数字温度传感器DS18B20的结构及应用简介
摘 要：现如今，温度测量是一项必不可少的技术，在国家支持下已经蓬勃发展起来。在无线温度测控技术及应用中，传感器技术是温度测控的关键技术，文章首先对温度测控系统进行了概要介绍，而后对温度传感器的分类重点对数字温度传感器（DS18B20）进行了阐述，并将数字温度传感器（DS18B20）结合了单片无线收发芯片nRF401和单片机AT89C51在花卉、蔬菜、渔业等的应用做了简要表述。
关键词：温度控制；数字温度传感器；应用
1 温度控制系统情况概述
智能控制使自动控制、人工智能和运筹学的结合产物，在智能控制中，温度控制运用非常多。温度是一个物理量，表征物体冷热程度，在物体的表征参数中，温度是其中重要一项。随着科技的迅猛发展，自动控制技术得到了广泛应用。在我们的日常生活中，温度控制的应用很常见，如：冰箱、微波炉、空调等，特别是将仪表检测技术引入其中，使得温度控制技术的智能化更上一个台阶。在工业生产中温度控制与测量也必不可少，对于提高生产率、生产质量，保障安全生产、节约能源都起到至关重要的作用，为生产智能化、自动化奠定了基础。温度传感器在温度测量、控制中是运用最广泛的，在智能温度报警系统中的作用不可忽视，但从国内的生产来看，温度控制器的生产水平仍然不高，与国外相比还是有很大的差距，如企业规模较小且分散、温度传感器的研发能力不足、温度控制仪表的供应不足靠进口的多、仪表控制技术及算法、软件等滞后等。但随着我国对温度等仪表工业技术的重视，相继成立了一些研发中心，并且与外资企业合资、融资、技术合作等，使我国在此方面也有了长足的发展。
2 温度传感器简介
2.1 温度测量的分类
温度传感器可以根据三种方式进行不同的分类。第一按照被测物体的温度数值分类，可分为超高温、高温、中温、低温、超低温，其中超高温为2800K以上，超低温为0K-10K；第二按照温度传感器的测温法来分类，可分为接触式和非接触式测温，当测量1000℃以上的温度时，使用非接触式的温度测量较为准确；第三依照温度传感器温度高低分类，可分为低温、中卫、中高温测量，电阻温度传感器通常用于低、中温范围的温度测量，集成温度传感器适用于室温环境，而高温测量则一般使用热电式传感器。
2.2 集成传感器介绍
集成传感器，在前文中我们已经介绍过是多用于室温环境中，所以它的运用非常广泛，它分为模拟集成温度传感器、模拟集成温度控制器、数字温度传感器、通用型数字温度控制器。模拟集成温度传感器采用硅半导体集成技术，集成于一个芯片，具有温度测量和模拟信号输出作用，但其功能较为简单仅能测量温度，有成本低、传输距离大、体积小、功耗低等的特点；模拟集成温度控制器包括温度传感器和温度控制开关，成为一套单独的系统，在工作时不受其他控制，其特点有可编程、独立工作等，在增强型集成温控器中还有数字模拟转换器等；数字温度传感器中包含自动检测技术和微机技术，一个完整的数字温度传感器中包括温度传感器、信号处理机、寄存器、数字模拟信号转换器及接口电路，增强型的数字温度传感器中还有中央控制器、多路选择器等，其特点是适配性强，输出参数多等；通用型数字温度控制器以数字温度传感器为基础，可以作为一个温度控制仪器独立操作使用，家电中运用的很多。综上所述，常见的数字温度计、网络测温系统、智能温度测控、环境温度测量、温度报警系统、中央空调、冷库、电风扇、电池充电器、功放、液晶显示器等方面，都有集成温度传感器的应用，特别是模拟集成温度传感器，由于集成化简单、针对性强、价格合适、电路简易，已成为应用最广的集成传感器。
2.3 数字温度传感器（DS18B20）介绍
DS18B20是数字温度传感器的一种型号，美国推出的此类传感器具有三引脚封装形式，CPU只需要一根端口线就可以与其通信。DS18B20温度分辨率为0.0625℃，可测范围是-55℃至125℃。DS18B20将地址线、控制线、数据线合三为一，可挂多个DS18B20形成多点温度测量点。DS18B20还有一个优点，就是其负电压特性，不会因为电源极性接反发热导致烧坏，大大增强了安全性。DS18B20其多点测温的特性，适用远距离的温度测量，占用端口少，所以其外围电路没有那么复杂。
