单总线数字温度传感器及其应用
第33章 单总线温度传感器DS18S20
• 单总线即1-Wire总线结构，是Dallas Semiconductor非常简单实用的总线协议。1-Wire 可以通过一条公共数据线实现主机与一个或多个 从机之间的半双工、双向通信。使用1-Wire将引 脚的使用减少到了最少，因此特别适合于单片机 系统中。 • Dallas Semiconductor公司推出的DS18S20温度传 感器即为1-Wire总线接口。由于其所需的引脚最 少、接口简单、无需外部元件和精度高等优点， 广泛应用于单片机系统中进行测温以及温度监控。 本章主要介绍1-Wire总线以及1-Wire总线接口的 温度传感器DS18S20的应用。
33.2.1 温度传感器DS18S20概述
• DS18S20采用带隙温度检测结构，是DS1820的升级产品。 DS18S20内部有3个主要部件：64位激光刻制的唯一ROM序列 号、温度传感器以及非易失性温度报警触发器TH和TL。 DS18S20通过1-Wire总线结构，仅需一个引脚即可实现数据 的发送或接收。另外，用于DS18S20的供电电源可以从数据 线本身获得，无须外部电源。每个DS18S20在出厂时都有唯 一的一个ROM序列号，可以将多个DS18S20同时连在一根单 总线上，从而实现多点分布温度测量。
33.1 单总线概述
• 单总线，即1-Wire总线，顾名思义是只需要一根 数据线的数据传输方式。典型的1-Wire总线结构， 如图33.1所示。其中，1-Wire主机包括一个开漏 极I/O端口，并通过上拉电阻上拉至3.3V或5V电源。 外部1-Wire设备可以包含一个或多个，除了公共 的地线外，所有1-Wire设备共用一根数据总线。 1-Wire总线结构中主机为数据传输的控制器，主 动和1-Wire设备通信，而1-Wire设备则只能被动 和1-Wire主机通信。因此1-Wire总线结构是一种 半双工的双向数据传输结构。
数字温度传感器DS18B20及其应用
数字温度传感器DS18B20及其应用数字化技术推动了信息化的革命在传感器的器件结构上采用数字化技术，使信息的采集变得更加方便。
例如，对于温度信号采集系统，传统的模拟温度传感器多为铂电阻、铜电阻等。
每一个传感器的传输线至少有两根导线，带补偿接法需要三根导线。
如果对50路温度信号进行检测，就需要100根或150根导线接到采集端口，然后还要经过电桥电路、信号放大、通道选择、A／D转换等，才能将温度信号变成数字信号供计算机处理。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的新型单总线数字温度传感器，如图1所示。
DS18B20采用3脚(或8脚)封装，从图1中看到，从DS18B20读出或写人数据仅需要一根I／O口线。
并且以串行通信的方式与微控制器进行数据通信。
该器件将半导体温敏器件、A／D 转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。
信号传输采用两芯(或三芯)电缆构成的单总线结构。
一条单总线电缆上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯一的地址编码。
微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某一个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。
采集端口的连接线减少了50倍，既节省了造价，又给现场施工带来极大的方便。
DS18B20是实现单总线测控网络的关键器件,主要包括：寄生电源、温度传感器、64位激光ROM 和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。
DS18B20内部存储器由ROM、RAM和E2ROM组成,其中，ROM 由64位二进制数字组成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～字节6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位的CRC校验码。
由于64位ROM 码具有唯一性，在使用时作为该器件的地址，通过读ROM命令可以将它读出来。
数字温度传感器DS18B20C-25页说明
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※DS1B820单总线数字温度计※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※一、概述1.1一般说明DS18B20数字温度计提供9至12位（可设置）温度读数,指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（另加上地线）。
读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。
