对于10位分辨率，位0和位1无定义,对于9位分辨率，位0，位1，和位2无定义

对应的温度计算：

当五个符号位S=0时，温度为正值，直接将后面的11位二进制转换为十进制，再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值;

当五个符号位S=1时，温度为负值，先将后面的11位二进制补码变为原码(符号位不变，数值位取反后加1)，再计算十进制值。再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值;

例如：

125℃的数字输出07D0(00000111 11010000) 转换成10进制是2000，对应摄氏度：0.0625×2000=125°C

-55℃的数字输出为 FC90。 首先取反，然后 1，转换成原码为：11111011 01101111 数值位转换成10进制是870，对应摄氏度：-0.0625×870=-55°C

代码：

代码语言：javascript复制
unsigned int Templ,Temp2,Temperature;  //Templ低八位，Temp2高八位
unsigned char Minus Flag=0;  //负温度标志位
if（Tenp2＆0xFC）//判断符号位是否为1
{ 

Minus Flag=l; //负温度标志位置1
Temperature=((Temp2<<8)|Temp1); //高八位第八位进行整合
Temperature=((Temperature) 1); //讲补码转换为原码，求反，补1
Temperature*=0.0625;//求出十进制
}
else   //温度为正值
{ 

Minus Flag=0;  //负温度标志位置0
Temperature =((Temp2<<8) |Temp1)*0.0625;
}

配置寄存器

在配置寄存器中，我们可以通过R0和R1设置DS18B20的转换分辨率，DS18B20在上电后默认R0=1和R1=1(12分辨率)，寄存器中的第7位和第0位到4位保留给设备内部使用。

单总线系统

在每个DS18B20内部都有一个唯一的64位长的序列号，这个序列号值就存在DS18B20内部的ROM中。开始的8位是产品类型编码(DS18B20是28H)，接着的48位是每个器件唯一的序号，最后的8位是CRC校验码。

一线总线系统使用单总线主控来控制一个或多个从机设备。每个DS18B20都有独立唯一的64位-ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18b20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值。

DS18B20工作步骤

DS18B20的工作步骤可以分为三步：

1.初始化DS18B20 2.执行ROM指令 3.执行DS18B20功能指令

其中第二步执行ROM指令，也就是访问每个DS18B20，搜索64位序列号，读取匹配的序列号值，然后匹配对应的DS18B20，如果我们仅仅使用单个DS18B20，可以直接跳过ROM指令。而跳过ROM指令的字节是0xCC。

1.初始化DS18B20

任何器件想要使用，首先就是需要初始化，对于DS18B20单总线设备，首先初始化单总线为高电平，然后总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平。

初始化具体时序步骤如下:

  • 1.单片机拉低总线至少480us，产生复位脉冲，然后释放总线（拉高电平）。
  • 2.这时DS8B20检测到请求之后，会拉低信号，大约60~240us表示应答。
  • 3.DS8B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示初始化成功
  • 4.DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线。

代码如下:

代码语言：javascript复制
/*****初始化DS18B20*****/
unsigned int Init_DS18B20(void)
{ 

unsigned int x=0;
DQ = 1;      //DQ复位
delay(4);    //稍做延时
DQ = 0;      //单片机将DQ拉低
delay(60);   //精确延时，大于480us
DQ = 1;      //拉高总线
delay(8);
x = DQ;      //稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败
delay(4);
return x;
}
2.写时序

总线控制器通过控制单总线高低电平持续时间从而把逻辑1或0写DS18B20中。每次只传输1位数据

单片机想要给DS18B20写入一个0时，需要将单片机引脚拉低，保持低电平时间要在60~120us之间，然后释放总线 单片机想要给DS18B20写入一个1时，需要将单片机引脚拉低，拉低时间需要大于1us，然后在15us内拉高总线.

