简述温度传感器DS18B20原理内附STM32例程代码

发布时间:2024-06-06  

DS18B20是一款常用的高精度的单总线数字温度测量芯片。具有体积小,硬件开销低,抗干扰能力强,精度高的特点。


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

8f2b146a-4728-11ec-b939-dac502259ad0.png

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)。


MOS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,MOS基础相关文章:MOS管基本认识。

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)

8fda32ec-4728-11ec-b939-dac502259ad0.png

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

上述例子,用C语言来实现的代码,如下:

unsignedintTemp1,Temp2,Temperature;//Temp1低八位,Temp2高八位

unsigned char Minus Flag=0;  //负温度标志位


if(Temp2&0xFC)//判断符号位是否为1

{

  Minus Flag=l; //负温度标志位置1

  Temperature=((Temp2<<8)|Temp1); //高八位第八位进行整合

  Temperature=((Temperature)+1); //讲补码转换为原码,求反,补1

  Temperature*=0.0625;//求出十进制

}

else   //温度为正值

{

  Minus Flag=0;  //负温度标志位置0

  Temperature =((Temp2<<8) |Temp1)*0.0625;

}

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


DS18B20的初始化代码如下:


/*****初始化DS18B20*****/

unsigned int Init_DS18B20(void)

{

unsigned int x=0;

  DQ = 1;      //DQ复位

  delay(4);    //稍做延时

  DQ = 0;      //单片机将DQ拉低

  delay(60);   //精确延时,大于480us

  DQ = 1;      //拉高总线

  delay(8);

  x = DQ;      //稍做延时后,如果x=0则初始化成功,x=1则初始化失败

  delay(4); 

return x;

}

写时序


总线控制器通过控制单总线高低电平持续时间从而把逻辑1或0写DS18B20中。每次只传输1位数据。


单片机想要给DS18B20写入一个0时,需要将单片机引脚拉低,保持低电平时间要在60~120us之间,然后释放总线。


单片机想要给DS18B20写入一个1时,需要将单片机引脚拉低,拉低时间需要大于1us,然后在15us内拉高总线。


在写时序起始后15μs到60μs期间,DS18B20处于采样单总线电平状态。如果在此期间总线为高电平,则向DS18B20写入1;如果总线为低电平,则向DSl8B20写入0。

注意:2次写周期之间至少间隔1us。

924b8a3a-4728-11ec-b939-dac502259ad0.png

DS18B20写时序的代码如下:


/*****写一个字节*****/

void WriteOneChar(unsigned char dat)

{

unsigned char i=0;

for (i=8; i>0; i--)

  {

    DQ = 0;

    DQ = dat&0x01;  //与1按位与运算,dat最低位为1时DQ总线为1,dat最低位为0时DQ总线为0

  delay(4);

    DQ = 1;

    dat>>=1; 

  }

  delay(4);

}

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。


STM32例程

DS18B20.c代码:


#include "ds18b20.h"

#include "delay.h"


//复位DS18B20

void DS18B20_Rst(void)

{                 

  DS18B20_IO_OUT();   //SET PG11 OUTPUT

    DS18B20_DQ_OUT=0;   //拉低DQ

    delay_us(750);      //拉低750us

    DS18B20_DQ_OUT=1;   //DQ=1 

  delay_us(15);       //15US

}

//等待DS18B20的回应

//返回1:未检测到DS18B20的存在

//返回0:存在

u8 DS18B20_Check(void)

{   

  u8 retry=0;

  DS18B20_IO_IN();  //SET PG11 INPUT   

while (DS18B20_DQ_IN&&retry<200)

  {

    retry++;

    delay_us(1);

  };   

if(retry>=200)return 1;

else retry=0;

while (!DS18B20_DQ_IN&&retry<240)

  {

    retry++;

    delay_us(1);

  };

if(retry>=240)return 1;      

return 0;

}

//从DS18B20读取一个位

//返回值:1/0

u8 DS18B20_Read_Bit(void)

{

    u8 data;

  DS18B20_IO_OUT();  //SET PG11 OUTPUT

    DS18B20_DQ_OUT=0; 

  delay_us(2);

    DS18B20_DQ_OUT=1; 

  DS18B20_IO_IN();  //SET PG11 INPUT

  delay_us(12);

if(DS18B20_DQ_IN)data=1;

else data=0;   

    delay_us(50);           

return data;

}

//从DS18B20读取一个字节

//返回值:读到的数据

u8 DS18B20_Read_Byte(void)

{        

    u8 i,j,dat;

    dat=0;

for (i=1;i<=8;i++) 

  {

        j=DS18B20_Read_Bit();

        dat=(j<<7)|(dat>>1);

    }                

return dat;

}

//写一个字节到DS18B20

//dat:要写入的字节

void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)

{             

    u8 j;

    u8 testb;

  DS18B20_IO_OUT();  //SET PG11 OUTPUT;

for (j=1;j<=8;j++) 

  {

        testb=dat&0x01;

        dat=dat>>1;

if (testb) 

        {

            DS18B20_DQ_OUT=0;  // Write 1

            delay_us(2);                            

            DS18B20_DQ_OUT=1;

            delay_us(60);             

        }

else

        {

            DS18B20_DQ_OUT=0;  // Write 0

            delay_us(60);             

            DS18B20_DQ_OUT=1;

            delay_us(2);                          

        }

    }

}

//开始温度转换

void DS18B20_Start(void)

{                              

    DS18B20_Rst();     

    DS18B20_Check();   

    DS18B20_Write_Byte(0xcc);  // skip rom

    DS18B20_Write_Byte(0x44);  // convert



//初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS的存在

//返回1:不存在

//返回0:存在       

u8 DS18B20_Init(void)

{

   GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;


   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);   //使能PORTG口时钟 


   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;        //PORTG.11 推挽输出

   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;       

   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

   GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);



   GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_11);    //输出1



   DS18B20_Rst();



return DS18B20_Check();

}  

//从ds18b20得到温度值

//精度:0.1C

//返回值:温度值 (-550~1250) 

short DS18B20_Get_Temp(void)

{

    u8 temp;

    u8 TL,TH;

short tem;

    DS18B20_Start ();        // ds1820 start convert

    DS18B20_Rst();

    DS18B20_Check();   

    DS18B20_Write_Byte(0xcc);  // skip rom

    DS18B20_Write_Byte(0xbe);  // convert      

    TL=DS18B20_Read_Byte();   // LSB   

    TH=DS18B20_Read_Byte();   // MSB  


if(TH>7)

    {

        TH=~TH;

        TL=~TL; 

        temp=0;          //温度为负  

    }else temp=1;        //温度为正        

    tem=TH;           //获得高八位

    tem<<=8;    

    tem+=TL;          //获得底八位

    tem=(float)tem*0.625;    //转换     

if(temp)return tem;     //返回温度值

else return -tem;    

}

DS18B20.h代码:


#ifndef __DS18B20_H 

#define __DS18B20_H 

#include "sys.h"



//IO方向设置

#define DS18B20_IO_IN()  {GPIOG->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOG->CRH|=8<<12;}

文章来源于:电子工程世界    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>