DS18B20工作原理及时序

DS18B20 工作原理及时序

DS18B20 原理与分析

 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进

型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且

可根据实际要求通过简单的编程实现 9～12 位的数字值读数方式。可以分别

在 93.75 ms 和 750 ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，并且从 DS18B20 读出的

信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来

源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电，而无需额外电

源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精

度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进，给用

户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

 1.DS18B20 简介

 (1)独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线即可

实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。

 (2)在使用中不需要任何外围元件。

 (3)可用数据线供电，电压范围：+3.0~ +5.5 V。

 (4)测温范围：-55 ~+125 ℃。固有测温分辨率为 0.5 ℃。

 (5)通过编程可实现 9~12 位的数字读数方式。

 (6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。

 (7)支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多

点测温。

 (8)负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工

作。

 DS18B20 的测温原理

 DS18B20 的测温原理如图 2 所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度

的影响很小〔1〕，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，高温度

系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2

的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度

系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启

时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数

分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置

在 -55 ℃ 所对应的一个基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉

冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将

加 1，减法计数器 1 的预置将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度

系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到 0

时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图

2 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减

法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器

值达到被测温度值，这就是 DS18B20 的测温原理。

 另外，由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，

因此读写时序很重要。系统对 DS18B20 的各种操作必须按协议进行。操作协

议为：初始化 DS18B20(发复位脉冲)→发 ROM 功能命令→发存储器

操作命令→处理数据。各种操作的时序图与 DS1820 相同，可参看文献

〔2〕。

 DS18B20 工作过程及时序

 DS18B20 内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡

器，为计数器 1 提供一频率稳定的计数脉冲。

 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器 2 提

供一个频率随温度变化的计数脉冲。

 初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当计数器 1 从预置数开始减计数到

0 时，温度寄存器中寄存的温度值就增加 1℃，这个过程重复进行，直到计数

器 2 计数到 0 时便停止。

 初始时，计数器 1 预置的是与-55℃相对应的一个预置值。以后计数器 1 每

一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性

性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器 1 的预置数也就是

在给定温度处使温度寄存器寄存值增加 1℃计数器所需要的计数个数。

 DS18B20 内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效

位。在计数器 2 停止计数后，比较器将计数器 1 中的计数剩余值转换为温度

值后与 0.25℃进行比较，若低于 0.25℃，温度寄存器的最低位就置 0;若高于

0.25℃，最低位就置 1;若高于 0.75℃时，温度寄存器的最低位就进位然后置

0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最

后位代表 0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即 0.25℃。

 温度寄存器中的温度值以 9 位数据格式表示，最高位为符号位，其余 8 位

以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这 9 位数据转存到暂存存储器

的前两个字节中，符号位占用第一字节，8 位温度数据占据第二字节。

 DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20 内部的低温度系

数振荡器能产生稳定的频率信号;同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转

换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20 进行计数，计数门开通时间由高

温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以

补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应该为 9 位，但因

符号位扩展成高 8 位，所以最后以 16 位补码形式读出。

 DS18B20 工作过程一般遵循以下协议：初始化 ROM 操作命令存储器操作

命令处理数据

 ① 初始化

 单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主机发出

一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道

DS1820 在总线上且已准备好操作。

 ② ROM 操作命令

 一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件 ROM 操作命令

之一。所有 ROM 操作命令均为 8 位长。这些命令列表如下：

 Read ROM(读 ROM)[33h]

 此命令允许总线主机读 DS18B20 的 8 位产品系列编码，唯一的 48 位序列

号，以及 8 位的 CRC。此命令只能在总线上仅有一个 DS18B20 的情况下可

以使用。如果总线上存在多于一个的从属器件，那幺当所有从片企图同时发

送时将发生数据冲突的现象(漏极开路会产生线与的结果)。

 Match ROM( 符合 ROM)[55h]

 此命令后继以 64 位的 ROM 数据序列，允许总线主机对多点总线上特定的

DS18B20 寻址。只有与 64 位 ROM 序列严格相符的 DS18B20 才能对后继的

存贮器操作命令作出响应。所有与 64 位 ROM 序列不符的从片将等待复位脉

冲。此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。

 Skip ROM( 跳过 ROM )[CCh]

