使用DS18B20温度传感器测温

第11章使用DS18B20温度传感器测温

11.1 概述

现实生产生活中，小到测量体温的温度计，大到航天飞机的温控系统，处处都离不开温度测量。工业生产中的三大指标（流量、压力、温度）之一就是温度，温度测量可以说是无处不在，遍布了我们生活生产的方方面面。

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司生产的数字化温度传感器，它与以往模拟量温度传感器不同，数字化是其一大特点，它能将被测环境温度直接转化为数字量，并以串行数据流的形式传输给单片机等微处理器去处理。DS18B20温度传感器的另一个主要特点是它是单总线的，即它与单片机等微处理器连接时，只需占用一个I/O管脚，并且不再需要其它任何外部元器件，这大大简化了它与但单片机之间的接口电路。

11.2 DS18B20温度传感器介绍

目前，使用最普遍的DS18B20温度传感器是三脚TO-92直插式封装这一种，这种封装的DS18B20实物如图11-1所示。可以看到它体积很小，只有三只管脚，外形与一般的三极管极其相似。图11-2是其三脚TO-92直插式封装图，表11-1列出了DS18B20各个引脚的定义。

如图11-1 如图11-2

表11-1 DS18B20引脚定义。

1、DS18B20温度传感器特性简介

◆独特的单总线（一条线）接口，与微处理器通信只需一个I/O管脚，且硬件连接无需其它外部元件；

◆测量结果直接输出数字量，可直接与微处理器通信；

◆供电电压范围3.0V~5.5V；在寄生电源方式下可有数据线供电；

◆测温范围-55℃~+125℃；在-10℃~+85℃范围内，测量精度可达±0.5℃；

◆可编程的9~12位测温分辨率，对应的可分辨温度值分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃，

0.0625℃；12位分辨率时的温度测量转换最长时间（上限）只有750ms；

◆每一片DS18B20都有自己独一无二的芯片号码；多片DS18B20可以并联在一条数据总线上实现不同地点的多点组网；

◆应用范围包括温度调控，工业现场测温，消费类产品，温度计及热敏系统等。

2、DS18B20温度传感器测温工作原理

DS18B20的核心功能就是测量被测环境温度并直接转换成为数字量。我们使用DS18B20测温，就是要将DS18B20转换成的数字量温度值从DS18B20内部读出，送入单片机进行处理，所以了解DS18B20内部的存储器的结构和组成是必要的。另外，控制DS18B20测温和读取温度值的指令也是必不可少的。以下就从这两个方面逐个说明。

⑴DS18B20内部的存储器

笼统而言，可以说DS18B20内部的存储器有三个。一个是64位光刻ROM；另一个是中间结果暂存RAM；第三个是E2RAM。

①64位光刻ROM

前面已经提及，每一片DS18B20都有一个独一无二的号码，用于唯一标识当前这片DS18B20。这个号码是DS18B20的生产厂家DALLAS公司在生产该片DS18B20时固化在其内部ROM中的，共有64位，所以称为64位光刻ROM号码，其数据格式如图11-3所示。

图11-3 64位光刻ROM数据格式

这64位号码由三部分组成，分别是64位号码中的最低8位，64位号码中的中间48位和64位号码中的最高8位。其中，64位号码中的最低8位对每一片DS18B20而言都相同，其值是0x28H，称为家族代码。这个值是专门分配给DS18B20家族的，用以区别不同的单总线设备家族。64位号码中的中间48位是唯一标识当前这片DS18B20的产品序列号。任意两片DS18B20的家族代码都是0x28H，但它们的48位产品序列号绝对不相同，这48位一般称为48位序列号。64位号码中的最高8位是从前面的56位（8位+48位=56位）计算出的CRC码，这8位一般不大用，所以此处一笔带过，读者可以不予理睬。

②中间结果暂存RAM

中间结果暂存RAM共有8个字节，其结构如图11-4所示。

图11-4中间结果暂存RAM

其中，字节地址0是所测温度数值的低8位，字节地址1是所测温度数值的高8位，字节地址2是设定温度的上限值，字节地址3是设定温度的下限值，字节地址4是配置寄存器字节。字节地址5,6,7保留。这8个字节中，除字节地址0,1,4以外的5个字节几乎不使用，所以可以忽略，重点掌握字节地址0,1,4就足够了。

字节地址0和字节地址1中存放的就是测量的温度值，字节地址1中存放的是高8位，字节地址0中存放的是低8位。它们中的温度数据存储格式如图11-5所示。其中，高5位是符号位S。若5个S全为0则表示温度是正值，由于是正值，补码与原码相同，余下的11位按图示各位的权重计算所得数值就是所测温度值；若5个S全为1，则余下11位的补码对应的数值就是所测温度值，这个温度值自然是零度以下，是负值。在实际计算温度值时，在得到11位数值原码值以后，再乘以0.0625就得到所测的温度值。这样计算的原因是：可以将图11-5中的小数点（在权重20和2-1之间）向右移动4位，即整个数值扩大了24=16倍，要使与原值相等，自然需要再除以16，即相当于乘以0.0625。

图11-5 温度数据存储格式

字节地址4是配置寄存器字节。前面已经提及，DS18B20的测温有9位，10位，11位，12位四种分辨率，实际测温时选用哪种分辨率是可以通过具体编程来设定，DS18B20出厂时设定的默认测温分辨率是12位。字节地址4配置寄存器字节的数据格式如图11-6所示。其中的R1和R0的四种组合一一对应9位，10位，11位，12位四种分辨率。对应关系如表11-2所示。附带说明的是，一般选用出厂时设定的默认测温分辨率12位，不用改动。

图11-6 配置寄存器字节的数据格式

表11-2 R1和R0的四种组合与测温分辨率的关系

③E2RAM

E2RAM的结构如图11-7所示。可以看到，E2RAM是中间结果暂存RAM中字节地址位2,3,4的三个字节内容的拷贝或者说是备份，以备数据的完备性需要。这个存储器一般不使用，故可以忽略不予考虑。

图11-7 E2RAM的结构

综上所述，在不改变测温出厂分辨率（12位）的前提下，DS18B20内部存储器中，我们需关注的就只有64位光刻ROM和中间结果暂存RAM中用于存放温度值的字节地址0和字节地址1了。

⑵DS18B20的指令

DS18B20的指令可分为三大类，第一类是与64位光刻ROM相关联的一系列指令，第二类是与中间结果暂存RAM相关联的温度值读取等一些相关指令，第三类就是控制温度转换的控制类指令。上面刚刚提到，在不改变测温出厂分辨率（12位）的前提下，DS18B20内部存储器中，我们只需关注64位光刻ROM和中间结果暂存RAM中字节地址0和字节