引言：通過(guò)本文可以了解DS18B20溫度傳感器工作原理、硬件設(shè)計(jì)、DS18B20單總線接口驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)。

1. 概述

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。

圖1：兩種封裝DS18B20實(shí)物圖

DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，經(jīng)封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣等特點(diǎn)，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

2.原理學(xué)習(xí)

2.1 芯片概述

DS18B20數(shù)字溫度計(jì)提供9到12bit分辨率的溫度測(cè)量，可以通過(guò)可編程非易失性存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)溫度的下限和上限報(bào)警。DS18B20采用單總線協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，只需要一根信號(hào)線和一根地線。它的溫度測(cè)量范圍為-55℃~ +125℃(-67°F to +257°F)。在-10℃~70℃范圍內(nèi)的測(cè)試精度可以達(dá)到±0.5℃。此外它還可以工作在寄生模式下，直接通過(guò)信號(hào)線對(duì)芯片供電，從而不需要額外的供電電源。每個(gè)DS18B20都有一個(gè)全球唯一的64位序列號(hào)，可以將多個(gè)DS18B20串聯(lián)在同一跟單總線上進(jìn)行組網(wǎng)，只需要一個(gè)處理器就可以控制分布在大面積區(qū)域中的多顆DS18B20。這種組網(wǎng)方式特別適合HVAC環(huán)境控制，建筑、設(shè)備、糧情測(cè)溫和工業(yè)測(cè)溫以及過(guò)程監(jiān)測(cè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2 管腳描述

圖2：常見(jiàn)封裝管腳定義

DS18B20管腳描述如下表所示。

表1：DS18B20管腳描述

2.3 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3：DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.4 硬件設(shè)計(jì)

DS18B20可以通過(guò)管腳VDD外部電源供電，也可以工作于寄生電源模式。

（1）寄生電源模式硬件設(shè)計(jì)

如圖所示，當(dāng)總線處于高電平狀態(tài)，DQ與外部上拉電阻連接通過(guò)單總線對(duì)器件供電。同時(shí)處于高電平狀態(tài)的總線信號(hào)對(duì)內(nèi)部電容（Cpp）充電（如圖3所示），在總線處于低電平狀態(tài)時(shí)，該電容提供能量給器件，該提供能量的方式成為“寄生電源”。當(dāng)DS18B20處于寄生電源模式時(shí)，VDD管腳必須接地。

寄生電源模式下，單總線和CPP在大部分操作中能夠提供充分的滿(mǎn)足規(guī)定時(shí)序和電壓的電流（見(jiàn)直流電特性和交流電特性節(jié)）給DS18B20。然而，當(dāng)DS18B20正在執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換或從寄存器向EEPROM傳送數(shù)據(jù)時(shí)，工作電流可高達(dá)1.5mA。這個(gè)電流可能會(huì)引起連接在單總線上的弱上拉電阻不可接受的壓降，這需要更大的電流，而此時(shí)CPP無(wú)法提供。為了保證DS18B20有充足的供電，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或復(fù)制數(shù)據(jù)到EEPORM操作時(shí)，必須給單總線提供一個(gè)強(qiáng)上拉，采用MOSFET直接把總線上拉到電源上的方式實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4：溫度轉(zhuǎn)換器件寄生電源模式硬件設(shè)計(jì)

（2）外部供電模式硬件設(shè)計(jì)

對(duì)DS18B20供電的另外一種方法是傳統(tǒng)的從VDD管腳接入一個(gè)外部電源，如圖5所示。這樣做的好處是單總線上不需要強(qiáng)上拉，而且總線不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。

圖5：使用外部電源供電硬件設(shè)計(jì)

寄生電源模式在遠(yuǎn)距離測(cè)試或空間受限的應(yīng)用場(chǎng)合是非常有用的。

對(duì)于溫度高于100℃時(shí)，不推薦使用寄生電源，因?yàn)镈S18B20在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通信可能無(wú)法進(jìn)行。在類(lèi)似這種溫度的情況下，強(qiáng)烈推薦使用DS18B20的VDD管腳供電。

