DS18B20的結構與工作原理|壹芯微

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93.75ms和750ms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。

DS18B20

1.主要特性

(1)適應電壓范圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。

(2)DS18B20與微處理器之間僅需要—條口線即可雙向通訊。

(3)支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯—的三線上，實現組網多點測溫。

(4)不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在外形如一只三極管的電路內。

(5)測溫范圍-55℃～+125℃，在-lO℃～+85℃時精度為±0.5℃。

(6)可編程的分辨率為9位～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現高精度測溫。

(7)在9位分辨率時，最多93.75ms便可把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多750ms便可把溫度值轉換為數字。

(8)直接輸出數字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

(9)電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。

(10)3DS18B20遵循單總線協議，每次測溫時必須有初始化、傳送ROM命令、傳送RAM命令、數據交換等4個過程。

2.內外結構

DS18B20的外部結構如圖所示。其中，VDD為電源輸入端，DQ為數字信號輸入/輸出端，GND為電源地。

DS18B20外部結構

DS18B20內部結構主要包括4部分：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器，如圖所示。

DS18B20內部結構

64位ROM中，在產品出廠前就被廠家通過光刻刻錄好了64位序列號。該序列號可以看作是DS18B20的地址序列碼，用來區分每一個DS18B20，從而更好地實現對現場溫度的多點測量。

3.部件介紹

3.1存儲器

DS18B20的存儲器包括高速暫存器RAM和可電擦除RAM，可電擦除RAM又包括溫度觸發器TH和TL，以及一個配置寄存器。存儲器能完整的確定一線端口的通訊，數字開始用寫寄存器的命令寫進寄存器，接著也可以用讀寄存器的命令來確認這些數字。當確認以后就可以用復制寄存器的命令來將這些數字轉移到可電擦除RAM中。當修改過寄存器中的數時，這個過程能確保數字的完整性。

高速暫存器RAM是由8個字節的存儲器組成;。用讀寄存器的命令能讀出第九個字節，這個字節是對前面的八個字節進行校驗。

3.264-位光刻ROM

64位光刻ROM的前8位是DS18B20的自身代碼，接下來的48位為連續的數字代碼，最后的8位是對前56位的CRC校驗。64-位的光刻ROM又包括5個ROM的功能命令：讀ROM，匹配ROM，跳躍ROM，查找ROM和報警查找。

3.3外部電源的連接

DS18B20可以使用外部電源VDD，也可以使用內部的寄生電源。當VDD端口接3.0V—5.5V的電壓時是使用外部電源;當VDD端口接地時使用了內部的寄生電源。無論是內部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電阻。

3.4配置寄存器

配置寄存器是配置不同的位數來確定溫度和數字的轉化。

可以知道R1，R0是溫度的決定位，由R1，R0的不同組合可以配置為9位，10位，11位，12位的溫度顯示。這樣就可以知道不同的溫度轉化位所對應的轉化時間，四種配置的分辨率分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃，出廠時以配置為12位。

3.5溫度的讀取

DS18B20在出廠時以配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，前5個位為符號位，當前5位為1時，讀取的溫度為負數;當前5位為0時，讀取的溫度為正數。溫度為正時讀取方法為：將16進制數轉換成10進制即可。溫度為負時讀取方法為：將16進制取反后加1，再轉換成10進制即可。例：0550H=+85度，FC90H=-55度。

4.工作原理

DS18B20測溫原理圖

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s減為750ms。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，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。

本文總結了DS1820的特性、結構以及工作原理。DS1820主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。

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