2.2.1 温度传感器
在现代检测技术中，传感器占据着不可动摇的重要位置。主机对数据的处理能力已经相当的强，但是对现实世界中的模拟量却无能为力。如果没有各种精确可靠的传感器对非电量和模拟信号进行检测并提供可靠的数据，那计算机也无法发挥他应有的作用。传感器把非电量转换为电量，经过放大处理后，转换为数字量输入计算机，由计算机对信号进行分析处理。从而传感器技术与计算机技术结合起来，对自动化和信息化起重要作用。
采用各种传感器和微处理技术可以对各种工业参数及工业产品进行测控及检验，准确测量产品性能，及时发现隐患。为提高产品质量、改进产品性能，防止事故发生提供必要的信息和更可靠的数据。由于系统的工作环境比较恶劣，且对测量要求比较高，所以选择合适的传感器很重要。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。智能温度传感器DS18B20正是朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。因此，智能温度传感器DS18B20作为温度测量装置已广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中[5]。
2.2.1.1 DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种数字化单总线器件。属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。DS18B20“一线总线”数
字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS18B20都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。可广泛用于工业、民用、军事等DS18B20的性能特点如下领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
（1） 采用DALLAS公司独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）在使用中不需要任何外围元件；
（3）可用数据线供电，供电电压范围：+3.0V～+5.5V；
（4）测温范围：-55～+125℃。固有测温分辨率为0.5℃。当在-10℃～+85℃范围内，可确保测量误差不超过0.5℃，在-55～+125℃范围内，测量误差也不超过2℃；
（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式；（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值；
（7）支持多点的组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温
（8）负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁，但此时芯片无法正常工作；
（9）DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度值转换只需93.75ms；（10）适配各种单片机或系统；
（11）内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位
循环冗余校验码(CRC)之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20[6]。
2.2.1.2 DS18B20的内部结构及工作原理
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装。其管脚排列见图2-1。
图2-1 DS18B20管脚封装图
I/O为数据输入/输出端（即单线总线），它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选用的外部电源端，不用时接地，GND为地，NC空脚。
DS18B20的内部结构主要包括7部分:寄生电源、温度传感器、64位激光（loser）ROM与单线接口、高速暂存器（即便筏式RAM，用于存放中间数据）、TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值、存储和控制逻辑、位循环冗余校验码（CRC）发生器。
DS18B20的测温原理见图2-2。
斜率累加器预置低温度系数振荡器计数比较器减法计数器1预置减到0高温度系数振荡器减法计数器2温度寄存器减到0图2-2 DS18B20内部测温原理图
图2-2中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，高温度系数晶振的振荡频率随温度变化而明显改变，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。
图2-2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，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，这就是DS18B20的测温原理[7]。
DS18B20内部对计算的结果可提供0.5℃的分辨力。温度以16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出，表2-1给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单DS18B20测温范围-55℃~+125℃，以0.5℃递增。线接口以串行方式传输。如果用于华氏温度，必须要使用一个转换因子查找表。注意DS18B20内温度表示值为1/2℃LSB，9bit 格式见表2-1。
表2-1 DS18B20温度数据表示格式
温度数据关系见表2-2。
表2-2 DS18B20温度数据关系数据输出(二进制)数据输出（十六进制）00000000 1111101000000000 0011001000000000 0000000100000000 0000000011111111 1111111111111111 1100111011111111 1001001000FA003200010000FFFFFFCEFF92温度°C+125+25+1/20-1/2-25-55DS18B20是本设计中的核心部件，是用来检测温度的传感器，它自身可以把检测到的模拟信号转换成数字信号，然后通过一根信号线将转换好的数据直接传输给单片机，供应5V的电源就行了，只要对其进行一系列必要的编程，就可以实现将温度全部读出。硬件连接见图2-3。
图2-3 DS18B20的连接电路
1.3.1 DS18B20原理简介
DS18B20单线数字温度传感器外部封装图如图1-2所示：
图1-2 单线数字温度传感器外部封装图
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
1 DS18B20性能特点
（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围： 3.0～5.5 V。（4）测温范围：-55～125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性，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。
2 DS18B20内部结构
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构主要由四部分组成，如图1-3所示：