因为每一个DS18B20有唯一的系列号（silicon serial number），因此多个DS18B20可以连接在于同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置DS18B20温度传感器。
此特性可广泛地应用于HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。
1.2特性·独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信·多点并接能力使分布式温度检测的应用得以简化·不需要外部元件·可用数据线供电，若外加电源，范围3V至5.5V·不需备份电源·测量范围从-55℃至+125℃，对应的华氏温度范围是-67℉至257℉。
·在-10℃至+85℃内的准确度为±0.5℃。
·可编程设定9至12位的温度分辨率·在750毫秒（最大值）内把温度变换为12位数字值·用户可设置，非易失性的温度告警值·告警搜索命令可在众多的器件中，快速识别出超过设定的“告警温度”值的器件。
·应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统25/11.3引脚排列1.4详细的引脚说明TSOC8脚SOIC TO92符说明151GND地线242DQ数据输入/输出引脚。
漏极开路结构，详见“寄生电源”一节。
单总线温度传感器在空调系统的应用
单总线温度传感器在空调系统的应用摘要：在常规的自控系统设计中，温度数据的采集常会通过热电阻、热电偶等传感器来实现。
它们的测量原理基于电阻值随温度的变化而改变，通过检测电阻值间接测量温度值，是完全基于模拟量信号的一种检测仪表。
单总线温度计是由美国DALLAS公司开发的一款温度检测数字芯片，它采取单总线通讯、全数字信号的数据传输方式，它相比常规的热电阻、热电偶温度传感器有诸多优点。
本文着重探讨单总线温度传感器在空调系统的应用方案，并且本方案已经实际实施。
对其应用的切实效果来看，从其数据的准确度、反应灵敏度、抗干扰能力等性能来看，与传统的热电阻采集相比，具有明显的优越性。
同时也可以得出结论，它完全可以代替热电阻传感器，在工业领域的低温介质温度检测环境中广泛应用。
关键词：单总线；温度传感器；空调系统；应用引言电子技术发展迅速，不断推陈出新，尤其是电子芯片技术的发展，更是如日中天，外形更小巧、功能更强大的芯片不断被开发创造出来，也不断在各行各业中得以应用，大大推动和促进了相关行业的发展。
今天介绍一款单总线数字温度检测芯片-DS18B20，就是这样一个鲜明的例证。
DS18B20温度测量芯片是DALLAS公司生产的1-Wire（即单总线）器件。
它具有线路简单，体积小、硬件开消低，抗干扰能力强，精度高的特点。
它本体具有测温、信号处理、通信等功能，可以通过一根通讯线为其提供电源，同时在通讯线上传输数字信号，上传采集的实时温度数据。
因此可以把很多这样的数字温度计挂在一条通信总线上，组成一个测温系统，对于温度测点众多的空调系统的温度采集将十分方便。
当然，DS18B20只是一个具备这种能力的芯片，需要对其进行进一步加工，改造成合适现场安装的工业仪表，并且配置与之通讯的相关电气器件，监测计算机等，才能实际测温、操作员实时监测的功能。
原理与设计温度传感器芯片DS18B20简介温度检测芯片DS18B20（本文以下简称“DS18B20”）有多种电子元件的封装形式，本方案中采取的是TO-92封装样式的产品，它更适应在圆形的不锈钢保护套管中安装，以便于在制作的检测仪表在工业现场的安装。
单总线数字温度传感器、NTC热敏电阻、I2C&SPI数字温度传感器
⏹Single-Line数字温度传感器单总线即只有一根数据线。
采用单根信号线，数据传输是双向的，CPU 只需一根端口线就能与诸多单总线器件通信，占用微处理器的端口较少，电路及软件设计简单，便于总线扩展和维护，在占用1个I/O的情况下可远距离测温和多点测温，单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度；同时，基于单总线技术能较好地解决传统识别器普遍存在的携带不便，易损坏，易受腐馈，易受电磁干扰等不足。
1.一条口线即可实现微处理器与RW1820的双向通讯2.测量温度范围宽，测量精度高。
RW1820的测量范围为-55℃~+125℃；在-10~+85℃范围内，精度为±0.5℃；可支持一定温度范围内最高精度±0.1℃（例如：35℃-42℃）3.在使用中不需要任何外围元器件即可实现测温4.多点组网功能。
多个RW1820可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
5.供电方式灵活。
RW1820可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。
因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
6.测量参数可配置。
RW1820的测量分辨率可通过程序设定9~12位7.掉电保护功能。
