基于DS18B20数字温度传感器的仿真与设计应用(2)

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

3.1.2DS18B20温度传感器简介

温度的测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且水银有毒，玻璃管易碎。代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概略指示。不过在居民住宅中使用已可满足要求。在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值，热电势等)的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。 （1) 智能温度传感器DS18B20的性能特点：

1) 独特的单总线接口仅需要一个端口引脚进行通信,可以是串行口也可以是其他

I/O口，无须变换，直接输出被测温度值（9位二进制，含符号位）。 多个DS18B20可以并联挂接在一条总线上，实现实现多点温度采集检测功能； 2)可测温度范围为-55～+125℃，测量分辨率为0.0625℃； 3) 内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；

4) 内含寄生电源，可直接通过数据总线供电，电压范围为3.0～5.5V； 5) 零待机功耗；

6)用户可通过编程分别设定各路的温度上、下限温度值来实现报警功能；

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7) 适配各种微处理器；

8) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 9) 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； 10) 可检测距离远，最远测量距离为150m 。 （2） DS18B20的内部结构

DS18B20的内部结构如图3-1所示。 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度报警触发器,温度传感器以及高速缓存器。

1) 64位光刻ROM。64位光刻ROM是出厂前已被刻好的，它可以看做是该DS18B0的地址序列号，不同的器件不一样，64位的地址序列号的构成如表2-1所示。开始8位是产品序列号代表产品的序列，接着48位产品序号代表同一系列产品的不同产品，最后8位是前56位的CRC校验码，所以不同的器件的地址序列号各不一样这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因（8位CRC编码的计算公式为CRC=X+X+X+1）。在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

表3－1 64位ROM地址序列号结构

图3－1 DS18B20内部结构

2) 非挥发的温度报警触发器(包括上限温度触发器TH和下限温度触发器TL)。可通过软件程序写入设定用户所要求的报警上下限温度值。 3) 高速暂存器。可以设置DS18B20温度转换的精度。DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率,如图1.4。 DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可

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电擦除的E2PRAM。

此外，DS18B20内部还包括寄生电源、电源检测、存储控制逻辑、8位循环冗余码生成器（CRC）等部分。

DS18B20有两种供电方式。如图3-2所示：图（a）是由外电源供电，图(b)是I/O口总线和寄生电容配合供电。DS18B20寄生电源由两个二极管和寄生电容构成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时，电源端与接地端并联接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。

采用寄生电源有两个优点：一是检测远程温度是无需本地电源；二是缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源，则通过二极管向器件供电。

图(a)使用外部电源供电 图 （b）使用寄生电源供电

图3-2 DS18B20与微处理器的硬件连接方式

由表3-3可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。

当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；表2-4是一部分温度值对应的二进制温度数据。

当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。

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表3－4 一部分温度对应值表

3.2 DS18B20的测温原理

每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的64地址位序列号，在出厂前已写入片内ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。

程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。

DS18B20的测温原理如图3-3所示。低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 ℃所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

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图2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，提高测量准确制度。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

图3-3 DS18B20的测温原理图

3.3 DS18B20与微处理器的接口技术

1. DS18B20与单片机的链接有两种方法，如图3-2所示：一种是VDD接外部电源，GND接地，I/O与单片机的任一条I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDD、GND并联接地，I/O接单片机的任一条I/O。无论是内部寄生电源供电还是外部供电，I/O接口都要接漏极开路或三态输出以提高负载驱动能力。本设计采用寄生电源供电模式，I/O口接5K …… 此处隐藏：3089字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……