DS18B20温度传感器的工作原理和硬件设计

FPGA技术实战 2024-10-24 1786

描述

引言：通过本文可以了解DS18B20温度传感器工作原理、硬件设计、DS18B20单总线接口驱动编写。

1. 概述

DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

图1：两种封装DS18B20实物图

DS18B20数字温度传感器接线方便，经封装成后可应用于多种场合，如电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等特点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

2.原理学习

2.1 芯片概述

DS18B20数字温度计提供9到12bit分辨率的温度测量，可以通过可编程非易失性存储单元实现温度的下限和上限报警。DS18B20采用单总线协议与上位机进行通信，只需要一根信号线和一根地线。它的温度测量范围为-55℃~ +125℃(-67°F to +257°F)。在-10℃~70℃范围内的测试精度可以达到±0.5℃。此外它还可以工作在寄生模式下，直接通过信号线对芯片供电，从而不需要额外的供电电源。每个DS18B20都有一个全球唯一的64位序列号，可以将多个DS18B20串联在同一跟单总线上进行组网，只需要一个处理器就可以控制分布在大面积区域中的多颗DS18B20。这种组网方式特别适合HVAC环境控制，建筑、设备、粮情测温和工业测温以及过程监测控制等应用领域。

2.2 管脚描述

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图2：常见封装管脚定义

DS18B20管脚描述如下表所示。

表1：DS18B20管脚描述

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2.3 芯片内部结构

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图3：DS18B20内部结构

2.4 硬件设计

DS18B20可以通过管脚VDD外部电源供电，也可以工作于寄生电源模式。

（1）寄生电源模式硬件设计

如图所示，当总线处于高电平状态，DQ与外部上拉电阻连接通过单总线对器件供电。同时处于高电平状态的总线信号对内部电容（Cpp）充电（如图3所示），在总线处于低电平状态时，该电容提供能量给器件，该提供能量的方式成为“寄生电源”。当DS18B20处于寄生电源模式时，VDD管脚必须接地。

寄生电源模式下，单总线和CPP在大部分操作中能够提供充分的满足规定时序和电压的电流（见直流电特性和交流电特性节）给DS18B20。然而，当DS18B20正在执行温度转换或从寄存器向EEPROM传送数据时，工作电流可高达1.5mA。这个电流可能会引起连接在单总线上的弱上拉电阻不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时CPP无法提供。为了保证DS18B20有充足的供电，当进行温度转换或复制数据到EEPORM操作时，必须给单总线提供一个强上拉，采用MOSFET直接把总线上拉到电源上的方式实现，如图4所示。

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图4：温度转换器件寄生电源模式硬件设计

（2）外部供电模式硬件设计

对DS18B20供电的另外一种方法是传统的从VDD管脚接入一个外部电源，如图5所示。这样做的好处是单总线上不需要强上拉，而且总线不用在温度转换期间总保持高电平。

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图5：使用外部电源供电硬件设计

寄生电源模式在远距离测试或空间受限的应用场合是非常有用的。

对于温度高于100℃时，不推荐使用寄生电源，因为DS18B20在这种温度下表现出的漏电流比较大，通信可能无法进行。在类似这种温度的情况下，强烈推荐使用DS18B20的VDD管脚供电。

2.5 寄存器详解

（1） 64bit只读寄存器

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图6：64bit ROM编码

每颗DS18B20都有一个全球唯一的存储在ROM中的64位编码。最低8bit是单线系列编码：28h。接着的48位是一个唯一的序列号。最后高8bit是低56bit编码的CRC编码。CRC的详细解释见CRC发生器节。64位ROM和ROM操作控制区允许DS18B20作为单总线器件并按照详述于单总线系统节的单总线协议工作。

（2）存储器结构

DS18B20的存储器结构如图7所示。

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图7：DS18B20的存储器结构

（1）byte0和byte1：分别为温度寄存器的LSB和MSB，这两个字节的存储器为只读存储器；

这个两个字节寄存器用来存储温度传感器输出的数据，寄存器格式如图8所示。

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图8：温度寄存器格式

温度与数据数据格式对应关系如图9所示。"S"bit表示温度符号位，上电复位时，温度寄存器默认值为+85℃。

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图9：温度/数据关系

（2）byte2和byte3：是TH和TL，注意当报警功能不能使用时，TH和TL寄存器可以被当作普通寄存器使用。TH，TL和配置寄存器均为非易失性的可擦除寄存器（EEPROM），该存储的数据在器件掉电后不会消失。

