測溫芯片DS18B20溫度傳感器詳細解讀

　　大家好，首先感謝大家對我前幾天發(fā)布的“Remind BOX”DIY實例帖的支持和捧場，在此謝過了。我今天要發(fā)一篇技術(shù)帖，是關(guān)于DS18B20這款強大的測溫芯片的技術(shù)帖。本帖將從不同角度幫助廣大不熟 悉DS18B20測溫芯片的壇友更加了解這款芯片，也希望已經(jīng)或者將要用到這款芯片的壇友可以更加順利地完成自己的DIY作品。（聲明：本帖中所涉及的圖 片資源均為本人一筆一筆畫出來的，未經(jīng)允許，請勿轉(zhuǎn)載）言歸正傳，下面開始技術(shù)部分。

　　第一部分：DS18B20的封裝和管腳定義

　　首先，我們來認識一下DS18B20這款芯片的外觀和針腳定義，DS18B20芯片的常見封裝為TO-92，也就是普通直插三極管的樣子，當然也可以找 到以SO（DS18B20Z）和μSOP（DS18B20U）形式封裝的產(chǎn)品，下面為DS18B20各種封裝的圖示及引腳圖。

　　了解了這些該芯片的封裝形式，下面就要說到各個管腳的定義了，如下表即為該芯片的管腳定義：

　　上面的表中提到了一個“奇怪”的詞——“寄生電源”，那我有必要說明一下了，DS18B20芯片可以工作在“寄生電源模式”下，該模式允許 DS18B20工作在無外部電源狀態(tài)，當總線為高電平時，寄生電源由單總線通過VDD 引腳，此時DS18B20可以從總線“竊取”能量，并將“偷來”的能量儲存到寄生電源儲能電容（Cpp）中，當總線為低電平時釋放能量供給器件工作使用。 所以，當DS18B20工作在寄生電源模式時，VDD引腳必須接地。

　　第二部分：DS18B20的多種電路連接方式

　　如下面的兩張圖片所示，分別為外部供電模式下單只和多只DS18B20測溫系統(tǒng)的典型電路連接圖。

　?。?）外部供電模式下的單只DS18B20芯片的連接圖

　　這里需要說明的是，DS18B20芯片通過達拉斯公司的單總線協(xié)議依靠一個單線端口通訊，當全部器件經(jīng)由一個三態(tài)端口或者漏極開路端口與總線連接時，控 制線需要連接一個弱上拉電阻。在多只DS18B20連接時，每個DS18B20都擁有一個全球唯一的64位序列號，在這個總線系統(tǒng)中，微處理器依靠每個器 件獨有的64位片序列號辨認總線上的器件和記錄總線上的器件地址，從而允許多只DS18B20同時連接在一條單線總線上，因此，可以很輕松地利用一個微處 理器去控制很多分布在不同區(qū)域的DS18B20，這一特性在環(huán)境控制、探測建筑物、儀器等溫度以及過程監(jiān)測和控制等方面都非常有用。

　　對 于DS18B20的電路連接，除了上面所說的傳統(tǒng)的外部電源供電時的電路連接圖，DS18B20也可以工作在“寄生電源模式”，而下圖則表示了 DS18B20工作在“寄生電源模式”下的電路連接圖。沒錯，這樣就可以使DS18B20工作在寄生電源模式下了，不用額外的電源就可以實時采集到位于多 個地點的溫度信息了。

　　第三部分：DS18B20內(nèi)部寄存器解析及工作原理

　　介紹完DS18B20的封裝、針腳定義和連接方式后，我們有必要了解DS18B20芯片的各個控制器、存儲器的相關(guān)知識，如下圖所示，為DS18B20內(nèi)部主要寄存器的結(jié)果框圖。

　　結(jié)合圖中的內(nèi)部寄存器框圖，我們先簡單說一下DS18B20芯片的主要寄存器工作流程，而在對DS18B20工作原理進行詳細說明前，有必要先上幾張相關(guān)圖片：

