数字脉冲温度传感器工作原理

温度传感器：DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

2 DS18B20的内部结构DS18B20内部结构如图1所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如图2所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地，见图4）。

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。

64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。

ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图1 DS18B20的内部结构图2DS18B20的管脚排列DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

例如＋125℃的数字输出为07D0H，＋25.0625℃的数字输出为0191H，－25.0625℃的数字输出为FF6FH，－55℃的数字输出为FC90H。

温度值高字节高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。

其中配置寄存器的格式如下：R1、R0决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。

温度传感器DS18B2C工作原理温度传感器：DS18B20是DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO -92小体积封装形式；温度测量范围为—55'C 〜+ 125C ，可编程为9位〜12位A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625C ，被测温度用符 号扩展的16位数字量方式串行输岀；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个 DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS 佃B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

2 DS18B20的内部结构DS18B20内部结构如图1所示，主要由4部分组成：64位ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发 器TH 和TL 、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如图2所示，DQ 为数字信号输入/输出端；GND 为电源地；VDD 为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地，见图4)。

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。

64位ROM 的排的循环冗余校验码(CRC=X8 + X5 + X4 + 1 )。

ROM 的作用是 使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图1 DS18B20的内部结构INTtRKALHI 1■K1H'iICtWM图2DS18B20的管脚排列DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用 16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625'C/LSB 形式表达，其中 S 为符号位。

例如+ 125C 的数字输出为 07D0H ，+ 25.0625C 的数字输出为 0191H , -25.0625C 的数字输出为 FF6FH ，- 55C 的数字输出为 FC90H 。

基于PWM模式输出的温度传感器
 数字温度传感器可直接与微处理器进行接口，大大方便了传感器输出信号的处理。

本文以PWM模式输出的TMP04型数字式温度传感器为例，介绍由PCI单片机实现的几种测温方案，并给出软件设计流程。

1 引言
数字式温度传感器主要的输出模式有PWM、SPI、I2C、SMBus等，当今主流的单片机几乎都支持这种接口方式，文中以PWM输出模式为例，讨论了PIC单片机对于这种输出模式的测温方案。

PWM模式输出的数字温度传感器如TMP03/04、TPM05/06等，都是将传感器件测得的温度信息数字化后，经过一定的输出编码，调制成占空比与温度成正比的数字脉冲信号单线输出。

输出信号接入微处理器后，只需测得数字脉冲信号的占空比就可由软件运算得到相应的温度信息。

而对于微处理器来说，输入信号占空比的计算方式多种多样以PCI系列单片机为例，在PIC16、PIC17、PIC18中均可由CCP模块的捕捉功能、RB端口电平变化中断功能，外部中断功能等多种方法实现。

以下将分别作以介绍。

温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。

众所周知，日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化，在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。

1.热电偶的工作原理当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，如图2-1(a)所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。

这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。

与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。

两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。

热电偶的热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。

接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。

温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。

无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。

当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势差△V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图2-1(b)所示。

并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。

实验表明，当△V很小时，△V与△T成正比关系。

定义△V对△T的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。

塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。

2.热电偶的种类目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

ds18b20温度传感器工作原理
DS18B20是一种数字温度传感器，它基于一种叫做“单总线协议”的通信方式工作。

其工作原理如下：
1. 外部因素引起的温度变化会导致DS18B20内部的微处理器
产生微小的电压变化。

2. DS18B20将这个微小的电压变化转换为数字信号，并通过
单总线协议发送给外部设备。

3. 在单总线协议中，DS18B20通过发送一系列的脉冲来传递
数字信号。

这些脉冲的频率和持续时间表示数字信号的不同值。

通信的开始和结束由特殊的脉冲来标识。

4. 外部设备通过单总线协议接收和解析DS18B20发送的数字
信号，并将其转换为实际的温度值。

外部设备可以是微控制器、计算机或其他支持单总线协议的设备。

总的来说，DS18B20温度传感器通过将温度变化转换为数字
信号，并通过单总线协议发送给外部设备来实现温度测量。

1.DS18B20的工作原理① DS18B20数字温度传感器概述DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

DS18B20产品的特点●只要求一个端口即可实现通信。

●在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

●实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

●测量温度范围在－55.C到＋125.C之间。

●数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

●内部有温度上、下限告警设置。

TO－92封装的DS18B20的引脚排列见右图，其引脚功能描述见表表3-2DS18B20详细引脚功能描述②DS18B20的内部结构DS18B20的内部框图下图所示，DS18B20 的内部有64 位的ROM 单元，和9 字节的暂存器单元。

