DS18B20

DS18B20 是一个常见的数字温度计芯片, 因为测温准确, 廉价且接线简单, 实际应用广泛, 在各种教学实验套装中出镜率也很高.

在做FwLib_STC8 GPIO示例的时候写了一下 DS18B20, 这个型号看似简单, 但是使用机制比较有意思, 一个篇幅写不下, 所以把内容抽出来单独介绍.

参数

1-Wire Bus 总线结构, 允许一根总线上挂接多个 DS18B20 并分别通信
在普通温度下, 可以直接从数据口取电, 这时候只需要两根连线.
供电电压 [3.0V, 5.5V]
温度检测范围 [-55°C, +125°C]摄氏度, [-67°F, +257°F]华氏度
精确率: 在 [-10°C, +85°C] 为 ±0.5°C

参数说明

常温下误差不超过±0.5°C
对国产的廉价DS18B20实际测过, 基本上在这个范围至内, 二三十摄氏度室温下, 实际测试得到的个体误差在±0.35°C以内.
功耗很低
单个DS18B20用一个0.1uF的电容蓄电就可以驱动
可以通过三线或双线连接进行温度监控
去掉Vcc和GND, 实际上只需要一根IO线, 非常节省MCU的IO资源
支持在单线总线上连接多个芯片
通信总线只需要使用一个IO, 这根线还能同时与多个DS18B20通信, 而且这个距离很长, 可以到上百米.

关于最大通信长度和DS18B20节点数量
1-Wire Bus 总线上 DS18B20 的数量和距离和布线形式有关, 十几厘米的短距离上连接五六十个 DS18B20 没有任何问题, 如果是上百米的长距离连接, 建议10个以内, 最多不要超过20个. 以上的前提都是供电充足. DS18B20的这些特性在工业环境中特别有利, 例如一个IDC机房, 几十个测温点只需要一个8位MCU就能完成采集, 功耗低并且可靠.

Pin脚

一般见到的都是3pin的To-92封装, 和普通三极管一样, 使平面朝向自己, Pin脚朝下, 从左往右依次为: GND, DQ, VDD

单个DS18B20的接线

单个DS18B20是最基础的连线方式

普通供电模式

普通供电模式使用的是三线连接, 电压可以选择3.3V或5V

MCU IO -> DQ
GND -> GND
5V/3.3V -> VDD

寄生供电模式

寄生供电模式使用的是双线连接. 这时候DS18B20的GND和Vdd都要接地. DQ脚既是数据通信脚, 也是供电脚, 上位机需要在这个脚上使用上拉电阻连接到VCC上, 对于STC8, 可以通过寄存器PxPU进行设置.

需要注意的是, 并非所有线上购买的DS18B20都能工作在寄生供电模式下, 有一些批次编号的DS18B20在寄生供电模式的电路下完全无法工作, 读取只会输出0. 我怀疑是偷工减料了, 里面省掉了寄生供电需要的电容和二极管. 对于这类DS18B20, 需要通过一些额外的电路让其在双线模式下工作.

MCU IO -> DQ
GND -> GND & VDD

模拟寄生供电模式

如果DS18B20不能在寄生供电模式下工作, 可以使用一个 0.1uF 的电容和一个1N4148二极管实现双线连接. 这时候 DS18B20 实际上工作在普通供电模式下.

        +-----1N4148-|>|-----+
        |                    |
        |     |DS18B20|-VCC--+
        |     |       |      |
MCU IO--+-DQ--|DS18B20|     0.1uF
              |       |      |
GND   ----GND-|DS18B20|-GND--+

用面包板实测模拟寄生供电模式, 背后只有两根连线
DS18B20模拟寄生供电模式

多个 DS18B20 接线

在实际的场景中, DS18B20 经常成组使用, 用于收集一个区域范围的温度信息, 区域的跨度从几十厘米(机箱, 机柜, 车床), 到上百米(住宅, 机房, 车间)都有可能. 对不同的距离和环境有不同的选择, 总结一下有以下几种情况

可以参考这篇 1-wire 总线的接线 https://www.loxone.com/enen/kb/wiring-1-wire-devices/

总线连接方式

下面的结构中S代表 Sensor, DS18B20. MCU是单片机.

总线方式是推荐的接线方式, 所有的 DS18B20 都接在同一根线上. 使用总线连接方式可以达到最远距离通信


MCU-------8m---S---3m----S----3m----S-----10m-----S

或者有个别分叉, 分叉离总线很近


MCU-------8m----------+--S---3m----S--+--10m-----S
                      |               |
                      1m              1m
                      |               |
                      S               S

星形连接方式

如果总线上产生了较多较长的分叉, 就变成了星形连接, 类似于下面的接线方式, 星形连接仅建议在小区域场景使用, 与总线连接方式相比, 长度要短得多.

   S---------8m----MCU
                    |
                   4m
                    |
      S------6m-----+----3m------S
                    |
                   8m
                    |
   S--+------4m-----+----6m------------S
      |
     2m
      |
      S