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DS18B20介绍
模拟温度传感器的基本结构
数字温度传感器的应用
引脚及应用电路
DS18B20的原理图
DS18B20内部结构框图
暂存器内部
单总线介绍
单总线电路规范
单总线时序结构
初始化
发送一位
发送一个字节
接收一位
接收一个字节
DS18B20操作流程
指令介…目录
DS18B20介绍
模拟温度传感器的基本结构
数字温度传感器的应用
引脚及应用电路
DS18B20的原理图
DS18B20内部结构框图
暂存器内部
单总线介绍
单总线电路规范
单总线时序结构
初始化
发送一位
发送一个字节
接收一位
接收一个字节
DS18B20操作流程
指令介绍
ROM指令
功能指令
DS18B20数据帧
温度变换
温度读取
温度存储格式 DS18B20介绍 DS18B20是一种常见的数字温度传感器其控制命令和数据都是以数字信号的方式输入输出相比较于模拟温度传感器具有功能强大、硬件简单、易扩展、抗干扰性强等特点
测温范围-55°C 到 125°C
通信接口1-Wire单总线
其它特征可形成总线结构可以在一条通信线上挂很多设备这样就可以节省IO口这样单片机一个IO口就可以读很多个温度传感器、内置温度报警功能、可寄生供电因为数字温度传感器的三个引脚当中有两个是供电的一个是数据输入输出的如果使用寄生供电的话那么VCC电源正极就不用接了直接一个数据线和一个GND就可以实现数据通信这样十分省线路 DS18B20这个模块就在我们开发板上的这个位置 这个温度传感器是可以拔下来的 模拟温度传感器的基本结构 通过上图我们知道模拟温度传感器的结构比较复杂我们最后读取到的温度只是正比于我们的温度我们还得对这个数据进行一定的系数配比才能测出我们真正的温度。 数字温度传感器的应用
那数字温度传感器又是怎样应用的呢
比如下面的这个DS18B20 它里面集成了模拟温度传感器和微控制器。其实它里面也是有芯片的它相当于把整个模拟温度传感器的结构合起来变成一个芯片然后它内部读取内部的模拟温度传感器然后通过内部转化内部有一些控制器把温度数据读出来把温度存在里面的RAM里面。我们只需要通过引脚和单总线1-Wire通信协议把这个温度给转化读取出来。而且整个转化的过程中都是数字量输入输出的所以也不需要我们的单片机有AD转换这个功能也不需要外部AD芯片因此应用起来比较简单。 引脚及应用电路 这个数字温度传感器的封装跟三极管一样的封装叫做TO92封装。
PSVDD和VCC的意思基本一样
DS18B20所接的上拉电阻和I2C所接的上拉电阻功能是一样的都是为了实现总线操作。 DS18B20的原理图 原理图上这个模块没有接上拉电阻是因为我们单片机的IO口上已经接了上拉电阻 DS18B20内部结构框图 PS64-BIT ROM作为器件地址用于总线通信的寻址
SCRATCHPAD暂存器用于总线的数据交互
EEPROM用于保存温度触发阈值和配置参数。 其中这部分是寄生供电电路有了它可以省去VDD省去VDD之后总得有电源的正极吧那个电源就是从DQ进来的。 比如正常的来说这个电路就是上图所画的路径但是如果说那个VDD没有接的话那这条路显然是没有电源正极的这时它就会从DQ取出电源正极然后通过这个二极管然后向内部的控制器供电。 这个电容是相当于一个电池如果DQ是高电平时则就可以给这个电容充电当DQ是低电平是这个cpp就提取电源给内部。 如果采用这种寄生供电的话对于内部比较耗电的操作我们还需要给这个DQ一个强上拉因为我们的上拉电阻比较弱通过的电流比较小不能达到温度传感器强电流工作时的需要。
给它一个强上拉就相当于给它一个非常高的电源正极以达到内部供电的稳定。 这里是一个电源供给的供应它可以感应那个外部VDD是否存在如果不存在它会调节内部的结构来省电或者调节内部的一些执行操作逻辑。