　?。?）DS18B20內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)圖

　?。?）DS18B20主要寄存器數(shù)據(jù)格式圖示

　　（3）DS18B20通訊指令圖

　　了解了這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細節(jié)，下面說一下DS18B20芯片的工作原理。

　　DS18B20啟動后將進入低功耗等待狀態(tài)，當需要執(zhí)行溫度測量和AD轉(zhuǎn)換時，總線控制器（多為單片機）發(fā)出［44H］指令完成溫度測量和AD轉(zhuǎn)換（其 他功能指令見上面的指令表），DS18B20將產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)的形式存儲到高速暫存器的溫度寄存器中，然后，DS18B20繼續(xù)保持等待狀態(tài)。 當DS18B20芯片由外部電源供電時，總線控制器在溫度轉(zhuǎn)換指令之后發(fā)起“讀時隙”（詳見本帖的“DS18B20時隙圖”），從而讀出測量到的溫度數(shù)據(jù) 通過總線完成與單片機的數(shù)據(jù)通訊（DS18B20正在溫度轉(zhuǎn)換中由DQ引腳返回0，轉(zhuǎn)換結(jié)束則返回1。如果DS18B20由寄生電源供電，除非在進入溫度 轉(zhuǎn)換時總線被一個強上拉拉高，否則將不會有返回值）。另外，DS18B20在完成一次溫度轉(zhuǎn)換后，會將溫度值與存儲在TH（高溫觸發(fā)器）和TL（低溫觸發(fā) 器）中各一個字節(jié)的用戶自定義的報警預(yù)置值進行比較，寄存器中的S標志位（詳見寄存器格式圖示中的“TH和TL寄存器格式”圖示）指出溫度值的正負 （S=0時為正，S=1時為負），如果測得的溫度高于TH或者低于TL數(shù)值，報警條件成立，DS18B20內(nèi)部將對一個報警標識置位，此時，總線控制器通 過發(fā)出報警搜索命令［ECH］檢測總線上所有的DS18B20報警標識，然后，對報警標識置位的DS18B20將響應(yīng)這條搜索命令。

　　第四部分：針對DS18B20的單片機編程

　　針對DS18B20的編程，可以理解為總線控制器通過相關(guān)指令操作器件或者器件中的相應(yīng)寄存器，從而完成器件也總線控制器的數(shù)據(jù)通信，所以要真正搞定 DS18B20的通訊編程，還需要詳細的了解該芯片的各種寄存器結(jié)構(gòu)、寄存器數(shù)據(jù)格式和相關(guān)的指令系統(tǒng)，下面我們就結(jié)合上面圖示，說說DS18B20的內(nèi) 部存儲器結(jié)構(gòu)。

　　DS18B20的每個暫存器都有8bit存儲空間，用來存儲相應(yīng)數(shù)據(jù)，其中byte0和byte1分別為溫度數(shù)據(jù)的低位 和高位，用來儲存測量到的溫度值，且這兩個字節(jié)都是只讀的;byte2和byte3為TH、TL告警觸發(fā)值的拷貝，可以在從片內(nèi)的電可擦可編程只讀存儲器 EEPROM中讀出，也可以通過總線控制器發(fā)出的［48H］指令將暫存器中TH、TL的值寫入到EEPROM，掉電后EEPROM中的數(shù)據(jù)不會丟 失;byte4的配置寄存器用來配置溫度轉(zhuǎn)換的精確度（最大為12位精度）;byte5、6、7為保留位，禁止寫入;byte8亦為只讀存儲器，用來存儲 以上8字節(jié)的CRC校驗碼。

