DS18B20温度测量(1)理论知识

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 23:03:24
DS18B20数字温度测量传感器,网上介绍很多,我就不罗嗦了。见图

DS18B20与前产品DS1820的不同:
DS18B20继承了DS1820的全部优点,并做了如下改进 1.供电范围扩大为3.0--5.5V。2.温度分辨力可编程。3.转换速率有很大提高.4.内部存储器映射关系发生变化。5.具有电源反接保护电路。5.体积减小一半。 对我们使用来说最大的不同就是DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率数字值,而DS1820为固定的9位数字值,且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。。
电路的接法:
DS18B20说明书上介绍了几种电路的接法,但我这里就说最常用的一种接法见图:

先介绍一下DS18B20内部的结构:
常规的内部逻辑图我就不说了,只说说跟我们使用直接相关的内容。
DS18B20的内部存储资源分为8个字节的ROM、9个字节的RAM、3个字节的EEPROM如下图:

一、ROM:
在DS18B20内部光刻了一个长度为64bit的ROM,这个编码是器件的身份识别标志。如下图:

64位光刻ROM的排列是:开始(最低)8位是产品类型标号,对于DS18B20来说就是(28H),接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
二、RAM:
高速暂存存储器(RAM)由9个字节组成,包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是温度高限TH、温度低限TL暂存区,第五个字节是配置寄存器暂存区,第6、7、8字节是系统保留用,就相当于DS18B20的运算内存,第九个字节是冗余检验字节。其分配如下表所示。

①、第0和第1字节:
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。对应的温度计算:当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。

这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20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。看下图

例如+125℃的数字输出为07D0H,十进制是2000,乘以0.0625就等于125℃。同样+25.0625℃的数字输出为0191H,十进制为401,乘以0.0625就得出25.0625℃了。-55℃的数字输出为FC90H,因为符号位为1,先将1111110010010000取反,得1101101111,再加一得1101110000,十进制为880,乘以0.0625就得55,为负值,即-55℃。
② 第2第3字节:
RAM的第2、3、4字节和EEPROM的三个字节是对应的,内容是相同的,只是RAM因为是暂存器,失电后数据就丢失了。而EEPROM是电擦除只读存储器,失电后数据不会丢失。在工作时得到复位命令后就从EEPROM复制一份数据到RAM的第2、3、4字节内,作为我们进行报警搜索、改写报警值和改写器件设置用,我们从外部只能对RAM进行操作,EEPROM只能从RAM复制而得到要保存的数据。
第2字节为报警值高限TH,第3字节为报警值低限。DS18B20完成一次温度转换后,就拿温度值和存储在TH和TL中的值进行比较,因为这些寄存器是8位的,所以小数位被忽略不计。TH或TL的最高有效位直接对应16位温度寄存器的符号位。如果测得的温度高于TH或低于TL,器件内部就会置位一个报警标识。每进行一次测温就对这个标识进行一次更新。当报警标识置位时,DS18B20会对报警搜索命令有反应。这样就允许许多DS18B20并联在一起同时测温,如果某个地方温度超过了限定值。报警的器件就会被立即识别出来并读取。而不用读未报警的器件。
③ 第4字节 配置寄存器:
第4字节的配置寄存器是用来设置DS18B20的工作模式和测量精度的,其内容如下图:

低五位一直都是"1",TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率,如下图所示:(DS18B20出厂时被设置为12位)

我们使用时可以跟据实际需要通过修改RAM第4字节的R0和R1的值来DS18B20的温度测量精度。需要保存这种设置时,还要用一条复制命令将RAM内的数据复制到EEPROM内。
④ 第5、6、7、8字节:
前面我们已经说过。RAM的第5、6、7字节是器件的保留字节,就相当于器件内部转换运算时所用的内存。第8字节是循环冗余校验字节。它是前面8个字节的CRC值。起着对前面字节的校验作用。
三、EEPROM:
EEPROM只有三个字节,和RAM的第2、3、4字节的内容相对应,它的作用就是存储RAM第2、3、4字节的内容,以使这些数据在掉电后不丢失。可能通过几条命令将RAM的该3个字节内容复制到EEPROM或从EEPROM将该3个字节内容复制到RAM的第2、3、4字节去。因为我们从外部想改写报警值和器件的设置都是只对RAM进行操作的。要保存这些设置后的数据就还要用相应的命令将RAM的数据复制到EEPROM去。
好了,下面说说对DS18B20的操作都有哪些命令:
对DS18B20的操作分为对ROM的操作和对RAM的操作。列表见下图:

