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溫度傳感器DS18B20原理詳解 附STM32單片機源程序

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ID:1017494 發表于 2022-4-15 10:32 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
DS18B20原理
傳感器參數
測溫范圍為-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范圍內誤差為±0.4°
返回16位二進制溫度數值
主機和從機通信使用單總線，即使用單線進行數據的發送和接收
在使用中不需要任何外圍元件，獨立芯片即可完成工作
掉電保護功能 DS18B20 內部含有 EEPROM ，通過配置寄存器可以設定數字轉換精度和報警溫度，在系統掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值
每個DS18B20都有獨立唯一的64位-ID，此特性決定了它可以將任意多的DS18b20掛載到一根總線上，通過ROM搜索讀取相應DS18B20的溫度值
寬電壓供電，電壓2.5V~5.5V
DS18B20 返回的16位二進制數代表此刻探測的溫度值，其高五位代表正負。如果高五位全部為1，則代表返回的溫度值為負值。如果高五位全部為0，則代表返回的溫度值 為正值。后面的11位數據代表溫度的絕對值，將其轉換為十進制數值之后，再乘以0.0625即可獲得此時的溫度值
傳感器引腳及原理圖
DS18B20傳感器的引腳及封裝圖如下:
DS18B20一共有三個引腳，分別是：
GND：電源地線
DQ：數字信號輸入／輸出端
VDD：外接供電電源輸入端


單個DS18B20接線方式：VDD接到電源，DQ接單片機引腳，同時外加上拉電阻，GND接地。
注意這個上拉電阻是必須的，就是DQ引腳必須要一個上拉電阻。
DS18B20上拉電阻
首先來看一下什么是場效應管（MOSFET），如下圖。


場效應管是電壓控制型元器件，只要對柵極施加一定電壓，DS就會導通。
漏極開路：MOS管的柵極G和輸入連接，源極S接公共端，漏極D懸空（開路）什么也沒有接，直接輸出 ，這時只能輸出低電平和高阻態，不能輸出高電平。
那么這個時候會出現三種情況：
下圖a為正常輸出（內有上拉電阻）：場效應管導通時，輸出低電位輸出低電位，截止時輸出高電位
下圖b為漏極開路輸出，外接上拉電阻：場效應管導通時，驅動電流是從外部的VCC流經電阻通過MOSFET到GND，輸出低電位，截止時輸出高電位
下圖c為漏極開路輸出，無外接上拉電阻：場效應管導通時輸出低電位，截止呈高阻態(斷開)


總結一下：
開漏輸出只能輸出低電平，不能輸出高電平。漏極開路輸出高電平時必須在輸出端與正電源（VCC）間外接一個上拉電阻。否則只能輸出高阻態。
DS18B20 是單線通信，即接收和發送都是這個通信腳進行的。其接收數據時為高電阻輸入，其發送數據時是開漏輸出，本身不具有輸出高電平的能力，即輸出0時通過MOS 下拉為低電平，而輸出1時，則為高阻，需要外接上拉電阻將其拉為高電平。因此，需要外接上拉電阻，否則無法輸出1。
外接上拉電阻阻值：
DS18B20的工作電流約為1mA，VCC一般為5V，則電阻R=5V/1mA=5KΩ，所以正常選擇4.7K電阻，或者相近的電阻值。
DS18B20寄生電源
DS18B20的另一個特點是不需要再外部供電下即可工作。當總線高電平時能量由單線上拉電阻經過DQ引腳獲得。高電平同時充電一個內部電容，當總線低電平時由此電容供應能量。這種供電方法被稱為“寄生電源”。另外一種選擇是DSl8B20由接在VDD的外部電源供電。


DS18B20內部構成
主要由以下3部分組成：
64 位ROM
高速暫存器
存儲器
64位ROM存儲獨有的序列號，ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。
高速暫存器包含：
溫度傳感器
一個字節的溫度上限和溫度下限報警觸發器(TH和TL)
配置寄存器允許用戶設定9位，10位，11位和12位的溫度分辨率，分別對應著溫度的分辨率為：0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，默認為12位分辨率
存儲器：由一個高速的RAM和一個可擦除的EEPROM組成，EEPROM存儲高溫和低溫觸發器(TH和TL)以及配置寄存器的值，(就是存儲低溫和高溫報警值以及溫度分辨率)


DS18B20溫度讀取與計算
DS18B20采用16位補碼的形式來存儲溫度數據，溫度是攝氏度。當溫度轉換命令發布后，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節。
高字節的五個S為符號位，溫度為正值時S=1,溫度為負值時S=0。
剩下的11位為溫度數據位，對于12位分辨率，所有位全部有效，對于11位分辨率，位0(bit0)無定義，對于10位分辨率，位0和位1無定義,對于9位分辨率，位0，位1，和位2無定義。