在写时序起始后15μs到60μs期间，DS18B20处于采样单总线电平状态。如果在此期间总线为高电平，则向DS18B20写入1;如果总线为低电平，则向DSl8B20写入0。

注意：2次写周期之间至少间隔1us

代码语言：javascript复制
/*****写一个字节*****/
void WriteOneChar(unsigned char dat)
{ 

unsigned char i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{ 

DQ = 0;
DQ = dat&0x01;  //与1按位与运算，dat最低位为1时DQ总线为1，dat最低位为0时DQ总线为0
delay(4);
DQ = 1;
dat>>=1;
}
delay(4);
}

DS18B20写入的功能命令：

ROM指令：

采用多个DS18B20时，需要写ROM指令来控制总线上的某个DS18B20 如果是单个DS18B20,直接写跳过ROM指令0xCC即可

RAM指令，DS18B20的一些功能指令

常用的是：

温度转换 0x44

开启温度读取转换，读取好的温度会存储在高速暂存器的第0个和第一个字节中

读取温度 0xBE 读取高速暂存器存储的数据

读时序

读时隙由主机拉低总线电平至少1μs然后再释放总线，读取DS18B20发送过来的1或者0

DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。

注意：所有读时隙必须至少需要60us，且在两次独立的时隙之间至少需要1ps的恢复时间

同时注意：主机只有在发送读暂存器命令(0xBE)或读电源类型命令(0xB4)后，立即生成读时隙指令，DS18B20才能向主机传送数据。 也就是先发读取指令，再发送读时隙

最后一点： 写时序注意是先写命令的低字节，比如写入跳过ROM指令0xCC(11001100),写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”，

读时序时是先读低字节，在读高字节，也就是先读取高速暂存器的第0个字节(温度的低8位)，在读取高速暂存器的第1个字节(温度的高8位) 我们正常使用DS18B20读取温度读取两个温度字节即可

51例程

代码语言：javascript复制
sbit DQ=P1^0;	//定义DS18b20的管脚
/*****延时子程序*****/
void delay(unsigned int t)
{ 

for(;t>0;t--);
}
/*****初始化DS18B20*****/
unsigned char Init_DS18B20(void)
{ 

unsigned char x=0;
DQ = 1;      //DQ复位
delay(8);    //稍做延时
DQ = 0;      //单片机将DQ拉低
delay(80);   //精确延时，大于480us
DQ = 1;      //拉高总线
delay(8);
x = DQ;      //稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败
delay(4);
return x;
}
/*****读一个字节*****/
unsigned char ReadOneChar(void)
{ 

unsigned char i=0;
unsigned char dat = 0;
for (i=8;i>0;i--)
{ 

DQ = 0;     // 给脉冲信号
dat>>=1;
DQ = 1;     // 给脉冲信号
if(DQ)
dat|=0x80;
delay(4);
}
return(dat);
}
/*****写一个字节*****/
void WriteOneChar(unsigned char dat)
{ 

unsigned char i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{ 

DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
delay(4);
DQ = 1;
dat>>=1;
}
delay(4);
}
/*****读取温度*****/
int ReadTemperature(void)
{ 

unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned int t=0;
t=Init_DS18B20();
if(t) return Real_temp;
WriteOneChar(0xCC);  //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0x44);  //启动温度转换
t=Init_DS18B20();
if(t) return Real_temp;
WriteOneChar(0xCC);  //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0xBE);  //读取温度寄存器
a=ReadOneChar();     //读低8位
b=ReadOneChar();     //读高8位
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
if(t<=0||t>0x900) 
return Real_temp;
t=t*0.625 0.5;
return(t);
}

STM32例程

DS18B20.C

代码语言：javascript复制
#include "ds18b20.h"
#include "delay.h" 
//复位DS18B20
void DS18B20_Rst(void)	   
{ 
                 