实际操作的具体实现:
DS18B20是单总线器件,通讯协议包括几种单线信号类型:复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0、读1。所有这些信号,除存在脉冲外,其余都是由总线控制器(单片机)发出的。根据DS18B20的通讯协议,主机(单片机)控制DS18B20完成一次操作经过三个步骤:①要对DS18B20进行复位操作,②复位成功后发送一条ROM指令,③最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。
① 对DS18B20复位操作:
主机(单片机)和DS18B20间的任何通讯都需要以初始化序列开始,初始化序列就是主机发出一个复位脉冲跟着检测一个DS18B20的存在脉冲,表明DS18B20已经准备好发送和接收数据。初始化序列见下图:

主机首先发出一个480-960微秒的低电平脉冲,然后释放总线变为高电平,并在随后的480微秒时间内对总线进行检测,如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答。若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无器件应答。
做为从器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480-960微秒的低电平出现,如果有,在总线转为高电平后等待15-60微秒后将总线电平拉低60-240微秒做出响应存在脉冲,告诉主机本器件已做好准备。若没有检测到就一直在检测等待。
② 对DS18B20的写和读操作:
接下来就是主机发出各种操作命令,但各种操作命令都是向DS18B20写0和写1组成的命令字节,接收数据时也是从DS18B20读取0或1的过程。因此首先要搞清主机是如何进行写0、写1、读0和读1的。
写周期最少为60微秒,最长不超过120微秒。写周期一开始做为主机先把总线拉低1微秒表示写周期开始。随后若主机想写0,则继续拉低电平最少60微秒直至写周期结束,然后释放总线为高电平。若主机想写1,在一开始拉低总线电平1微秒后就释放总线为高电平,一直到写周期结束。而做为从机的DS18B20则在检测到总线被拉底后等待15微秒然后从15us到45us开始对总线采样,在采样期内总线为高电平则为1,若采样期内总线为低电平则为0。

对于读数据操作时序也分为读0时序和读1时序两个过程。读时隙是从主机把单总线拉低之后,在1微秒之后就得释放单总线为高电平,以让DS18B20把数据传输到单总线上。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。主机在一开始拉低总线1微秒后释放总线,然后在包括前面的拉低总线电平1微秒在内的15微秒时间内完成对总线进行采样检测,采样期内总线为低电平则确认为0。采样期内总线为高电平则确认为1。完成一个读时序过程,至少需要60us才能完成。(为什么不可以像写时序那样将采样时间放在读周期开始后的第15微秒到45微秒之间呢。虽然目前这样也不是不可以,但总觉得不安全。有点悬啊!)
DS18B20的说明书上也说,由于主机拉低总线电平时间Tint、释放总线时的恢复时间TRC与采样时间Tsample之和必须小于15微秒。如下图13。为了使读出数据更可靠,说明书上建议Tint和TRC保持时间尽可能小,把控制器采样时间放到15微秒周期的最后。如下图14。
(要是像写周期那样不就从容了,何必搞得紧紧张张的,唉!)

好!弄清了如何复位,如何写1写0和读1读0,我们现在就要看看在总线上如何进行实际的运用。
例如,我们做两个操作,第一个是让DS18B20进行一次温度的转换。第二是读取RAM内的温度。
① 让DS18B20进行一次温度的转换。前面已经讲过每一个对DS18B20的操作都要有三个步骤。一是复位操作。二是对ROM的操作。三是对RAM的操作。现在我们要做的是让DS18B20进行一次温度的转换,那具体的操作就是:1、主机先作个复位操作,2、主机再写跳过ROM的操作(CCH)命令,3、然后主机接着写个转换温度的操作命令,后面释放总线至少一秒,让DS18B20完成转换的操作。在这里要注意的是每个命令字节在写的时候都是低字节先写,例如CCH的二进制为11001100,在写到总线上时要从低位开始写,写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。整个操作的总线状态如下图。

② 读取RAM内的温度数据。同样,这个操作也要接照三个步骤。1、主机发出复位操作并接收DS18B20的应答(存在)脉冲。2、主机发出跳过对ROM操作的命令(CCH)。3、主机发出读取RAM的命令(BEH),随后主机依次读取DS18B20发出的从第0一第8,共九个字节的数据。如果只想读取温度数据,那在读完第0和第1个数据后就不再理会后面DS18B20发出的数据即可。同样读取数据也是低位在前的。整个操作的总线状态如下图:

在这里得说明一下,第二步跳过对ROM操作的命令是在总线上只有一个器件时,为节省时间而简化的操作,若总线上不止一个器件,那么跳过ROM操作命令将会使几器件同时响应,这样就会出现数据冲突。