對應的溫度計算：
當五個符號位S=0時，溫度為正值，直接將后面的11位二進制轉換為十進制，再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到溫度值。
當五個符號位S=1時，溫度為負值，先將后面的11位二進制補碼變為原碼(符號位不變，數值位取反后加1)，再計算十進制值。再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到溫度值。
舉兩個例子：
數字輸出07D0(00000111 11010000)，轉換成10進制是2000，對應攝氏度：0.0625x2000=125°C
數字輸出為 FC90，首先取反，然后+1，轉換成原碼為：11111011 01101111，數值位轉換成10進制是870，對應攝氏度：-0.0625x870=-55°C
溫度對應表如下：

DS18B20工作步驟
DS18B20的工作步驟可以分為三步：
初始化DS18B20
執行ROM指令
執行DS18B20功能指令
其中第二步執行ROM指令，也就是訪問每個DS18B20，搜索64位序列號，讀取匹配的序列號值，然后匹配對應的DS18B20，如果我們僅僅使用單個DS18B20，可以直接跳過ROM指令。而跳過ROM指令的字節是0xCC。
初始化DS18B20
任 何器件想要使用，首先就是需要初始化，對于DS18B20單總線設備，首先初始化單總線為高電平，然后總線開始也需要檢測這條總線上是否存在 DS18B20這個器件。如果這條總線上存在DS18B20，總線會根據時序要求返回一個低電平脈沖，如果不存在的話，也就不會返回脈沖，即總線保持為高 電平。
初始化具體時序步驟如下:
單片機拉低總線至少480us，產生復位脈沖，然后釋放總線（拉高電平）
這時DS8B20檢測到請求之后，會拉低信號，大約60~240us表示應答
DS8B20拉低電平的60~240us之間，單片機讀取總線的電平，如果是低電平，那么表示初始化成功
DS18B20拉低電平60~240us之后，會釋放總線

采用多個DS18B20時，需要寫ROM指令來控制總線上的某個DS18B20。如果是單個DS18B20，直接寫跳過ROM指令0xCC即可。DS18B20寫入ROM功能指令如下表：


DS18B20的一些RAM功能指令如下表。其中常用的是溫度轉換指令，開啟溫度讀取轉換，讀取好的溫度會存儲在高速暫存器的第0個和第一個字節中。另一個常用的是讀取溫度指令，讀取高速暫存器存儲的數據。


讀時序
讀時隙由主機拉低總線電平至少1μs然后再釋放總線，讀取DS18B20發送過來的1或者0。
DS18B20在檢測到總線被拉低1微秒后，便開始送出數據，若是要送出0就把總線拉為低電平直到讀周期結束。若要送出1則釋放總線為高電平。


注意：所有讀時隙必須至少需要60us，且在兩次獨立的時隙之間至少需要1ps的恢復時間。
同時注意：主機只有在發送讀暫存器命令(0xBE)或讀電源類型命令(0xB4)后，立即生成讀時隙指令，DS18B20才能向主機傳送數據。也就是先發讀取指令，再發送讀時隙。
最后一點：寫時序注意是先寫命令的低字節，比如寫入跳過ROM指令0xCC(11001100),寫的順序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。
讀時序時是先讀低字節，在讀高字節，也就是先讀取高速暫存器的第0個字節(溫度的低8位)，在讀取高速暫存器的第1個字節(溫度的高8位) 我們正常使用DS18B20讀取溫度讀取兩個溫度字節即可。

