DS18B20數字溫度計 (一) 電氣特性, 寄生供電模式和遠距離接線

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DS18B20 是一個常見的數字溫度計晶元, 因為測溫準確, 廉價且接線簡單, 實際應用廣泛, 在各種教學實驗套裝中出鏡率也很高. 在寫STC8H GPIO示例的時候寫了一下 DS18B20, 這個型號雖然簡單古老, 但是內容比較有意思, 一個篇幅寫不下, 所以把內容抽出來單獨介紹. ...

DS18B20

DS18B20 是一個常見的數字溫度計晶元, 因為測溫準確, 廉價且接線簡單, 實際應用廣泛, 在各種教學實驗套裝中出鏡率也很高.

在做FwLib_STC8 GPIO示例的時候寫了一下 DS18B20, 這個型號看似簡單, 但是使用機制比較有意思, 一個篇幅寫不下, 所以把內容抽出來單獨介紹.

參數

1-Wire Bus 匯流排結構, 允許一根匯流排上掛接多個 DS18B20 並分別通信
在普通溫度下, 可以直接從數據口取電, 這時候只需要兩根連線.
供電電壓 [3.0V, 5.5V]
溫度檢測範圍 [-55°C, +125°C]攝氏度, [-67°F, +257°F]華氏度
精確率: 在 [-10°C, +85°C] 為 ±0.5°C

參數說明

常溫下誤差不超過±0.5°C
對國產的廉價DS18B20實際測過, 基本上在這個範圍至內, 二三十攝氏度室溫下, 實際測試得到的個體誤差在±0.35°C以內.
功耗很低
單個DS18B20用一個0.1uF的電容蓄電就可以驅動
可以通過三線或雙線連接進行溫度監控
去掉Vcc和GND, 實際上只需要一根IO線, 非常節省MCU的IO資源
支持在單線匯流排上連接多個晶元
通信匯流排只需要使用一個IO, 這根線還能同時與多個DS18B20通信, 而且這個距離很長, 可以到上百米.

關於最大通信長度和DS18B20節點數量
1-Wire Bus 匯流排上 DS18B20 的數量和距離和佈線形式有關, 十幾釐米的短距離上連接五六十個 DS18B20 沒有任何問題, 如果是上百米的長距離連接, 建議10個以內, 最多不要超過20個. 以上的前提都是供電充足. DS18B20的這些特性在工業環境中特別有利, 例如一個IDC機房, 幾十個測溫點只需要一個8位MCU就能完成採集, 功耗低並且可靠.

Pin腳

一般見到的都是3pin的To-92封裝, 和普通三極體一樣, 使平面朝向自己, Pin腳朝下, 從左往右依次為: GND, DQ, VDD

單個DS18B20的接線

單個DS18B20是最基礎的連線方式

普通供電模式

普通供電模式使用的是三線連接, 電壓可以選擇3.3V或5V

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

寄生供電模式

寄生供電模式使用的是雙線連接. 這時候DS18B20的GND和Vdd都要接地. DQ腳既是數據通信腳, 也是供電腳, 上位機需要在這個腳上使用上拉電阻連接到VCC上, 對於STC8, 可以通過寄存器PxPU進行設置.

需要註意的是, 並非所有線上購買的DS18B20都能工作在寄生供電模式下, 有一些批次編號的DS18B20在寄生供電模式的電路下完全無法工作, 讀取只會輸出0. 我懷疑是偷工減料了, 裡面省掉了寄生供電需要的電容和二極體. 對於這類DS18B20, 需要通過一些額外的電路讓其在雙線模式下工作.

MCU IO -> DQ
GND -> GND & VDD

模擬寄生供電模式

如果DS18B20不能在寄生供電模式下工作, 可以使用一個 0.1uF 的電容和一個1N4148二極體實現雙線連接. 這時候 DS18B20 實際上工作在普通供電模式下.

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

用麵包板實測模擬寄生供電模式, 背後只有兩根連線
DS18B20模擬寄生供電模式

多個 DS18B20 接線

在實際的場景中, DS18B20 經常成組使用, 用於收集一個區域範圍的溫度信息, 區域的跨度從幾十釐米(機箱, 機櫃, 車床), 到上百米(住宅, 機房, 車間)都有可能. 對不同的距離和環境有不同的選擇, 總結一下有以下幾種情況

可以參考這篇 1-wire 匯流排的接線 https://www.loxone.com/enen/kb/wiring-1-wire-devices/

匯流排連接方式

下麵的結構中S代表 Sensor, DS18B20. MCU是單片機.

匯流排方式是推薦的接線方式, 所有的 DS18B20 都接在同一根線上. 使用匯流排連接方式可以達到最遠距離通信


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

或者有個別分叉, 分叉離匯流排很近


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

星形連接方式

如果匯流排上產生了較多較長的分叉, 就變成了星形連接, 類似於下麵的接線方式, 星形連接僅建議在小區域場景使用, 與匯流排連接方式相比, 長度要短得多.

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

供電方式

集中供電

絕大多數場景使用的都是集中供電. 在這個場景下, 由控制端(MCU端)供電.

如果使用三線則無需註意, 如果使用雙線連接, 需要註意

因為通信IO同時負責供電, 所以需要配置上拉電阻, 上拉電阻在短距離場景5KR足夠, 但是在長距離場景需要降低, 可以嘗試使用2KR的電阻.
如果是使用正常供電模式模擬的寄生供電模式, 電壓使用5V, 電容需要靠近 DS18B20 部署, 每個 DS18B20 配一個 0.1uF 的電容.

終端供電

在有條件的場景, 每個 DS18B20 可以單獨供電, 此時控制端與 DS18B20 共地, 連接通信IO即可. 為穩定起見在 DS18B20 端可以加配 0.1uF 電容.

參考

DS18B20 最大距離 https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=36163#p1337521
40米 CAT5 網線連接7個 DS18B20 https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/41234/max-length-of-wire-w-3-3v-or-other-issue
寄生供電模式 https://learn.openenergymonitor.org/electricity-monitoring/temperature/DS18B20-temperature-sensing
寄生供電模式 https://e-radionica.com/en/blog/hum-how-to-use-the-ds18b20-with-parasitic-power-supply/

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