64位ROM存储器件独一无二的序列号。

暂存器包含两字节（0和1字节）的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。

暂存器还提供一字节的上线警报触发（T H）和下线警报触发（TL）寄存器（2和3字节），和一字节的配置寄存器（4字节），使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。

暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。

第八字节含有循环冗余码（CRC ）。

使用寄生电源时，DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP 在总线低电平时为器件供电。

（字节5~8 就不用看了）。

图为暂存器A.温度寄存器（0和1字节）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

温度传感器温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。

温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。

由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。

温度的变化会改变物体的某种特性，如体积、电阻、电容、电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等，温度传感器就是以此为原理对温度进行间接测量的。

很多材料的特性都会随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。

工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下上百度到零上几千度，而不同材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。

随着生产的发展，新型温度传感器还在不断涌现，如微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。

按照温度传感器与被测介质的接触方式划分，可以将其分为两大类：接触式和非接触式。

•接触式温度传感器需要与被测介质保持接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度，这一类传感器主要有电阻式、热电偶式、PN结式等。

这类传感器的优势是测量稳定，精度高，不容易受到环境因素的干扰，可以长时间的对目标进行连续测量。

缺点是受被测物体影响较大，容易损坏，空间局限性大。

•非接触式温度传感器则无需与被测介质接触，而是通过检测被测介质的热辐射或对流传来达到测温的目的，这一类传感器最典型是红外测温传感器。

这类传感器的优势是可以测量运动状态物体的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，运动中的活塞温度）及热容量小的物体（如集成电路中的温度分布），因为不需要接触所以受空间局限小，更加灵活。

劣势是容易受到环境干扰。

按照传感器的输出方式及接口方式划分，可以将其分为模拟式和数字式两大类。

模拟式温度传感器输出的是模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。

温度传感器工作原理1.引脚★●GND接地。

●DQ为数字信号输入\输出端。

●VDD为外接电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）2.与单片机的连接方式★单线数字温度传感器DS18B20与单片机连接电路非常简单，引脚1接地（GND），引脚3（VCC）接电源+5V，引脚2（DQ）接单片机输入\输出一个端口，电压+5V和信号线（DQ）之间接有一个4.7k的电阻。

由于每片DS18B20含有唯一的串行数据口，所以在一条总线上可以挂接多个DS18B20芯片。

外部供电方式单点测温电路如图★外部供电方式多点测温电路如图★3.DS18B20的性能特点DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，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。

DS18B20的性能特点如下：●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。

●多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能。

●不需要外部器件。

●在寄生电源方式下可由数据线供电，电压范围为3.0~5.5V。

●零待机功耗。

●温度以9~12位数字量读出●用户可定义的非易失性温度报警设置。

●报警搜索命令识别并标识超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。

●负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。

4.内部结构.DS18B20采用3脚PR—35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图★64位ＲＯＭ的位结构如图★◆。

开始８位是产品类型的编号；接着是每个器件的唯一序号，共有４８位；最后８位是前面５６位的ＣＲＣ检验码，这也是多个DS18B20可以采用单线进行通信的原因。

非易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数据。

MSB LSB MSB LSB MSB LSB 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电擦除的E2PROM。

一、实验原理DS18B20 测温原理如图 1.2 所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号发送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器 1 和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

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，当计数器 1 的预置值减到0时,温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被装入，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。

斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1 的预置值。

图 1.1 测温原理图二、测温系统硬件电路图本测温系统选择体积小、成本低、内带2KEEPROM的89C2051作为控制芯片，晶振采用12MHZ，用74LS07驱动四个LED数码管和一个继电器线圈从而驱动电加热设备。

P3.5口作为采集温度信号线，P1口作为显示数据线，与P3.3,P3.4组成显示的个位、十位及符号位，采用动态扫描显示。

在本系统中测控一路温度信号，DS18B20通过单总线方式连接在单片机的P3.5引脚上，可设定所需的温度测定值（包括上限值和下限值），P3.1引脚控制电热设备启动与停止，从而达到控制温度效果。

整个系统的硬件原理图如图2.1所示：图2.1 测温系统硬件原理图二、实验过程记录3.1 DS18B20控制过程DS18B20的操作是通过执行操作命令实现的，其中包含复位脉冲、响应脉冲、读、写时序，时序的具体要求如下：（1）复位脉冲：单片机发出一个宽为480—960μs的负脉冲之后再发出5—60μs的正脉冲，此时DS18B20会发出一个60—240μs的响应脉冲，复位时序结束。

也就是呼应阶段。

（2）写时间片：写一位二进制的信息，周期至少为61μS,其中含1μS的恢复时间，单片机启动写程序后15—60μs期间DS18B20自动采样数据线，低电平为“0”，高电平为“1”。