RW1820内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值⏹NTC热敏电阻（NTC温度传感器）NTC热敏电阻，理论上是测量范围很宽，常见的是-50℃~+200℃，但实际上在高低温时NTC的温度曲线已是非线性的，所以NTC实际应用中常见的测温范围是0℃~+50℃。
NTC温度传感器可靠性相对差，测量温度准确率低，通常测量精度>1℃，温度传感器校准难度大、互换性差、硬件和软件设计复杂、互换性差，对噪声敏感，需经过专门的接口电路转换成数字信号才能由微处理器进行处理。
⏹I2C/SPI数字温度传感器：I2C总线以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线则以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线）；这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。
单总线数字温度传感器原理及应用
单总线数字温度传感器原理及应用
于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820 供电，而无需额外电源。
DS1820 提供9 位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。
对DS1820 的使用，多采用单片机实现数据采集。
处理时，将DS1820 信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS1820，从而实现多点温度检测系统。
由于DS1820 只有三个引脚，其中两根是电源线VDD 和GND，另外两根用作总线DQ(Data In/Out)，由于其输出和输入均是数字信号且与TTL 电平兼容，因此其可以与微处理器直接进行接口，从而省去了一般传感器所必需的中间转
换环节。
本设计中以DS1820 为传感器、AT89C52 单片机为控制核心组成的多点温度测试系统如图3 所示[4]。
用6 只DS1820 同时测控6 路温度（视实际需要还可扩展通道数）。
89C52 单片机P1.1 口接单线总线。
DS1820 采用寄生电源供电方式。
为保证在有效的DS1820 时钟周期内能提供足够的电流，图3 中采用一个MOSFET 管和89C52 的H.0 口来完成对DS1820 的总线上拉。
键盘扫描和动态扫描的显示共用一片可编程接口芯片8279，显示采用8 位共阴极LED 数码管，它可用来显示通道数、温度测量值以及TH、TL 的值。
tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。
仅供参阅！。
数字式温度传感器DS18B20及其应用
器件应用数字式温度传感器DS18B20及其应用空军工程大学导弹学院(陕西三原713800) 韩小斌 朱永文摘 要 文章介绍了新一代数字式温度传感器DS18B20,它集温度感知、数字量转化、高低温限设定和报警于一体。
文章详细地阐述了DS18B20的测量原理、特性以及在多路温度测量应用中的测量电器设计和软件设计。
关键词 DS18B20传感器 温度检测 单片机 DS18B20是美国Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器,它具有独特的单总线接口方式,即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器,从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点,由它组成的温度测控系统非常方便,而且成本低、体积小、可靠性高。
图1 DS18B20外部形状及管脚图1 基本特性DS18B20数字式温度传感器的外部形状、内部芯片如图1所示。
它使用一总线接口实现和外部微处理器的通信。
温度的测量范围为-55~+125b C,测量精度为0.5b C 。
传感器的供电寄生在通信的总线上,可以从一总线通信中的高电平中取得,这样可以不需要外部的供电电源。
作为替代也可直接用供电端(VDD)供电。
一般在检测的温度超过100b C 时,建议使用供电端供电,供电的范围为3~5.5V 。
当使用总线寄生供电时,供电端必须接地,同时总线口在空闲的时候必须保持高电平,以便对传感器充电。
每一个DS18B20温度传感器都有一个自己特有的芯片序列号,我们可以将多个这样的温度传感器挂接在一根总线上,实现多点温度的检测。
2 测温原理DS18B20的测温原理如图2所示。
低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数,通过该计数值来测量温度。
计数器被预置为与-55b C 对应的一个基数值,如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零,表示测量的温度高于-55b C,被预置在-55b C 的温度寄存器的值就增加一个增量,同时为了补偿温度振荡器的抛物线特性,计数器被斜率累加器所决定的值进行预置,时钟再次使计数器计数直至零,如果开门通时间仍未结束,那么重复此过程,直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。
