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温度传感器DS18B20原理详解 附STM32单片机源程序

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楼主
ID:1017494 发表于 2022-4-15 10:32 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
DS18B20原理
传感器参数
测温范围为-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范围内误差为±0.4°
返回16位二进制温度数值
主机和从机通信使用单总线，即使用单线进行数据的发送和接收
在使用中不需要任何外围元件，独立芯片即可完成工作
掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，通过配置寄存器可以设定数字转换精度和报警温度，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值
每个DS18B20都有独立唯一的64位-ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18b20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值
宽电压供电，电压2.5V~5.5V
DS18B20 返回的16位二进制数代表此刻探测的温度值，其高五位代表正负。如果高五位全部为1，则代表返回的温度值为负值。如果高五位全部为0，则代表返回的温度值 为正值。后面的11位数据代表温度的绝对值，将其转换为十进制数值之后，再乘以0.0625即可获得此时的温度值
传感器引脚及原理图
DS18B20传感器的引脚及封装图如下:
DS18B20一共有三个引脚，分别是：
GND：电源地线
DQ：数字信号输入／输出端
VDD：外接供电电源输入端


单个DS18B20接线方式：VDD接到电源，DQ接单片机引脚，同时外加上拉电阻，GND接地。
注意这个上拉电阻是必须的，就是DQ引脚必须要一个上拉电阻。
DS18B20上拉电阻
首先来看一下什么是场效应管（MOSFET），如下图。


场效应管是电压控制型元器件，只要对栅极施加一定电压，DS就会导通。
漏极开路：MOS管的栅极G和输入连接，源极S接公共端，漏极D悬空（开路）什么也没有接，直接输出 ，这时只能输出低电平和高阻态，不能输出高电平。
那么这个时候会出现三种情况：
下图a为正常输出（内有上拉电阻）：场效应管导通时，输出低电位输出低电位，截止时输出高电位
下图b为漏极开路输出，外接上拉电阻：场效应管导通时，驱动电流是从外部的VCC流经电阻通过MOSFET到GND，输出低电位，截止时输出高电位
下图c为漏极开路输出，无外接上拉电阻：场效应管导通时输出低电位，截止呈高阻态(断开)


总结一下：
开漏输出只能输出低电平，不能输出高电平。漏极开路输出高电平时必须在输出端与正电源（VCC）间外接一个上拉电阻。否则只能输出高阻态。
DS18B20 是单线通信，即接收和发送都是这个通信脚进行的。其接收数据时为高电阻输入，其发送数据时是开漏输出，本身不具有输出高电平的能力，即输出0时通过MOS 下拉为低电平，而输出1时，则为高阻，需要外接上拉电阻将其拉为高电平。因此，需要外接上拉电阻，否则无法输出1。
外接上拉电阻阻值：
DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ，所以正常选择4.7K电阻，或者相近的电阻值。
DS18B20寄生电源
DS18B20的另一个特点是不需要再外部供电下即可工作。当总线高电平时能量由单线上拉电阻经过DQ引脚获得。高电平同时充电一个内部电容，当总线低电平时由此电容供应能量。这种供电方法被称为“寄生电源”。另外一种选择是DSl8B20由接在VDD的外部电源供电。


DS18B20内部构成
主要由以下3部分组成：
64 位ROM
高速暂存器
存储器
64位ROM存储独有的序列号，ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
高速暂存器包含：
温度传感器
一个字节的温度上限和温度下限报警触发器(TH和TL)
配置寄存器允许用户设定9位，10位，11位和12位的温度分辨率，分别对应着温度的分辨率为：0.5°C，0.25°C，0.125°C，0.0625°C，默认为12位分辨率
存储器：由一个高速的RAM和一个可擦除的EEPROM组成，EEPROM存储高温和低温触发器(TH和TL)以及配置寄存器的值，(就是存储低温和高温报警值以及温度分辨率)


DS18B20温度读取与计算
DS18B20采用16位补码的形式来存储温度数据，温度是摄氏度。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
高字节的五个S为符号位，温度为正值时S=1,温度为负值时S=0。
剩下的11位为温度数据位，对于12位分辨率，所有位全部有效，对于11位分辨率，位0(bit0)无定义，对于10位分辨率，位0和位1无定义,对于9位分辨率，位0，位1，和位2无定义。


