ds18b20溫度傳感器工作原理

本文主要介紹ds18b20溫度傳感器工作原理，DS18B20 的工作原理，可以從物理世界到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)理解。它內(nèi)部并沒(méi)有采用我們常見(jiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），而是用了一種精巧的“脈沖計(jì)數(shù)”方式來(lái)測(cè)量溫度。

ds18b20溫度傳感器工作原理

為了讓你更清晰地理解，我們可以把這個(gè)過(guò)程拆解為兩個(gè)部分：硬件上它是如何測(cè)量溫度的，以及最終讀到的數(shù)據(jù)代表什么意思。

第一部分：它是如何“感知”溫度的？—— 脈沖計(jì)數(shù)法

你可以把 DS18B20 的內(nèi)部想象成一個(gè)精密的“秒表”車間，有兩個(gè)關(guān)鍵部件在協(xié)同工作：

兩個(gè)特性不同的振蕩器：

低溫度系數(shù)振蕩器：就像一個(gè)節(jié)拍極其穩(wěn)定的節(jié)拍器。它受溫度影響極小，負(fù)責(zé)產(chǎn)生頻率固定的脈沖，作為整個(gè)測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)。

高溫度系數(shù)振蕩器：像一個(gè)對(duì)溫度非常敏感的脈沖發(fā)生器。溫度越高，它產(chǎn)生脈沖的頻率就越快；溫度越低，頻率就越慢。

兩個(gè)相互配合的計(jì)數(shù)器：

計(jì)數(shù)器1：初始時(shí)，芯片會(huì)根據(jù)一個(gè)基準(zhǔn)溫度（通常是-55℃）給計(jì)數(shù)器1預(yù)設(shè)一個(gè)初始值。然后，穩(wěn)定的節(jié)拍器（低溫度系數(shù)振蕩器）每發(fā)出一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器1就減1。當(dāng)它減到0時(shí)，就向溫度寄存器報(bào)告：“我數(shù)完了一次！” 同時(shí)，計(jì)數(shù)器1會(huì)自動(dòng)重新加載初始值，開(kāi)始下一輪計(jì)數(shù)。

計(jì)數(shù)器2：它負(fù)責(zé)控制整個(gè)測(cè)量的總時(shí)長(zhǎng)。敏感的振蕩器（高溫度系數(shù)振蕩器）產(chǎn)生的脈沖會(huì)送給計(jì)數(shù)器2。當(dāng)計(jì)數(shù)器2從初始值減到0時(shí)，它就會(huì)發(fā)出指令，停止整個(gè)測(cè)量過(guò)程。

溫度值的誕生：

在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，每當(dāng)計(jì)數(shù)器1完成一次從初始值減到0的循環(huán)，溫度寄存器的值就會(huì)增加1。這個(gè)過(guò)程會(huì)一直持續(xù)，直到計(jì)數(shù)器2減到0才停止。

最終，溫度寄存器里累加的值，就代表了當(dāng)前的溫度。溫度越高，高溫度系數(shù)振蕩器跑得越快，計(jì)數(shù)器2就減得越快，留給計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)時(shí)間就越短，但這背后更精細(xì)的算法確保了最終累加的值能與溫度精確對(duì)應(yīng)。

一個(gè)小小的“補(bǔ)丁”——斜率累加器

由于高溫度系數(shù)振蕩器的頻率變化并非完美的線性關(guān)系，DS18B20內(nèi)部還有一個(gè)“斜率累加器”電路。它就像一個(gè)智能校準(zhǔn)器，會(huì)根據(jù)溫度實(shí)時(shí)微調(diào)計(jì)數(shù)器1每次重新加載的初始值，從而補(bǔ)償非線性誤差，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

一個(gè)形象的比喻：這就像用兩個(gè)跑步的人來(lái)測(cè)量距離。一個(gè)人（計(jì)數(shù)器1）以固定速度短距離往返跑，每跑完一趟就插一面旗（溫度值+1）。另一個(gè)人（計(jì)數(shù)器2）以變速跑（速度受溫度影響）來(lái)決定總共跑多長(zhǎng)時(shí)間。最終插下的旗子總數(shù)，就代表了“溫度”這個(gè)距離。

第二部分：讀到的數(shù)據(jù)怎么理解？—— 16位數(shù)字輸出

當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，DS18B20會(huì)通過(guò)單總線把結(jié)果送出來(lái)。這個(gè)結(jié)果是一個(gè)16位的數(shù)字，你需要知道如何“翻譯”它。

數(shù)據(jù)格式：這16位數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)。

高5位（Bit 15 ~ Bit 11）：這是符號(hào)位。如果這5位都是 0，表示溫度為正；如果都是 1，則表示溫度為負(fù)。

低11位（Bit 10 ~ Bit 0）：這是溫度數(shù)據(jù)的絕對(duì)值。其中，高7位是整數(shù)部分，低4位是小數(shù)部分。

轉(zhuǎn)換公式：無(wú)論正負(fù)，你都可以用同一個(gè)公式來(lái)計(jì)算實(shí)際溫度：實(shí)際溫度 = (讀取的16位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)) × 0.0625 °C。

這里的 0.0625°C (即 1/16) 是傳感器在12位分辨率下的最小分辨率。

舉個(gè)栗子：

如果你從傳感器讀到的數(shù)據(jù)是 07 D0（十六進(jìn)制），轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制是 2000，那么實(shí)際溫度 = 2000 × 0.0625 = 125°C。

如果你讀到的數(shù)據(jù)是 FC 90（十六進(jìn)制），這是一個(gè)負(fù)數(shù)。先把它轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制是 -880，那么實(shí)際溫度 = -880 × 0.0625 = -55°C。

總的來(lái)說(shuō)，DS18B20就是用這種獨(dú)特的脈沖計(jì)數(shù)法，將物理世界的溫度，巧妙轉(zhuǎn)化成了我們可以直接讀取的數(shù)字信號(hào)。

小結(jié)：以上就是ds18b20溫度傳感器工作原理，希望對(duì)各位電子元器件買家有幫助，了解更多電子元器件知識(shí)內(nèi)容。