2.5 寄存器詳解

（1） 64bit只讀寄存器

圖6：64bit ROM編碼

每顆DS18B20都有一個(gè)全球唯一的存儲(chǔ)在ROM中的64位編碼。最低8bit是單線系列編碼：28h。接著的48位是一個(gè)唯一的序列號(hào)。最后高8bit是低56bit編碼的CRC編碼。CRC的詳細(xì)解釋見(jiàn)CRC發(fā)生器節(jié)。64位ROM和ROM操作控制區(qū)允許DS18B20作為單總線器件并按照詳述于單總線系統(tǒng)節(jié)的單總線協(xié)議工作。

（2）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

DS18B20的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7：DS18B20的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

（1）byte0和byte1：分別為溫度寄存器的LSB和MSB，這兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器；

這個(gè)兩個(gè)字節(jié)寄存器用來(lái)存儲(chǔ)溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)，寄存器格式如圖8所示。

圖8：溫度寄存器格式

溫度與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9所示。"S"bit表示溫度符號(hào)位，上電復(fù)位時(shí)，溫度寄存器默認(rèn)值為+85℃。

圖9：溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系

（2）byte2和byte3：是TH和TL，注意當(dāng)報(bào)警功能不能使用時(shí)，TH和TL寄存器可以被當(dāng)作普通寄存器使用。TH，TL和配置寄存器均為非易失性的可擦除寄存器（EEPROM），該存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在器件掉電后不會(huì)消失。

圖10：TH，TL寄存器格式

（3）byte4：配置寄存器。

配置寄存器允許用戶(hù)將溫度測(cè)量分辨率設(shè)定為9，10，11或12位，對(duì)應(yīng)的溫度分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，芯片在上電狀態(tài)下默認(rèn)的精度為12位。

配置寄存器的bit7和bit0到bit4被器件保留，禁止寫(xiě)入；在讀數(shù)據(jù)時(shí)，它們?nèi)勘憩F(xiàn)為邏輯1。

圖11：配置寄存器格式

表2：傳感器精度配置表

（4）byte5：被器件保留，禁止寫(xiě)入。

（5）byte6和byte7：用戶(hù)可以使用；

（6）byte8：只讀，包含以上八個(gè)字節(jié)的CRC碼。

2.6 DS18B20操作流程

通過(guò)單總線訪問(wèn)DS18B20的執(zhí)行步驟如下：

步驟1：初始化；

步驟2：ROM操作指令；

步驟3：DS18B20功能指令。

每一次DS18B20的操作都必須滿(mǎn)足以上步驟，若是缺少步驟或是順序混亂，器件將不會(huì)有返回值。搜索ROM命令和報(bào)警搜索命令除外。當(dāng)這兩個(gè)命令執(zhí)行時(shí)，主控制器必須返回步驟1。

2.7 單總線協(xié)議詳解

DS18B20采用單總線協(xié)議，通過(guò)一個(gè)單線端口通信。DS18B20需要嚴(yán)格的單總線協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議定義了幾種單總線信號(hào)的類(lèi)型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1。所有這些信號(hào)，除存在脈沖外，都是由總線控制器發(fā)出的。

（1）初始化：復(fù)位脈沖和存在脈沖

所有和DS18B20間的通信都以初始化序列開(kāi)始，初始化序列如圖12所示。一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一個(gè)存在脈沖表明DS18B20已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖 12：初始化時(shí)序

如圖所示，初始化包括兩個(gè)階段：

①?gòu)?fù)位脈沖階段：總線控制器拉低總線并保持480us以發(fā)出（TX）一個(gè)復(fù)位脈沖信號(hào)，然后釋放總線；

②檢測(cè)存在脈沖階段：當(dāng)總線被釋放后，進(jìn)入接收狀態(tài)（RX）。上拉電阻將總線拉到高電平。當(dāng)DS18B20檢測(cè)到IO引腳上的上升沿后，等待1560us，然后發(fā)出一個(gè)由60240us低電平信號(hào)構(gòu)成的存在脈沖。