單片機源程序如下:
  1. DS18B20.c代碼：
  2. #include "ds18b20.h"
  3. #include "delay.h"
  4. //復位DS18B20
  5. void DS18B20_Rst(void)
  6. {
  7. DS18B20_IO_OUT(); //SET PG11 OUTPUT
  8. DS18B20_DQ_OUT=0; //拉低DQ
  9. delay_us(750); //拉低750us
  10. DS18B20_DQ_OUT=1; //DQ=1
  11. delay_us(15); //15US
  12. }
  13. //等待DS18B20的回應
  14. //返回1:未檢測到DS18B20的存在
  15. //返回0:存在
  16. u8 DS18B20_Check(void)
  17. {
  18. u8 retry=0;
  19. DS18B20_IO_IN(); //SET PG11 INPUT
  20. while (DS18B20_DQ_IN&&retry<200)
  21. {
  22. retry++;
  23. delay_us(1);
  24. };
  25. if(retry>=200)return 1;
  26. else retry=0;
  27. while (!DS18B20_DQ_IN&&retry<240)
  28. {
  29. retry++;
  30. delay_us(1);
  31. };
  32. if(retry>=240)return 1;
  33. return 0;
  34. }
  35. //從DS18B20讀取一個位
  36. //返回值：1/0
  37. u8 DS18B20_Read_Bit(void)
  38. {
  39. u8 data;
  40. DS18B20_IO_OUT(); //SET PG11 OUTPUT
  41. DS18B20_DQ_OUT=0;
  42. delay_us(2);
  43. DS18B20_DQ_OUT=1;
  44. DS18B20_IO_IN(); //SET PG11 INPUT
  45. delay_us(12);
  46. if(DS18B20_DQ_IN)data=1;
  47. else data=0;
  48. delay_us(50);
  49. return data;
  50. }
  51. //從DS18B20讀取一個字節
  52. //返回值：讀到的數據
  53. u8 DS18B20_Read_Byte(void)
  54. {
  55. u8 i,j,dat;
  56. dat=0;
  57. for (i=1;i<=8;i++)
  58. {
  59. j=DS18B20_Read_Bit();
  60. dat=(j<<7)|(dat>>1);
  61. }
  62. return dat;
  63. }
  64. //寫一個字節到DS18B20
  65. //dat：要寫入的字節
  66. void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)
  67. {
  68. u8 j;
  69. u8 testb;
  70. DS18B20_IO_OUT(); //SET PG11 OUTPUT;
  71. for (j=1;j<=8;j++)
  72. {
  73. testb=dat&0x01;
  74. dat=dat>>1;
  75. if (testb)
  76. {
  77. DS18B20_DQ_OUT=0; // Write 1
  78. delay_us(2);
  79. DS18B20_DQ_OUT=1;
  80. delay_us(60);
  81. }
  82. else
  83. {
  84. DS18B20_DQ_OUT=0; // Write 0
  85. delay_us(60);
  86. DS18B20_DQ_OUT=1;
  87. delay_us(2);
  88. }
  89. }
  90. }
  91. //開始溫度轉換
  92. void DS18B20_Start(void)
  93. {
  94. DS18B20_Rst();
  95. DS18B20_Check();
  96. DS18B20_Write_Byte(0xcc); // skip rom
  97. DS18B20_Write_Byte(0x44); // convert
  98. }
  99. //初始化DS18B20的IO口 DQ 同時檢測DS的存在
  100. //返回1:不存在
  101. //返回0:存在
  102. u8 DS18B20_Init(void)
  103. {
  104. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  105. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE); //使能PORTG口時鐘
  106. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; //PORTG.11 推挽輸出
  107. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  108. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  109. GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);
  110. GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_11); //輸出1
  111. DS18B20_Rst();
  112. return DS18B20_Check();
  113. }
  114. //從ds18b20得到溫度值
  115. //精度：0.1C
  116. //返回值：溫度值 （-550~1250）
  117. short DS18B20_Get_Temp(void)
  118. {
  119. u8 temp;
  120. u8 TL,TH;
  121. short tem;
  122. DS18B20_Start (); // ds1820 start convert
  123. DS18B20_Rst();
  124. DS18B20_Check();
  125. DS18B20_Write_Byte(0xcc); // skip rom
  126. DS18B20_Write_Byte(0xbe); // convert
  127. TL=DS18B20_Read_Byte(); // LSB
  128. TH=DS18B20_Read_Byte(); // MSB
  129. if(TH>7)
  130. {
  131. TH=~TH;
  132. TL=~TL;
  133. temp=0; //溫度為負
  134. }else temp=1; //溫度為正
  135. tem=TH; //獲得高八位
  136. tem<<=8;
  137. tem+=TL; //獲得底八位
  138. tem=(float)tem*0.625; //轉換
  139. if(temp)return tem; //返回溫度值
  140. else return -tem;
  141. }


  144. DS18B20.h代碼：
  145. #ifndef __DS18B20_H
  146. #define __DS18B20_H
  147. #include "sys.h"
  148. //IO方向設置
  149. #define DS18B20_IO_IN() {GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=8<<12;}
  150. #define DS18B20_IO_OUT() {GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=3<<12;}
  151. //IO操作函數
  152. #define DS18B20_DQ_OUT PGout(11) //數據端口 PA0
  153. #define DS18B20_DQ_IN PGin(11) //數據端口 PA0
  154. u8 DS18B20_Init(void);//初始化DS18B20
  155. short DS18B20_Get_Temp(void);//獲取溫度
  156. void DS18B20_Start(void);//開始溫度轉換
  157. void DS18B20_Write_Byte(u8 dat);//寫入一個字節
  158. u8 DS18B20_Read_Byte(void);//讀出一個字節
  159. u8 DS18B20_Read_Bit(void);//讀出一個位
  160. u8 DS18B20_Check(void);//檢測是否存在DS18B20
  161. void DS18B20_Rst(void);//復位DS18B20
  162. #endif
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