　　參考上面的DS18B20通訊指令圖，即為DS18B20芯片中主要寄存器的數(shù)據(jù)格式和必要的個別標識位說 明，只要做到對寄存器數(shù)據(jù)精準的控制，就可以很容易的完成DS18B20的程序編寫，而對于總線控制器發(fā)出的控制指令，我們需要知道，DS18B20的指 令包括ROM指令和功能指令，其中ROM指令用來進行ROM的操作，而功能指令則可以控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換，寄存器操作等功能性工作。一旦總線 控制器檢測到一個存在脈沖，它就會發(fā)出一條 ROM指令，如果總線上掛載多只DS18B20，這些指令將利用器件獨有的64位ROM片序列碼選出特定的要進行操作的器件，同樣，這些指令也可以識別哪 些器件符合報警條件等。在總線控制器發(fā)給要連接的DS18B20一條ROM指令后，就可以發(fā)送一條功能指令完成相關(guān)的工作了，也就是說，總線控制器在發(fā)起 一條DS18B20功能指令前，需要首先發(fā)出一條ROM指令。了解了這些功能指令的功能和用法，再對DS18B20編程就容易多了！~

　　第五部分：DS18B20芯片的兩點使用心得

　?。?）對TH（高溫觸發(fā)寄存器）和TL（低溫觸發(fā)寄存器）的操作心得

　　針對于DS18B20中TH（高溫觸發(fā)寄存器）和TL（低溫觸發(fā)寄存器），可以找到的代碼資料很少，而如果在某一測溫系統(tǒng)中需要用到TH和TL寄存器 時，其實不必覺得無從下手，參見本帖中的“DS18B20寄存器結(jié)構(gòu)”，總線控制器的讀操作將從位0開始逐步向下讀取數(shù)據(jù)，直到讀完位8，而且TH和TL 寄存器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式和片內(nèi)其他寄存器是相同的，當然，針對TH和TL寄存器的讀寫和其他片內(nèi)寄存器的讀寫也是相同的，所以在實際應(yīng)用中，當 DS18B20初始化完成后，首先通過總線控制器發(fā)出的［B8H］指令將EEPROM中保存的數(shù)據(jù)召回到暫存器的TH和TL中，然后通過總線控制器發(fā)出的 “讀時隙”對器件暫存器進行讀操作，只要將讀到的每8bit數(shù)據(jù)及時獲取，就可以很容易地通過總線控制器讀出TH和TL寄存器數(shù)據(jù);總線控制器對器件的寫 操作原理亦然，換句話說，只要掌握了其他寄存器的操作編程，就完全可以很容易地對TH和TL這兩個報警值寄存器進行讀寫操作。同時，可以通過［48H］指 令將TH和TL寄存器數(shù)據(jù)拷貝到EEPROM中進行保存。

　?。?）對DS18B20通訊時隙的掌握心得

　　在由 DS18B20芯片構(gòu)建的溫度檢測系統(tǒng)中，采用達拉斯公司獨特的單總線數(shù)據(jù)通訊方式，允許在一條總線上掛載多個DS18B20，那么，在對DS18B20 的操作和控制中，由總線控制器發(fā)出的時隙信號就顯得尤為重要。如下圖所示，分別為DS18B20芯片的上電初始化時隙、總線控制器從DS18B20讀取數(shù) 據(jù)時隙、總線控制器向DS18B20寫入數(shù)據(jù)時隙的示意圖，在系統(tǒng)編程時，一定要嚴格參照時隙圖中的時間數(shù)據(jù)，做到精確的把握總線電平隨時間（微秒級）的 變化，才能夠順利地控制和操作DS18B20。另外，需要注意到不同單片機的機器周期是不盡相同的，所以，程序中的延時函數(shù)并不是完全一樣，要根據(jù)單片機 不同的機器周期有所改動。在平常的DS18B20程序調(diào)試中，若發(fā)現(xiàn)諸如溫度顯示錯誤等故障，基本上都是由于時隙的誤差較大甚至?xí)r隙錯誤導(dǎo)致的，在對 DS18B20編程時需要格外注意。

　　上電初始化時隙圖

　　數(shù)據(jù)讀取時通訊總線的時隙圖

　　數(shù)據(jù)寫入時通訊總線的時隙圖

　　好了，帖子寫到這里，基本上算是告一段落了，我們描述了DS18B20測溫芯片的封裝、管腳定義、電路連接方式、內(nèi)部寄存器的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式、通信時隙和功能/控制指令，最后希望這篇帖子可以幫助到正在或者將要使用到DS18B20測溫芯片的壇友，謝謝大家！