第28讲 单总线温度传感器DS18B20的使用
至此:通信双方达成了基本的协议，之后是单片机与 DS18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足 或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计 时要注意意外情况的处理。
DS18B20芯片存储器操作指令表：
➢ Recall EEPROM（将EEPROM中的报警值 复制到RAM）[B8H]
此指令将EEPROM中的报警值复制到RAM中的第3、 4个字节里。由于芯片忙于复制处理，当单片机发一个读 时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将 输出“1”。另外，此指令将在芯片上电复位时被自动执行。 这样RAM中的两个报警字节位将始终为EEPROM中数据 的镜像。
DS18B20芯片存储器操作指令表：
➢ Copy Scratchpad （将RAM数据复制到EEPROM中）[48H]
此指令将RAM中的数据存入EEPROM中，以使数据掉电 不丢失。此后由于芯片忙于EEPROM储存处理，当单片机发 一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线 将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用 强上拉并至少保持10MS，来维持芯片工作。
DS18B20具有唯一的序列号，在一根通 信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分 方便。
DS18B20的主要特征：
全数字温度转换及输出。 先进的单总线数据通信。 最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。 12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。 可选择数据线寄生电源工作方式。 检测温度范围为–55°C ~+125°C 内置EEPROM，限温报警功能。 64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。 多样封装形式，适应不同硬件系统。
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《自动检测技术及仪表》
课程设计报告
题目:单总线数字温度传感器及其应用
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指导教师：***
摘要
介绍了单总线数字温度传感器DS1820的内部结构，工作原理、测量电路原理图、特性等，DSl820是由美国DALLAS公司提供的一种单总线系统的数字温度传感器，它可提供二进制9位温度信息，分辨率为0．5℃，可在一55℃～+125℃的范围内测量温度。
从中央处理器到DSl820仅需连接一条信号线和地线，其指令信息和数据信息都经过单总线接口与DSl820进行数据交换。
DSl820完成读、写和温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，也可以由外部供给。
并且，每个DSl820有唯一的系列号，因此同一条单总线上可以挂接多个DSl820，构成主从结构的多点测温传感器网络。
此特性可普遍应用在包括环境监测、建筑物和设备内的温度场测量，以及过程监视和控制中的温度检测中。
○1
一、单总线数字温度传感器的内部结构
DSl820内部框图如图l所示○2。
主要包括7部分：(1)64位光刻ROM 与单线接口；(2)温度传感器；(3)寄生电源；(4)温度报警触发器TH 和TL，分别用来存储用户设定的温度上、下限；(5)高速暂存器，即便笺式RAM，用于存放中间数据；(6)存储与控制逻辑；(7)8位循环冗余校验码(CRC)。
图1 DS1820内部结构
二、单总线数字温度传感器的工作原理
该器件可以从单总线上得到能量并储存在内部电容中，该能量是当信号线处于低电平期间消耗，在信号线为高电平时能量得到补充，这种供电方式称为寄生电源供电。
DSl820也可以由3—5.5V的外部电源供电。
每一片DSl820都有64位长的惟一ROM码。
第一个八位为单总线器件识别码(DSl820为28h)，接下来48位是器件的惟一系列码，最后八位是前56位的CRC校验码。
CRC校验码按下列多项式计算:
DSl820内有一个能直接转化为数字量的温度传感器，其分辨率为9，lO，ll，12bit可编程，通过设置内部配置寄存器来选择温度的转换精度，出厂时默认设置为12bit。
温度的转换精度有O．5℃、O．25℃、O．125℃、O．0625℃。
温度转换后以16bit格式存入便笺式RAM，可以用读便笺式RAM命令(BEH)通过1一Wire接口读取温度信息，数据传
输时低位在前。
