宋世彥

[摘 要] DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有體積小、接線簡(jiǎn)單、測(cè)溫精準(zhǔn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在空調(diào)、管槽線槽、電信機(jī)房等社會(huì)生活的各個(gè)方面都得到了廣泛應(yīng)用。

[關(guān) 鍵 詞] 溫度傳感器；數(shù)據(jù)處理；精度

[中圖分類號(hào)] G718 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2016）14-0083-01

DS18B20數(shù)字溫度傳感器采用單總線一線式總線協(xié)議，即在一根數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，所以單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)DS18B20芯片的訪問，要求對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有嚴(yán)格的時(shí)隙來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。下面我們將就DS18B20傳感器在接線、時(shí)序、數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)方面進(jìn)行要點(diǎn)剖析，全面掌握它的使用。

一、硬件接線

對(duì)于TO封裝的DS18B20只有3個(gè)引腳，正對(duì)平面（有字母的一面）引腳垂直，最右側(cè)為電源，中間為數(shù)據(jù)，左側(cè)是地線。

DS18B20采用單總線的接線方式，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)溫。供電方式靈活，根據(jù)實(shí)際情況可以選擇單獨(dú)電源供電或者寄生供電方式。

（一）外部電源供電方式

外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可以保證溫度測(cè)量精度。當(dāng)DS18B20采用外部供電時(shí)，工作電源由VDD引腳接入，GND引腳接地，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，只需將其數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的一位雙向端口相連就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，如果讀取的溫度始終顯示85℃，那么很可能是電源接反了，改過來就可以了，一般不會(huì)損壞芯片。

（二）寄生電源供電方式

DS18B20可以通過內(nèi)部寄生電路從單線數(shù)據(jù)線上獲取電源，在信號(hào)線處于高電平期間把能量存儲(chǔ)在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能使DS18B20工作，直到高電平到再次給寄生電源（電容）充電。

在寄生電源方式工作時(shí)，DS18B20可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫，無需本地電源，電路更加簡(jiǎn)單（VDD必須接地），在遠(yuǎn)程溫度測(cè)量和測(cè)量空間受限的情況下非常有用。但是DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到了1mA以上，超出了內(nèi)部電容所能提供的電流，要想保證溫度轉(zhuǎn)換的精度，I/O線必須提供足夠的能量，當(dāng)多個(gè)

DS18B20掛在同一根總線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，4.7K上拉無法提供足夠的能量，會(huì)造成誤差較大或無法轉(zhuǎn)換溫度。一般我們?cè)倌贸鲆桓鵌/O口線控制MOSFET管把總線直接拉到VCC上就可以解決這個(gè)問題了。

（三）分布式測(cè)溫

當(dāng)多個(gè)DS18B20進(jìn)行分布式測(cè)溫時(shí)，可以將所有的器件引腳對(duì)應(yīng)連接到一起就可以了，通過讀取每個(gè)DS18B20內(nèi)部芯片的序列號(hào)來識(shí)別。

在總線上理論上可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，但實(shí)際上，當(dāng)單總線所掛DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需要解決總線驅(qū)動(dòng)問題了。

（四）遠(yuǎn)距離測(cè)溫

在進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)，連接DS18B20的總線電纜長(zhǎng)度也是有限制的，主要原因是總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變，采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過50米時(shí)，讀取的溫度值就將發(fā)生錯(cuò)誤，因此長(zhǎng)距離測(cè)溫時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配的問題。

二、時(shí)序要求

由于DS18B20在一根線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)隙要求，才能保證各位數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的正確性和完整性。