存储器与控制逻辑I/O●VD1内部VDD●温度传感器64位ROMCGNDVDD●高温触发器TH和VD2电源检测高速单线接口高温触发器TL配置寄存器8位CRC寄存器图1-3 DS18B20内部结构
（1）64位光刻ROM（2）温度传感器
（3）非挥发的温度报警触发器TH和TL
（4）高速暂存器。
18B20的管脚排列如图1-4所示。 64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。
图1-4 DS18B20引脚分布图
（1）64 b闪速ROM的结构如表1-1：
８b检验CRCMSB LSB表1-1 闪速ROM的结构４８b序列号8b工厂代码（10H）MSB LSB MSB LSB 开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
（2）非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。
（3）高速暂存存储器[4]
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于
TMR1R011111确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如表1-2：
表1-2 DS18B20内部存储器
低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1-3所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。
表1-3 R1和R0模式表分辨率温度最大转换时间/mm93.759位187.510位275.0011位750.0012位R10011 R00101
由表1-3可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6～8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。
表1-4 R1和R0模式表
温度低位温度高位THTL配置保留保留保留８位CRC LSB MSB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。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.625 ℃/LSB形式表示。温度值格式如表1-5：
表1-5 温度值格式
232221202-12-22-32-4MSB LSBSSSSS262524MSB LSB对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表1-6是对应的一部分温度值。
表1-6 部分温度值二进制表示0000011111010000温度/℃+125十六进制表示07D0H+25.0625+0.50－0.5－25.0625－550000000100000000000000001111111111111110111111001001000100001000000000001111100001101111100100000191H0008H0000HFFF8HFE6FHFC90H DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T＜TL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。
（4）CRC的产生在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。
3、DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图1-5所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温
度的影响很小[5]，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。这就是DS18B20的测温原理。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同。[6]
斜率累加器预置计数比较器低温度系数振荡器减法计数器预置减到0增加温度寄存器停止高温度系数振荡器减法计数器2减到0图1-5 DS18B20的内部测温电路框图
4、DS18B20控制方法
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDD、
GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线接一个4.7KΩ左右的上拉电阻即可。
DS18B20有六条控制命令，如下表1-7所示：
表1-7 DS18B20控制命令
指 令 温度转换 读暂存器 写暂存器 复制暂存器
约定代码 操 作 说 明
44H 启动DS18B20进行温度转换 BEH 读暂存器9个字节内容 4EH 48H 将数据写入暂存器的TH、TL字节 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
重新调E2RAM B8H 读电源供电方式 B4H
CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作[7]。
其引脚排列如图1-6所示：
图1-6 DS18B20引脚图
序号123名称GNDDQVDD引脚功能描述地信号数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。误差(℃)温度(℃)
图1-7 DS18B20的典型工作曲线
5、DS18B20的延时问题
虽然DS18B20有诸多优点，但使用起来并非易事，由于采用单总线数据传
输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。因此，对读写的操作时序要求
严格。为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。在DS18B20操作
中，有了比较精确的延时保证，就可以对DS18B20进行读写操作、温度转换及显示等操作。
开始初始化18B20跳过读序列号，启动温度转换跳过读序列号，读取温度值处理返回温度值温度是否为正？Y正负温度标志位置1置2返回N正负温度标志位置0置2图 3-3 温度采集流程图
开始复位18B20是否成功？Y写DS18B20命令，跳过ROM命令设置N延时复位18B20是否成功？Y写DS18B20命令，开始测温N循环取得温度返回3-3 温度采集流程图
3.2.2温度检测程序
该程序功能是把数字传感器DS18B20检测的当前温度值读入单片机内存单元。其程序流程图如图3-2所示：
开始18B20复位否18B20存在？是发出温度转换命令显示测温点位置写入18B20延时延时读温度前复位发出读温度命令写入18B20读入温度值数据返回图3-2 温度检测程序流程图
3.2.3 多路监测温度处理程序
因为要进行多路温度检测，因此要通过键盘来改变检测通道。这里通过设置通道加，通道减，来改变测试的通道。这就是多路监测温度处理程序所要完成的功能。程序流程图如图3-3所示：
开始N通道加一按键按下？Y显示下一路温度值通道减一按键按下？Y显示上一路温度值N
结束图3-3 温度处理程序流程图
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