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图10：TH，TL寄存器格式

（3）byte4：配置寄存器。

配置寄存器允许用户将温度测量分辨率设定为9，10，11或12位，对应的温度分辨率分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，芯片在上电状态下默认的精度为12位。

配置寄存器的bit7和bit0到bit4被器件保留，禁止写入；在读数据时，它们全部表现为逻辑1。

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图11：配置寄存器格式

表2：传感器精度配置表

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（4）byte5：被器件保留，禁止写入。

（5）byte6和byte7：用户可以使用；

（6）byte8：只读，包含以上八个字节的CRC码。

2.6 DS18B20操作流程

通过单总线访问DS18B20的执行步骤如下：

步骤1：初始化；

步骤2：ROM操作指令；

步骤3：DS18B20功能指令。

每一次DS18B20的操作都必须满足以上步骤，若是缺少步骤或是顺序混乱，器件将不会有返回值。搜索ROM命令和报警搜索命令除外。当这两个命令执行时，主控制器必须返回步骤1。

2.7 单总线协议详解

DS18B20采用单总线协议，通过一个单线端口通信。DS18B20需要严格的单总线协议以确保数据的完整性。协议定义了几种单总线信号的类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。

（1）初始化：复位脉冲和存在脉冲

所有和DS18B20间的通信都以初始化序列开始，初始化序列如图12所示。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送和接收数据。

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图 12：初始化时序

如图所示，初始化包括两个阶段：

①复位脉冲阶段：总线控制器拉低总线并保持480us以发出（TX）一个复位脉冲信号，然后释放总线；

②检测存在脉冲阶段：当总线被释放后，进入接收状态（RX）。上拉电阻将总线拉到高电平。当DS18B20检测到IO引脚上的上升沿后，等待1560us，然后发出一个由60240us低电平信号构成的存在脉冲。

（2）写时序

DS18B20有两种写时序：写1时序和写0时序。总线控制器通过写1时序来写逻辑1；通过写0时序来写逻辑0。写时序必须最少持续60us，包括两个写周期之间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从逻辑高电平拉低到低电平的时候，写时序开始（见图13）。

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图 13：写时序

总线控制器要写产生一个写时序，必须把数据线拉到低电平然后释放，且需在15us内释放总线。当总线被释放后，上拉电阻将总线拉高。总线控制器要生成写0时隙，必须把数据线拉到低电平且继续保持至少60us。

总线控制器初始化写时序后，DS18B20在一个15us到60us的窗口内对信号线DQ进行采样。如果线上是高电平，就是写1。反之，如果线上是低电平，就是写0。

（3）读时序

总线控制器发起读时序时，DS18B20仅被用来传输数据给控制器。因此，总线控制器在发出读寄存器指令[BEh]或读电源模式指令[B4h]后必须立刻开始读时序，以便DS18B20提供请求的数据。除此之外，总线控制器在发出发送温度转换指令平[44h]或召回EEPROM指令[B8h]之后读时序，详见DS18B20功能指令节。

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图 14：读时序

所有读时序必须最少60us，包括两个读周期间至少1us的恢复时间。当总线控制把数据线从高电平拉低到低电平时，读时序开始，数据线必须至少保持1us，然后总线被释放（见图14）。在总线控制器发出读时序后，DS18B20过拉高或拉低总线上来传输1或0。当传输0结束后，总线将被释放，通过上拉电阻回到高电平空闲状态。从DS18B20输出的数据在读时序的下降沿出现后15us内有效。因此，总线控制器在读时序开始15us内释放总线然后采样总线状态，以读取数据线的状态。

3.实战操作

3.1 软件设计

本文要利用LCD1602实现DS18B20温度及时间实时显示。具体功能如下：

（1）DS18B20单总线接口驱动功能；

（2）温度值HEX转BCD码功能；

（3）时钟计时器功能；

（4）LCD1602显示DS18B20实时温度及时间显示。

软件功能模块划分如图15所示。

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图15：软件功能模块框图

各个模块功能：

（1）ds18b20_test.v模块为顶层模块，实现模块间互联；

（2）ds18b20_driver.v实现芯片单总线接口通信功能；

（3）hex_bcd.v实现温度值HEX转BCD码功能；

（4）clock_timer.v实现时钟计时器功能；

（5）lcd1602_driver.v实现DS18B20实时温度及时间显示。

DS18B20接口驱动ds18b20_driver.v软件实现流程图如图16所示。

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图16：DS18B20温度读取控制流程图

3.2 测试结果

软件下载至电路板，显示在LCD1602上，如图17所示，可以看到DS18B20温度及时间已经正确显示。

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图17：DS18B20温度及时间显示

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