当然这个寄生供电的结构是自动运行的我们不需要对程序进行任何的配置。如果采用寄生供电直接把这个外部VDD接到GND就行了。 这次我们的程序将不会用到寄生供电因为寄生供电还需要一个强上拉而我们的电路板没有强上拉的电路。我们直接使用这个外部VDD供电就不用考虑寄生供电的部分了。 DQ的数据端口过来的时候首先要经过64位的ROM只读存储器和1-Wire port这里的ROM真的是只读存储器是一种光刻ROM标识着ID号每一个DS18B20都有一个全球唯一的ID号用来表明它的身份在通信的时候作为器件的地址用于总线的一个通信选址就像上一节所讲的I2C总线也有一个选址一样比如固定地址1010和三位可编程地址这就是器件的地址但是这里我们没有可编程地址它所有的地址都是存在了这个64位的ROM里面而且是不可更改的。
DQ首先进来时是到1-Wire接口这里来就像I2C一样刚要通信时就要发出地址1-Wire接口就像是整个DS18B20通信的一个大门外部发送正确的地址才能通过这个大门。当然我们后面还会学习它可以选择指令跳过这个大门如果只有一个设备在总线上的话我们可以选择跳过这个大门。 至此我们知道1-Wire接口这里是用来寻址的当它选址进来之后就会进到内存的一个控制逻辑我们可以把它理解为一个房子的管家如果我们通过大门就会与它进行交互它直接掌管着内部的一个RAM。 这个RAM这里的英文叫做Scratch Pad这个东西叫作暂存器实际上就是一种RAM里面存的就是温度等等一些配置的参数。它也就是数据交互的寄存器用于总线的数据交互就相当于当我们想要通信的时候跳过大门和管家进行交流管家就会知道我们想要干什么如果是想要读取它就会把这个暂存器或是说这个RAM的东西放到总线上如果是想要写入的话它就会把我们的数据写到这个暂存器里面或者是执行一些指令都是由这一部分管家来完成的。 这个RAM只是一个存数据的一个盒子它跟这些设备进行关联 这是它内部的一些设备实实在在的设备。其中第一个就是Temperature Sensor温度传感器。它相当于内部的一个模拟温度传感器它自动把这些温度转换。当我们发出指令让它开始温度转换的时候这个温度传感器就工作然后把它的数据放在我们的RAM里面然后再进行数据交互就可以把温度值拿出来了。 其他的这些设备是用于更高阶的功能。比如alarm high Trigger报警高触发寄存器用来存储温度的上限阈值用来温度报警的它的一个存储器是E2PROM掉电不丢失数据 接着下面那个设备就是与alarm high Trigger对应的报警低触发寄存器也是E2PROM 再下来就是配置寄存器这个寄存器里面存的就一个东西就是设备分辨率和精度分辨率是可以调的出厂默认最高分辨率是0.0625摄氏度我们可以通过配置这个寄存器里面的两位其他位没有用配置之后可以把精度降低分辨率就会最低是0.5摄氏度温度转换的速度就会提升。它也是E2PROM。 最后一个就是8位的CRC GeneratorCRC生成器CRC在我们这个领域里面是一个比较出名的一种校验码的算法它会通过一种特殊的格式把我们这个RAM之前的一些数据进行一个校验然后得到一个校验码放在后面用于通信时判断数据是否正确。举个例子我们身份证的最后一位就是校验码是把我们前面的数字做一个运算得到的一个校验码当输身份证输错了的时候它都能校验出来而且这个CRC校验是一个校正率比较高的一个校验码。
当然本节的代码演示并不会涉及到这个内容我们只需要把暂存器的温度读出来。 暂存器内部