DS18B20_IO_OUT(); 	//SET PG11 OUTPUT
DS18B20_DQ_OUT=0; 	//拉低DQ
delay_us(750);    	//拉低750us
DS18B20_DQ_OUT=1; 	//DQ=1 
delay_us(15);     	//15US
}
//等待DS18B20的回应
//返回1:未检测到DS18B20的存在
//返回0:存在
u8 DS18B20_Check(void) 	   
{ 
   
u8 retry=0;
DS18B20_IO_IN();	//SET PG11 INPUT 
while (DS18B20_DQ_IN&&retry<200)
{ 

retry  ;
delay_us(1);
};	 
if(retry>=200)return 1;
else retry=0;
while (!DS18B20_DQ_IN&&retry<240)
{ 

retry  ;
delay_us(1);
};
if(retry>=240)return 1;	    
return 0;
}
//从DS18B20读取一个位
//返回值：1/0
u8 DS18B20_Read_Bit(void) 	 
{ 

u8 data;
DS18B20_IO_OUT();	//SET PG11 OUTPUT
DS18B20_DQ_OUT=0; 
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT=1; 
DS18B20_IO_IN();	//SET PG11 INPUT
delay_us(12);
if(DS18B20_DQ_IN)data=1;
else data=0;	 
delay_us(50);           
return data;
}
//从DS18B20读取一个字节
//返回值：读到的数据
u8 DS18B20_Read_Byte(void)     
{ 
        
u8 i,j,dat;
dat=0;
for (i=1;i<=8;i  ) 
{ 

j=DS18B20_Read_Bit();
dat=(j<<7)|(dat>>1);
}						    
return dat;
}
//写一个字节到DS18B20
//dat：要写入的字节
void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)     
{ 
             
u8 j;
u8 testb;
DS18B20_IO_OUT();	//SET PG11 OUTPUT;
for (j=1;j<=8;j  ) 
{ 

testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if (testb) 
{ 

DS18B20_DQ_OUT=0;	// Write 1
delay_us(2);                            
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(60);             
}
else 
{ 

DS18B20_DQ_OUT=0;	// Write 0
delay_us(60);             
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(2);                          
}
}
}
//开始温度转换
void DS18B20_Start(void) 
{ 
   						               
DS18B20_Rst();	   
DS18B20_Check();	 
DS18B20_Write_Byte(0xcc);	// skip rom
DS18B20_Write_Byte(0x44);	// convert
} 
//初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS的存在
//返回1:不存在
//返回0:存在 
u8 DS18B20_Init(void)
{ 

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);	 //使能PORTG口时钟 
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;				//PORTG.11 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 		  
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_11);    //输出1
DS18B20_Rst();
return DS18B20_Check();
}  
//从ds18b20得到温度值
//精度：0.1C
//返回值：温度值 （-550~1250） 
short DS18B20_Get_Temp(void)
{ 

u8 temp;
u8 TL,TH;
short tem;
DS18B20_Start ();  			// ds1820 start convert
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();	 
DS18B20_Write_Byte(0xcc);	// skip rom
DS18B20_Write_Byte(0xbe);	// convert 
TL=DS18B20_Read_Byte(); 	// LSB 
TH=DS18B20_Read_Byte(); 	// MSB 
if(TH>7)
{ 

TH=~TH;
TL=~TL; 
temp=0;					//温度为负 
}else temp=1;				//温度为正 
tem=TH; 					//获得高八位
tem<<=8;    
tem =TL;					//获得底八位
tem=(float)tem*0.625;		//转换 
if(temp)return tem; 		//返回温度值
else return -tem;    
}

DS18B20.H

代码语言：javascript复制
#ifndef __DS18B20_H
#define __DS18B20_H 
#include "sys.h" 
//IO方向设置
#define DS18B20_IO_IN() { 
GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=8<<12;}
#define DS18B20_IO_OUT() { 
GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=3<<12;}
IO操作函数 
#define DS18B20_DQ_OUT PGout(11) //数据端口 PA0 
#define DS18B20_DQ_IN PGin(11) //数据端口 PA0 
u8 DS18B20_Init(void);//初始化DS18B20
short DS18B20_Get_Temp(void);//获取温度
void DS18B20_Start(void);//开始温度转换
void DS18B20_Write_Byte(u8 dat);//写入一个字节
u8 DS18B20_Read_Byte(void);//读出一个字节
u8 DS18B20_Read_Bit(void);//读出一个位
u8 DS18B20_Check(void);//检测是否存在DS18B20
void DS18B20_Rst(void);//复位DS18B20 
#endif

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