DS18B20数字温度传感器我们前面讲过它的三引脚封装，其实DS18B20还有另一种八脚封装形式，但三脚封装较为常见也较多应用，其三引脚分别为GND、DQ、VDD，GND为电源接地，VDD为外接电源输入端口。DS18B20的内部主要由四部分组成：64位只读存储器、温度传感器、温度报警触发器、高速暂存器。64位只读存储器的作用是区别每一个DS18B20，达到挂多个DS18B20构成多点测温的目的；温度传感器顾名思义就是DS18B20的核心部件，用于进行温度测量分析；温度报警触发器分为两部分，高温告警和低温告警，通过软件提前写入数据，明确报警温度的上下限；高速暂存器长度为9个字节，包含的内容有温度信息、高低温报警数据、配置寄存器（确定温度分辨率）。DS18B20按配置寄存器中确定的温度分辨率来转换相应精度的温度数，配置寄存器中的测试位（出厂时为0）。DS18B20中有两个高速暂存器，分别记录高8位和低8位的数据，在二进制中的高8位暂存器前5位为符号位。温度在0℃以上时，前5位为数字0；温度在0℃以下时，前五位为数字1。数字0表示温度为正值，数字1表示温度为负值。表示清楚温度的正负后，换算成十进制才能得到正确的温度值。例如-55℃的二进制表示方法为11111100 11010000，125℃的二进制表示方法为00000111 11010000。
下面，简单介绍DS18B20的测温原理。DS18B20的低温度系数振荡器用于产生一定频率的脉冲信号输入减法计数器，它受温度的影响很小；DS18B20的高温度系数振荡器受温度影响较大，它所产生的的脉冲信号输入另一个计数器；当DS18B20计数门打开时，对低温系数振荡器的脉冲信号计数，DS18B20计数门的打开时间由高温系数振荡器发送的脉冲决定。由于DS18B20的测量范围从-55℃起，故每次测量温度时，温度寄存器和计数器都预置一个基数，这个基数与-55℃相对应。减法计数器对低温振荡器产生的脉冲信号计数方法为减法，当预置的基数减至0时温度寄存器就加1，此时减法计数器恢复预置基数并且重新开始计算脉冲数进行减法计数。如此循环往复，直到对应高温振荡器的计数器计数值为0时，温度寄存器的数值停止增加，这时温度寄存器中的数值就是实际温度值。
3 数字温度传感器DS18B20的应用领域
通过对DS18B20的工作原理的了解，我们知道DS18B20是测温的核心部分，它与单片无线收发芯片nRF401组合，构成的多点测温仪器可以应用在花卉种植大棚中并已经得到推广。多点测温系统以单片机AT89C51、无线传感技术、信号收发技术及计算机组成，有多个温度测控单元，每个单元因为DS18B20的特性可以独立工作完成温度测控，同时也能够根据主控计算机的命令对温度进行某个特定时间的检测，这对重点花卉养殖检测非常有效。DS18B20收集到的各种温度数据不仅在各个单元分别显示，也可以通过单片无线收发芯片nRF401将多个数据整理上传至主控计算机。主控计算机的作用是对各个温度测控点上传的温度进行实时监测，及时发现温度异常情况，同时长期存储数据以便日后汇总研究。由数字温度传感器DS18B20与各种芯片、单片机构成的温度测控系统用在花卉种植中有测控单元多、无线传输距离远、成本低廉、体积小等优点，能方便且准确的显示各个种植单元的温度，远程操作控制方便，大大节约人力。数字温度传感器DS18B20的应用领域不仅仅在花卉种植也在蔬菜种植、渔业等领域都有广泛应用。本文由于字数受限，对于单片无线收发芯片nRF401和单片机AT89C51的工作原理不做赘述。
参考文献
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[2]丁晓进，史小军，朱为，等.基于DS18B20的多点温度检测[J].电子工程师，2006，32（7）：8-12.