控制器先發(fā)出負(fù)脈沖（750個(gè)微妙左右）“我要通信”的要求信號(hào)后等待DS18B20回復(fù)，DS18B20收到（上升沿）邀請(qǐng)后稍矜持（15～60個(gè)微妙）下，馬上拉低總線（60～240個(gè)微妙）表示“我在”，產(chǎn)生應(yīng)答脈沖，控制器收到響應(yīng)后，表示握手成功，可以通信了。在實(shí)際使用上，我們往往發(fā)出邀請(qǐng)一段時(shí)間后（延時(shí)跳過響應(yīng)信號(hào)），直接向DS18B20發(fā)出讀寫信號(hào)。

DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間和分辨率有關(guān)，需要的時(shí)間大概在94～750個(gè)毫秒。

三、數(shù)據(jù)處理

DS18B20在啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換后，溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速暫存器RAM的第0～1個(gè)字節(jié)里，我們?cè)谧x取數(shù)據(jù)BE命令后，每次只能讀取一位，讀取時(shí)低位在前，這時(shí)數(shù)據(jù)的處理就很重要了。

（一）變量類型的定義

由于每次只能讀、寫一位數(shù)據(jù)，所以這時(shí)數(shù)據(jù)類型必須定義成位變量bit型。

溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速暫存器RAM的第0～1個(gè)字節(jié)里，不管分辨率是9位還是12位，溫度數(shù)據(jù)都要占2個(gè)字節(jié)，單片機(jī)是8位的，所以都要對(duì)2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行高8位和低8位的合成處理，這時(shí)的2個(gè)接收變量要定義成8位字符型（unsigned char），合成16位完整溫度數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)類型就要定義成16位的unsigned int型，當(dāng)我們進(jìn)行最后的十進(jìn)制溫度轉(zhuǎn)換時(shí)（含有小數(shù)），變量類型定義成為float就可以了。

（二）數(shù)據(jù)的處理方法

讀字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)低位在前，很多人采用dat=（j<<7）|（dat>>1）語句，個(gè)人覺得可以采用庫里自帶的字符循環(huán)右移函數(shù)_cror_（a，b）更方便些。

DS18B20在出廠時(shí)默認(rèn)配置為12位，其中最高位是符號(hào)位，即溫度值共11位，2個(gè)字節(jié)合計(jì)16位，也就是說高5位都可以看成是相同的符號(hào)位，同時(shí)變化。前5位是1時(shí)，讀取的溫度值是負(fù)數(shù)，取得的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625才可以得到實(shí)際的溫度值。當(dāng)前5位為0時(shí)，讀取的溫度為正值，只要將得到的數(shù)值乘以0.0625就可以得到實(shí)際的溫度值了。

在程序中，采用浮點(diǎn)型變量f_temp來接收整型變量temp乘以0.0625得到的實(shí)際溫度值，這時(shí)得到的實(shí)際溫度值是含有小數(shù)的，而我們的數(shù)碼管處理顯示的都是整數(shù)，要顯示小數(shù)，必須人為地加上小數(shù)點(diǎn)，所以我們還要再次對(duì)數(shù)據(jù)處理，首先把得到的浮點(diǎn)型溫度數(shù)據(jù)f_temp乘以10把數(shù)據(jù)擴(kuò)大十倍，目的是為了在數(shù)碼管上顯示小數(shù)部分（人為加上小數(shù)點(diǎn)），再加上0.5后是為了對(duì)溫度數(shù)據(jù)四舍五入，最后把f_temp送給整型變量temp舍去小數(shù)部分。這時(shí)得到的數(shù)據(jù)就可以送去數(shù)碼管顯示了，顯示的數(shù)據(jù)精度為四舍五入后帶一位小數(shù)。

在DS18B20程序調(diào)試時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)諸如溫度顯示錯(cuò)誤等故障，基本上都是由于時(shí)隙的誤差較大甚至?xí)r序錯(cuò)誤或者是變量類型定義錯(cuò)誤導(dǎo)致的，一定要嚴(yán)格參照時(shí)序圖，精確把握總線電平隨時(shí)間（微秒級(jí)）的變化，正確地使用變量，才能夠順利地控制和操作DS18B20。

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