内部温度数据格式如图2。
图2 温度数据格式
DSl820内部存储器均为八位，共有9个便笺式RAM，以及3个为EEPROM，用于长时间保存高低温报警温度设置值和配置寄存器的值。
用拷贝便笺式RAM命令写EEPROM，当上电复位时EEPROM的内容传送到便笺式RAM中高低温报警温度寄存器和配置寄存器，图3为DS1820的存储体结构。
图3 存储器结构
三、单总线数字温度传感器性能特点
温度传感器DSl820有如下特点○3：
(1)数据传输采用单总线(1一Wire Bus)结构，无需外围其它元件；
(2)能应用在分布式测量系统中；
(3)温度输出为9bit～12bit可编程；
(4)测温范围为一55℃～+125℃，在一lO℃～85℃时精度为±0．5℃；
(5)输出分辨率为12bit时最大的转换时间为750ms；
(6)具有可编程的温度报警功能；
(7)具有可靠的CRC数据传输校验功能；
(8)电源电压范围为3—5.5V；
(9)低功耗，无外部供电电源也能可靠工作。
四、DSl820的温度测量原理
DSl820测量温度时使用特有的温度测量技术，其测量电路框图如图4所示。
内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。
计数器设置为一55℃时的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。
同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。
如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。
温度表示值为9bit，高位为符号位。
图4 DS1820测温原理框图
五、DSl820高分辨率温度数据的获取
DS1820的温度测量值最高分辨率在许多情况下不能满足精确控温和显示的需要。
DS1820提供了一种获取更高分辨率的方法。
在DS1820的高速暂存存储器中存放有以下数据如表1所示。
这些数据均可通过发存储器命令（BEH）单线逐位读出。
其中第一个字节为分辨率0.5℃的温度值代码，将最低位（小数位）去掉，其余7位为温度的整数值代码，记为T1。
第二个字节为符号位。
第三、四字节分别为温度上限和下限。
第五、六字节为保留位。
第七字节为剩余计数值，记为TR。
第八字节为每度计数值，记为TP。
最后一个字节是CRC冗余校验码。
分辨率达0.1℃或更高的高分辨率温度值可由如下DS1820数据册所提供的公式计算得到。
高分辨率温度值=TR-0.25+（TP-TR）/TP○4
表1 暂存存储器内容
六、DS1820应用实例：用单片机AT89S52对DS1820的编程实现温度测量
1.系统硬件组成
基于DS18B20构成的单总线数字温度计主要由单总线数字温度感器DS1820、单片机AT89S52、显示模块和电源模块等4部分组成，如图5所示。
该测温系统的主要技术指标为：
测量范围／℃：一55.0—+125.0
测量精度／℃：O.5、O.25、0.125和O.0625(四档可通过软件设定寄存器改变)
反应时间／s：≤1.5
图5 系统结构图
2.DS1820与单片机接口的设计
DS1820与单片机的硬件连接有两种方法：一是Vcc接外部电源，GND 接地，I／O与单片机的I／O线相连；二是用寄生电源供电，此时UDD 和GND按地，I／O接单片机I／O。
无论是哪种供电方式，I／O接口线都要接4.7kΩ左右的上拉电阻。
图6给出了DS1820与微处理器的典型连接。
图6(a)中．DS1820采用寄生电源方式，其VDD和GNG端均接地，图6(b)中，DS1820采用外接电源方式，其VDD端接3～5.5V电源供电。
本系统采用图6(b)所示接线方式，即外接电源工作方式。
图6 DS1820与微处理器的两种接口连接
3.软件设计
单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程如图7所示。
○5
图7 单片机实现温度转换读取温度数值程序流程
单片机数字温度计充分利用了DS18B20和AT89S52硬件结构的简洁性，使用8段数码管显示，价格低廉且应用广泛。
根据实际需要，还可以用LCD作为显示器件，也可以构成分布式温度测控系统。
该设计扩展方便，但硬件结构上的简单是以牺牲软件为代价的，编程时应特别注意DSI8B20工作时序的要求。
DS1820数字温度传感器体积小、数字化、精度高、接线简单，可以在多种温度测量场合代替传统的温度传感器。
参考文献：
○1《检测技术与仪表》武汉理工大学出版社，王俊杰主编，王家桢主审
○2《单总线数字温度传感器DSl8820原理及应用》农静，郑宗亚，刘志杰，贵州师范大学学报(自然科学版)，第25卷第3期，2007年8月○3《单总线数字温度传感器DSl8820及其在单片机系统的应用》吴永春，三明高等专科学校学报，第2l卷第2期，2004年6月
○4《DS1820及其高分辨率测温》，解丽红，薛智宏，江苏电气（2002 N0.5）
○5《基于DS18B20的单总线数字温度计》黄河，湘潭师范学院学报(自然科学版)，第30卷第4期，2008年12月。