对应的温度计算：
当五个符号位S=0时，温度为正值，直接将后面的11位二进制转换为十进制，再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值。
当五个符号位S=1时，温度为负值，先将后面的11位二进制补码变为原码(符号位不变，数值位取反后加1)，再计算十进制值。再乘以0.0625(12位分辨率)，就可以得到温度值。
举两个例子：
数字输出07D0(00000111 11010000)，转换成10进制是2000，对应摄氏度：0.0625x2000=125°C
数字输出为 FC90，首先取反，然后+1，转换成原码为：11111011 01101111，数值位转换成10进制是870，对应摄氏度：-0.0625x870=-55°C
温度对应表如下：

DS18B20工作步骤
DS18B20的工作步骤可以分为三步：
初始化DS18B20
执行ROM指令
执行DS18B20功能指令
其中第二步执行ROM指令，也就是访问每个DS18B20，搜索64位序列号，读取匹配的序列号值，然后匹配对应的DS18B20，如果我们仅仅使用单个DS18B20，可以直接跳过ROM指令。而跳过ROM指令的字节是0xCC。
初始化DS18B20
任 何器件想要使用，首先就是需要初始化，对于DS18B20单总线设备，首先初始化单总线为高电平，然后总线开始也需要检测这条总线上是否存在 DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高 电平。
初始化具体时序步骤如下:
单片机拉低总线至少480us，产生复位脉冲，然后释放总线（拉高电平）
这时DS8B20检测到请求之后，会拉低信号，大约60~240us表示应答
DS8B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示初始化成功
DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线

采用多个DS18B20时，需要写ROM指令来控制总线上的某个DS18B20。如果是单个DS18B20，直接写跳过ROM指令0xCC即可。DS18B20写入ROM功能指令如下表：


DS18B20的一些RAM功能指令如下表。其中常用的是温度转换指令，开启温度读取转换，读取好的温度会存储在高速暂存器的第0个和第一个字节中。另一个常用的是读取温度指令，读取高速暂存器存储的数据。


读时序
读时隙由主机拉低总线电平至少1μs然后再释放总线，读取DS18B20发送过来的1或者0。
DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。


注意：所有读时隙必须至少需要60us，且在两次独立的时隙之间至少需要1ps的恢复时间。
同时注意：主机只有在发送读暂存器命令(0xBE)或读电源类型命令(0xB4)后，立即生成读时隙指令，DS18B20才能向主机传送数据。也就是先发读取指令，再发送读时隙。
最后一点：写时序注意是先写命令的低字节，比如写入跳过ROM指令0xCC(11001100),写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。
读时序时是先读低字节，在读高字节，也就是先读取高速暂存器的第0个字节(温度的低8位)，在读取高速暂存器的第1个字节(温度的高8位) 我们正常使用DS18B20读取温度读取两个温度字节即可。

单片机源程序如下:
  1. DS18B20.c代码：
  2. #include "ds18b20.h"
  3. #include "delay.h"
  4. //复位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的回应
  14. //返回1:未检测到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. //从DS18B20读取一个位
  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. //从DS18B20读取一个字节
  52. //返回值：读到的数据
  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. //写一个字节到DS18B20
  65. //dat：要写入的字节
  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. //开始温度转换
  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 同时检测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口时钟
  106. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; //PORTG.11 推挽输出
  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); //输出1
  111. DS18B20_Rst();
  112. return DS18B20_Check();
  113. }
  114. //从ds18b20得到温度值
  115. //精度：0.1C
  116. //返回值：温度值 （-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; //温度为负
  134. }else temp=1; //温度为正
  135. tem=TH; //获得高八位
  136. tem<<=8;
  137. tem+=TL; //获得底八位
  138. tem=(float)tem*0.625; //转换
  139. if(temp)return tem; //返回温度值
  140. else return -tem;
  141. }


  144. DS18B20.h代码：
  145. #ifndef __DS18B20_H
  146. #define __DS18B20_H
  147. #include "sys.h"
  148. //IO方向设置
  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操作函数
  152. #define DS18B20_DQ_OUT PGout(11) //数据端口 PA0
  153. #define DS18B20_DQ_IN PGin(11) //数据端口 PA0
  154. u8 DS18B20_Init(void);//初始化DS18B20
  155. short DS18B20_Get_Temp(void);//获取温度
  156. void DS18B20_Start(void);//开始温度转换
  157. void DS18B20_Write_Byte(u8 dat);//写入一个字节
  158. u8 DS18B20_Read_Byte(void);//读出一个字节
  159. u8 DS18B20_Read_Bit(void);//读出一个位
  160. u8 DS18B20_Check(void);//检测是否存在DS18B20
  161. void DS18B20_Rst(void);//复位DS18B20
  162. #endif
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