ds18b20温度传感器原理

ds18b20温度传感器原理 DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围

DS18B20 温度传感器的工作原理主要基于其内部半导体温度传感元件（通常利用硅晶体管的 PN结 电压与温度的线性关系）和独特的单总线数字接口技术。以下是其核心原理的分步解释：

核心温度传感元件：
- DS18B20 内部的核心是一个类似于带隙基准电压源的电路结构。
- 该电路利用晶体管的基极-发射极电压 (Vbe) 的负温度系数（Vbe 随温度升高而降低），和一个与热力学温度成正比 (PTAT) 的电压（通常通过对两个工作在不同电流密度的晶体管产生的 ΔVbe 进行处理得到，具有正温度系数）相结合。
- 通过适当的电路设计，将这两个具有相反温度系数的电压进行处理（通常是按比例相加），可以产生一个在特定范围内与摄氏温度成线性关系的电压信号。
模数转换：
- 第一步产生的模拟电压信号（代表温度）并不能直接通过数字接口输出。
- DS18B20 内部包含一个高精度的Σ-Δ型模数转换器。
- 该ADC将模拟的温度电压信号转换成数字值。
- 转换的分辨率是可配置的（9, 10, 11 或 12 位），默认为 12 位。分辨率越高，精度越好，但转换所需时间越长（12位转换典型时间约750ms）。
单总线通信与协议：
- 单线接口： 这是 DS18B20 最具特色的部分。只需要一根数据线（外加电源和地线） 即可实现与微控制器（如Arduino, Raspberry Pi, STM32等）的双向通信。
- 信号机制： 通信通过在数据线上产生特定时序的高低电平脉冲来完成。DS18B20 使用严格的协议，包括复位脉冲、存在脉冲、ROM命令、功能命令、数据传输等步骤。
- 寄生供电: 一个特别巧妙的设计是“寄生供电”模式。在寄生供电模式下，传感器可以不需要单独的VDD引脚供电。它通过在数据线为高电平时通过一个内部二极管从数据线上“偷取”能量储存到内部电容中，在数据线为低电平时使用这些储存的能量工作。这进一步减少了布线要求（仅需2根线：数据线和地线）。
- 唯一64位序列号: 每个DS18B20在出厂时都被激光刻录了一个唯一的64位（8字节）ROM编码。这就像它的身份证号。这使得一根总线上可以挂载多个DS18B20，控制器可以通过读取ROM编码来识别和访问特定的传感器（使用Match ROM命令）或向总线上的所有传感器发送命令（使用Skip ROM或Search ROM命令）。
- 命令集: 控制器通过发送特定命令来操作DS18B20，例如Convert T（启动温度转换）、Read Scratchpad（读取包含温度值的暂存器）、Write Scratchpad（配置设置如分辨率）等。
数据处理与输出：
- 完成ADC转换后，温度的数字值被存储在内部一个名为“Scratchpad”的存储器区域。
- 当控制器发出Read Scratchpad命令时，DS18B20会通过单总线协议将Scratchpad中的数据（包括最重要的两个字节：温度值的高位和低位字节）逐位发送给控制器。
- 控制器接收到这些位后，需要按照DS18B20的格式将它们组装成16位的温度数据。对于12位分辨率，这16位数据中包含了符号位（指示正负温度）和表示摄氏度的小数值（每个LSB代表0.0625°C）。控制器需要进行简单的移位和可能的乘除法运算将其转换成易于理解的摄氏温度值。

简单总结流程：

感知物理温度： 内部半导体电路（基于PN结特性）将温度变化转换为成比例的电压变化。
数字化温度： 高精度Σ-Δ ADC将此模拟电压转换成数字值（可配置分辨率）。
数字存储： 转换后的温度数字值存储在内部暂存器(Scratchpad)中。
单线通信：
- 控制器通过单总线发送特定命令（如Convert T触发转换，Read Scratchpad读取数据）。
- DS18B20严格遵守单总线协议时序进行响应和数据传输。
- 利用唯一的64位ROM编码实现在一根总线上挂接多个传感器。
- 支持寄生供电，仅需两根线（数据+地）。
控制器处理： 控制器接收数字温度数据，进行格式解析（如处理符号位和小数位）得到最终摄氏温度值。