我们接下来看一下这个暂存器红色标识内部是怎么存的和左边的三个EEPROM蓝色标识是怎么交互的绿色标识的两个设备是实实在在的设备是不会变的所以我们先不用介绍。 那我们来具体介绍一下这个暂存器它内部总共是9个字节其中前两位存的分别是最低有效位和最高有效位这两个字节共同组成温度的一个数据。括号里面的是一个默认值如果上电直接读的话默认就是85摄氏度。 接下来是暂存器的字节2~字节4和EEPROM上的字节一样为什么呢因为当我们往暂存器里写东西的时候我们要发送一条指令把暂存器里的东西复制到EEPROM里面。当然我们也可以发送指令将EEPROM里面的东西回调到暂存器里面。
其实暂存器是运行的时候实实在在参考的EEPROM只做一个永久存储。在上电的时候会自动把EEPROM三个字节搬到RAM里面方便里面判断。 再往下三个字节时保留位在本节没有使用以后如果器件升级的话可能会用到。 最后一位是CRC校验就是把前面八个字节做一个运算算出来一个校验位跟在后面。
我们把整个校验位读出来之后可以进行相同的运算我们在程序里运算看看是不是得到这个校验位。如果是的话证明数据是正确的否则是有问题的。 总结我们最后的操作流程就是我们最后会发送一条温度转换指令我们的硬件实实在在的传感器就会把我们的这个温度值放在我们的暂存器RAM里面然后我们再发送一条读暂存器的指令紧接着跟着我们的读时序就会把我们的暂存器给读出来。这样我们就可以根据这两个字节得到我们的温度。 那么我们的问题就转变为下一个问题就是如何通过我们的单总线来发送指令来接收我们的暂存器。发送指令本身也是发送数据接收暂存器就是接收数据咋么来解决这两个问题 单总线介绍
单总线1-Wire BUS是由Dallas公司开发的一种通用数据总线
一根通信线DQ
异步没有单独磁通线、半双工只有一根线要在这根线上负责数据的来回及发送又接收
单总线只需要一根通信线即可实现数据的双向传输当采用寄生供电时还可以省去设备的VDD线路此时供电加通信只需要DQ和GND两根线 上图左边是DS18B20右边的那个是温湿度传感器可以测湿度和温度这两种设备都利用了单总线。 工程项目上一般单总线的使用比I2C总线少。 单总线电路规范 设备的DQ均要配置成开漏输出模式
DQ添加一个上拉电阻阻值一般为4.7KΩ左右
若此总线的从机采取寄生供电则主机还应配一个强上拉输出电路
不使用寄生供电时的电路本节代码主要用这种独立供电模式 使用寄生供电时的电路稍作了解
将VDD接到GND上只需要GND和DQ两根线然后主机还接上一个强上拉输出电路 这里有个电子开关当左边给个低电平时开关闭合就是强上拉 当左边给个高电平时开关断开就是弱上拉这时满足它基本的操作还是可以的但是在温度转换或者EEPROM读写的时候这些耗电操作是必须要强上拉才能满足内部的工作要求的。 单总线时序结构 初始化
初始化主机将总线拉低至少480us然后释放总线等待15~60us可以取中间值后存在的从机会拉低总线60~240us可以取中间值以响应主机之后从机将释放总线 可以将这个时序分成两个部分 发送一位
发送一位主机将总线拉低60~120us最大不能超过120us然后释放总线表示发送0主机将总线拉低1~15us然后释放总线表示发送1。从机将在总线拉低30us后典型值读取电平整个时间片应大于60us 这个也可以分为两部分 发送一个字节
发送一个字节连续调用8次发送一位的时序依次发送一个字节的8位低位在前 接收一位
接收一位主机将总线拉低1~15us然后释放总线并在拉低后15us内读取总线电平尽量贴近15us的末尾读取为低电平则为接收0读取为高电平则为接收1 整个时间片应大于60us 接收一个字节
接收一个字节连续调用8次接收一位的时序依次接收一个字节的8位低位在前 DS18B20操作流程
初始化从机复位主机判断从机是否响应
ROM操作ROM指令本指令需要的读写操作
ROM操作就相当于我们前面说的要进入这个大门 功能操作功能指令本指令需要的读写操作
功能操作就相当于RAM操作访问里面的数据对里面的数据进行读写 指令介绍 ROM指令
SEARCH ROM [F0h]搜寻ROM具体的操作流程是比较复杂的本节不用管