（2）寫(xiě)時(shí)序

DS18B20有兩種寫(xiě)時(shí)序：寫(xiě)1時(shí)序和寫(xiě)0時(shí)序。總線控制器通過(guò)寫(xiě)1時(shí)序來(lái)寫(xiě)邏輯1；通過(guò)寫(xiě)0時(shí)序來(lái)寫(xiě)邏輯0。寫(xiě)時(shí)序必須最少持續(xù)60us，包括兩個(gè)寫(xiě)周期之間至少1us的恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)總線控制器把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉低到低電平的時(shí)候，寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始（見(jiàn)圖13）。

圖 13：寫(xiě)時(shí)序

總線控制器要寫(xiě)產(chǎn)生一個(gè)寫(xiě)時(shí)序，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放，且需在15us內(nèi)釋放總線。當(dāng)總線被釋放后，上拉電阻將總線拉高?？偩€控制器要生成寫(xiě)0時(shí)隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平且繼續(xù)保持至少60us。

總線控制器初始化寫(xiě)時(shí)序后，DS18B20在一個(gè)15us到60us的窗口內(nèi)對(duì)信號(hào)線DQ進(jìn)行采樣。如果線上是高電平，就是寫(xiě)1。反之，如果線上是低電平，就是寫(xiě)0。

（3）讀時(shí)序

總線控制器發(fā)起讀時(shí)序時(shí)，DS18B20僅被用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)給控制器。因此，總線控制器在發(fā)出讀寄存器指令[BEh]或讀電源模式指令[B4h]后必須立刻開(kāi)始讀時(shí)序，以便DS18B20提供請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。除此之外，總線控制器在發(fā)出發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令平[44h]或召回EEPROM指令[B8h]之后讀時(shí)序，詳見(jiàn)DS18B20功能指令節(jié)。

圖 14：讀時(shí)序

所有讀時(shí)序必須最少60us，包括兩個(gè)讀周期間至少1us的恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)總線控制把數(shù)據(jù)線從高電平拉低到低電平時(shí)，讀時(shí)序開(kāi)始，數(shù)據(jù)線必須至少保持1us，然后總線被釋放（見(jiàn)圖14）。在總線控制器發(fā)出讀時(shí)序后，DS18B20過(guò)拉高或拉低總線上來(lái)傳輸1或0。當(dāng)傳輸0結(jié)束后，總線將被釋放，通過(guò)上拉電阻回到高電平空閑狀態(tài)。從DS18B20輸出的數(shù)據(jù)在讀時(shí)序的下降沿出現(xiàn)后15us內(nèi)有效。因此，總線控制器在讀時(shí)序開(kāi)始15us內(nèi)釋放總線然后采樣總線狀態(tài)，以讀取數(shù)據(jù)線的狀態(tài)。

3.實(shí)戰(zhàn)操作

3.1 軟件設(shè)計(jì)

本文要利用LCD1602實(shí)現(xiàn)DS18B20溫度及時(shí)間實(shí)時(shí)顯示。具體功能如下：

（1）DS18B20單總線接口驅(qū)動(dòng)功能；

（2）溫度值HEX轉(zhuǎn)BCD碼功能；

（3）時(shí)鐘計(jì)時(shí)器功能；

（4）LCD1602顯示DS18B20實(shí)時(shí)溫度及時(shí)間顯示。

軟件功能模塊劃分如圖15所示。

圖15：軟件功能模塊框圖

各個(gè)模塊功能：

（1）ds18b20_test.v模塊為頂層模塊，實(shí)現(xiàn)模塊間互聯(lián)；

（2）ds18b20_driver.v實(shí)現(xiàn)芯片單總線接口通信功能；

（3）hex_bcd.v實(shí)現(xiàn)溫度值HEX轉(zhuǎn)BCD碼功能；

（4）clock_timer.v實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘計(jì)時(shí)器功能；

（5）lcd1602_driver.v實(shí)現(xiàn)DS18B20實(shí)時(shí)溫度及時(shí)間顯示。

DS18B20接口驅(qū)動(dòng)ds18b20_driver.v軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖16所示。

圖16：DS18B20溫度讀取控制流程圖

3.2 測(cè)試結(jié)果

軟件下載至電路板，顯示在LCD1602上，如圖17所示，可以看到DS18B20溫度及時(shí)間已經(jīng)正確顯示。

圖17：DS18B20溫度及時(shí)間顯示