DS18B20数字温度传感器操作解析
文章目录
- 引言
- 特点
- 工作原理
- 引脚说明
- 配置寄存器
- 温度寄存器
- 时序
- 初始化时序
- 写时序
- 读时序
引言
DS18B20 是一种广泛使用的数字温度传感器,具有高精度和易用性。是Dallas Semiconductor公司(现为Maxim Integrated公司)生产的单总线数字温度传感器。
特点
- 高精度:温度测量精度为±0.5°C。分辨率可配置为9到12位,默认情况下为12位。
- 宽测温范围:温度测量范围为-55°C到+125°C。
- 单总线接口:使用1-Wire通信协议,仅需一根数据线进行通信,极大地简化了布线。支持多个传感器连接到同一总线,通过唯一的64位序列号进行识别。
- 电源选项:支持寄生电源模式,只需两根引脚(数据和地)即可工作,通过数据线提供电源。
工作电压范围为3.0V到5.5V,适用于各种微控制器和电源环境。 - 低功耗:在非活动状态下功耗极低,适合电池供电的应用。
- 内置存储:具有温度上限和下限的报警功能,用户可以设置温度阈值。
内置非易失性存储器,可存储用户配置。
工作原理
DS18B20 通过1-Wire协议进行通信,只需要一根数据线(以及电源和地线)。每个DS18B20传感器都有一个唯一的64位序列号,使得多个传感器可以同时连接在一条总线上而不会发生地址冲突。
引脚说明
DS18B20 有三根引脚:
- VDD(电源): 3.0V到5.5V
- GND(地): 连接到系统地
- DQ(数据): 与微控制器的GPIO引脚连接,同时通过一个4.7kΩ的上拉电阻连接到VDD
配置寄存器
配置寄存器用于设置温度测量的分辨率,以及控制其他功能。它是一个8位的寄存器。低五位全是1
,高三位的TM是测试模式位,用来设置DS18B20在工作模式还是测试模式。出厂设置的是0,用户无法进行更改。
配置寄存器中的R1和R0位用于设置温度测量的分辨率。不同的分辨率会影响测量的精度和转换时间。以下是R1和R0位的组合及其对应的分辨率和转换时间:
R1 | R0 | 精度 | 最大转换时间 |
---|---|---|---|
0 | 0 | 9位(bit) | 93.75 ms |
0 | 1 | 10位(bit) | 187.5 ms |
1 | 0 | 11位(bit) | 375 ms |
1 | 1 | 12位(bit) | 750 ms |
R1 和 R0 位的组合决定了 DS18B20 传感器的温度测量精度(分辨率),精度越高,最大转换时间越长。(注意:默认情况下是12位)
温度寄存器
温度寄存器存储的是当前的温度测量值。它是一个16位的寄存器,由两个字节组成:
- 高字节(Most Significant Byte, MSB):前五位用于表示符号位。
- 低字节(Least Significant Byte, LSB)
其中 S 表示符号位(0 表示正温度,1 表示负温度)。
温度数据以补码形式存储,具体转换公式如下:
- 温度 ( ° C ) = R a w T e m p e r a t u r e D a t a 16.0 温度(°C)=\frac{Raw Temperature Data}{16.0} 温度(°C)=16.0RawTemperatureData
例如,读取的原始数据为 0x0191,则温度值为: 温度 ( ° C ) = 0 x 0191 16.0 = 401 16.0 = 25.0625 温度(°C)=\frac{0x0191}{16.0}=\frac{401}{16.0}=25.0625 温度(°C)=16.00x0191=16.0401=25.0625
注意:负温度,需要对数据输出进行取反之后加1,然后按照上面的公式进行计算。
时序
DS18B20 温度传感器通过单总线(1-Wire)协议进行通信。1-Wire 协议使用一根数据线(DQ)进行通信,该协议包括复位、存在检测、命令和数据传输等操作。
初始化时序
在使用 DS18B20 温度传感器时,初始化时序是至关重要的。初始化时序包括总线复位、存在脉冲以及设备初始化的详细步骤。
初始化时序步骤
-
总线复位:主机通过总线复位将数据线拉低至少 480 微秒(µs),以重置总线上的所有设备。此时,所有连接在总线上的 DS18B20 设备都会被复位。
-
存在脉冲:DS18B20 响应主机的复位信号,在复位脉冲后的 15-60 µs 内,将数据线拉低 60-240 µs,发送存在脉冲。
-
ROM 命令:ROM 命令用于选择特定的 DS18B20 设备。在单个设备的情况下,可以使用跳过 ROM(Skip ROM)命令。常见的 ROM 命令包括:
-
功能命令:功能命令用于控制 DS18B20 的操作,如温度转换和数据读取。常见的功能命令包括:
- Convert T (0x44): 启动温度转换。
- Write Scratchpad (0x4E): 向 Scratchpad 写入数据。
- Read Scratchpad (0xBE): 读取 Scratchpad 数据。
- Copy Scratchpad (0x48): 将 Scratchpad 数据复制到 EEPROM。
- Recall E2 (0xB8): 从 EEPROM 读取数据到 Scratchpad。
- Read Power Supply (0xB4): 检查设备的电源模式。
写时序
写时段有两种情况:“写1”时段和“写0”时段。主设备通过写1时段来向DS18B20中写入逻辑1以及通过写0时段来向DS18B20中写入逻辑0。每个写时段最小必须有60us的持续时间且独立的写时段间至少有1us的恢复时间。两次写时序均起始于主机拉低总线。
读时序
仅在读时段期间DS18B20才能向主设备传送数据。因此,主设备在执行完读暂存寄存器(BEh)或读取供电模式[B4h]后,必须及时地生成读时段,这样DS18B20才能提供所需的数据。此外,主设备可以在执行完转换温度(44h)或拷贝EEPROM(B8h)命令后生成读时段,以便获得在“DS18B20功能命令”章节中提到的操作信息。 每个读时段最小必须有60us的持续时间且独立的写时段间至少有1us的恢复时间。读时段通过主设备将总线拉低超过1us再释放总线来实现初始化。当主设备初始化完读时段后,DS18B20将会向总线发送0或者1。DS18B20通过将总线拉至高来发送逻辑1,将总线拉至低来发送逻辑0。当发送完0后,DS18B20将会释放总线,则通过上拉电阻该总线将会恢复到高电平的闲置状态。从DS18B20中输出的数据在初始化读时序后仅有15us的有效时间。因此,主设备在开始改读时段后的15us之内必须释放总线,并且对总线进行采样。
DS18B20的典型温度读取过程为:复位 → \rightarrow →发SKIP ROM命令(0xCC) → \rightarrow →发开始转换命令(0x44) → \rightarrow →延时 → \rightarrow →复位 → \rightarrow →发送SKIP ROM命令(0xCC) → \rightarrow →发读存储器命令(0xBE) → \rightarrow →连续读出两个字节数据(即温度) → \rightarrow →结束。
数据传输包括命令和数据的写入和读取。常见命令包括:
- Skip ROM(0xCC):跳过 ROM 操作,直接与总线上唯一的 DS18B20 通信。
- Read Scratchpad(0xBE):读取 Scratchpad 的内容。
- Write Scratchpad(0x4E):向 Scratchpad 写入数据。
- Convert T(0x44):启动温度转换。
- Copy Scratchpad(0x48):将 Scratchpad 的内容复制到 EEPROM。
- Recall E2(0xB8):将 EEPROM 的内容读取到 Scratchpad。
- Read Power Supply(0xB4):检查 DS18B20 是否使用寄生电源。
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