READ ROM [33h]读ROM
MATCH ROM [55h]匹配ROM相当于I2C想要读写操作时首先要发从机地址那匹配ROM紧跟着就会发送设备ROM的地址我们就可以选择得到对应的开门的钥匙和某一个设备单独通信了。
SKIP ROM [CCh]跳过ROM本节就是使用这个因为我们只有一个设备连在上面所以根本不需要绳子先跟谁交流还不知道吗当然如果线上有多个设备就不能使用跳过ROM。
ALARM SEARCH [ECh]报警ROM这个也是在多个设备时使用我们的温度有上限阈值和下限阈值如果某个设备处于报警状态那我可以报警搜索获取哪个设备会有报警。这个操作和搜寻ROM一样比较复杂本节不会使用。
功能指令
CONVERT T [44h]温度变换我们想要读取温度之前首先要执行温度变换但我们执行完ROM指令之后如果发送这条指令它就会在这里如下图所示启动温度变化然后把这个温度传感器的数值读取出来放到暂存器里面相当于暂存器温度值更新 WRITE SCRATCHPAD [4Eh]写暂存器如果调用这条指令再跟写的一个时序它就会把我们的字节写入到中间三个字节 READ SCRATCHPAD [BEh]读暂存器在温度读取的时候会用到这条指令如果调用这条指令再调用接收字节这个时序那DS18B20就会依次将暂存器的内容读出来最后会读出来CRC然后这个指令也解出来。我们得到这么多字节后就可以进行数据的操作处理了 但我们本节只想读取温度所以读两个字节这个时序就不需要继续执行了后面都不需要只需要这两个字节就可以获取温度了 COPY SCRATCHPAD [48h]复制暂存器当从机接收到这条指令的时候它就会暂存器里面的这三个字节给写入到这个EEPROM里面。如果接收这条指令就相当于左边三个值就会覆盖原来的值右边。如果我们想要掉电不丢失我们先写暂存器把放在里面然后再调用这条指令复制暂存器它就会把左边三个值写入EEPROM里面。 RECALL E2 [B8h]recall EEPROM和上一条复制暂存器指令是相反的过程如果发这条指令它就会把EEPROM的三个字节给覆盖到暂存器里的那三个字节里面去。 READ POWER SUPPLY [B4h]读取设备的供电模式发完这条指令后后面会跟着读取一位的时序它就会响应我们的供电到底是寄生供电还是独立供电 也就是我们之前之前讲的这里会感应供电模式是寄生供电还是独立供电 我们为什么要读取这里是寄生供电还是独立供电呢
因为在寄生供电的时候温度变换之后需要强上拉那么什么时候需要呢我们就可以先读一下这个位看看是不是在寄生供电如果不是在寄生供电就不需要了强上拉了。本节是独立供电模式所以也不需要这条指令。 这些所有的指令中重点是三个指令跳过ROM温度变换读暂存器。 DS18B20数据帧
温度变换
温度变换初始化→跳过ROM →开始温度变换 PSCCH就是0xCC字节H是16进制的后缀
温度读取
温度读取初始化→跳过ROM →读暂存器→连续的读操作 温度存储格式 高字节和低字节合起来成了这16位数据 这16位数据的前5位表示符号位如果是负的那么这5位全是1如果是正的这5位全是0 后四位是存小数的
bit3是1的话代表存的是0.5
bit2是1的话代表存的是0.25
bit1是1的话代表存的是0.125
bit0是1的话代表存的是0.0625 所以最低位变化一次整个温度值变化的是0.0625 剩下的bit4到bit10都是温度的整数部分 我们这张表上的数值都是例子 注意存储是以二进制的补码形式来存储的。对负数的补码的整个位进行取反加1就能得到相应的正数值比如-0.5度的二进制取反的话就是0000 0000 0000 0111加1就变成0000 0000 0000 1000结果正好是正0.5的二进制数值 以上就是本节内容下一节开始代码演示