 在单点总线系统中，此命令通过允许总线主机不提供 64 位 ROM 编码而访

问存储器操作来节省时间。如果在总线上存在多于一个的从属器件而且在

Skip ROM 命令之后发出读命令，那幺由于多个从片同时发送数据，会在总

线上发生数据冲突(漏极开路下拉会产生线与的效果)。

 Search ROM( 搜索 ROM)[F0h]

 当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上的器件个数或者不知

道其 64 位 ROM 编码。搜索 ROM 命令允许总线控制器用排除法识别总线上

的所有从机的 64 位编码。

 Alarm Search(告警搜索)[ECh]

 此命令的流程与搜索 ROM 命令相同。但是，仅在最近一次温度测量出现

告警的情况下，DS18B20 才对此命令作出响应。告警的条件定义为温度高于

TH 或低于 TL。只要 DS18B20 一上电，告警条件就保持在设置状态，直到

另一次温度测量显示出非告警值或者改变 TH 或 TL 的设置，使得测量值再一

次位于允许的范围之内。贮存在 EEPROM 内的触发器值用于告警。

 ③ 存储器操作命令

 Write Scratchpad(写暂存存储器)[4Eh]

 这个命令向 DS18B20 的暂存器中写入数据，开始位置在地址 2。接下来写

入的两个字节将被存到暂存器中的地址位置 2 和 3。可以在任何时刻发出复

位命令来中止写入。

 Read Scratchpad(读暂存存储器)[BEh]

 这个命令读取暂存器的内容。读取将从字节 0 开始，一直进行下去，直到

第 9(字节 8，CRC)字节读完。如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时

间发出复位命令来中止读取。

 Copy Scratchpad(复制暂存存储器)[48h]

 这条命令把暂存器的内容拷贝到 DS18B20 的 E2 存储器里，即把温度报警

触发字节存入非易失性存储器里。如果总线控制器在这条命令之后跟着发出

读时间隙，而 DS18B20 又正在忙于把暂存器拷贝到 E2 存储器，DS18B20 就

会输出一个 0，如果拷贝结束的话，DS18B20 则输出 1。如果使用寄生电

源，总线控制器必须在这条命令发出后立即起动强上拉并最少保持 10ms。

 Convert T(温度变换)[44h]

 这条命令启动一次温度转换而无需其他数据。温度转换命令被执行，而后

DS18B20 保持等待状态。如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间

隙，而 DS18B20 又忙于做时间转换的话，DS18B20 将在总线上输出 0，若温

度转换完成，则输出 1。如果使用寄生电源，总线控制器必须在发出这条命

令后立即起动强上拉，并保持 500ms。

 Recall E2(重新调整 E2)[B8h]

 这条命令把贮存在 E2 中温度触发器的值重新调至暂存存储器。这种重新

调出的操作在对 DS18B20 上电时也自动发生，因此只要器件一上电，暂存存

储器内就有了有效的数据。在这条命令发出之后，对于所发出的第一个读数

据时间片，器件会输出温度转换忙的标识：0=忙，1=准备就绪。

 Read Power Supply(读电源)[B4h]

 对于在此命令发送至 DS18B20 之后所发出的第一读数据的时间片，器件都

会给出其电源方式的信号：0=寄生电源供电，1=外部电源供电。

 ④ 处理数据

 DS18B20 的高速暂存存储器由 9 个字节组成，其分配如图 3 所示。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。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位

在前，高位在后。

 DS18B20 温度数据表

 上表是 DS18B20 温度采集转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两

个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于

或等于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度;如

果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得

到实际温度。

 温度转换计算方法举例：

 例如当 DS18B20 采集到+125℃的实际温度后，输出为 07D0H，则：

 实际温度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=1250C。

 例如当 DS18B20 采集到-55℃的实际温度后，输出为 FC90H，则应先将 11

位数据位取反加 1 得 370H(符号位不变，也不作为计算)，则：

 实际温度=370H╳0.0625=880╳0.0625=550C。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/570d92b94531b90d6c85ec3a87c24028915f8591.html