DS18B20 温度传感器：原理、特性与应用解析(一)

DS18B20 作为 Maxim（原 Dallas Semiconductor）推出的单总线数字温度传感器，凭借其独特的单总线通信方式、宽测量范围和可级联特性，在环境监测、家电控制、工业测温等领域得到广泛应用。与传统模拟温度传感器（如 LM35）相比，它无需 A/D 转换电路即可直接输出数字信号，大幅简化了硬件设计；而单总线（1-Wire）技术的采用，使多个传感器可共享一条数据线，显著降低了布线复杂度。本文将从硬件结构、工作原理、通信协议到实际应用，全面解析 DS18B20 的技术细节。

硬件结构：高度集成的单芯片设计

DS18B20 采用 TO-92、SOP-8 等封装形式，芯片内部集成了温度传感单元、A/D 转换模块、非易失性存储器（ROM 与 RAM）、单总线接口等核心组件，形成一个完整的 “测温 - 转换 - 通信” 系统。其结构设计体现了 “最小系统” 理念，仅需外接一个 4.7kΩ 上拉电阻即可工作，适合空间受限的嵌入式场景。

核心功能模块

温度传感单元：基于半导体 PN 结的温度特性实现测温。当电流流过 PN 结时，其正向压降随温度变化呈现线性关系（约 - 2mV/℃），该单元通过精密电路将这种变化转换为可测量的模拟信号。与传统热敏电阻相比，其测温线性度更高（在 - 10℃~85℃范围内非线性误差≤0.5℃），且受环境湿度、振动的影响更小。

16 位 A/D 转换器：将温度传感单元输出的模拟信号转换为数字量。转换器支持 9~12 位分辨率可调（默认 12 位），不同分辨率对应不同的转换时间：9 位为 93.75ms，10 位为 187.5ms，11 位为 375ms，12 位为 750ms。分辨率越高，测量精度越高但耗时越长，用户可根据场景需求通过指令配置。

非易失性存储器：包括 64 位 ROM 和 9 字节 RAM。ROM 存储唯一的器件地址（8 位家族码 + 48 位序列号 + 8 位 CRC 校验码），确保总线上多个传感器可被唯一识别；RAM 用于临时存储温度数据和配置信息（如分辨率设置），其中第 2、3 字节为温度寄存器，保存最新测量结果。

单总线接口：实现芯片与微控制器（MCU）的通信。接口电路包含电平转换、寄生电源检测等模块，支持两种供电模式：外部电源模式（VDD 引脚接 3.0~5.5V）和寄生电源模式（通过数据线获取供电，VDD 引脚接地），后者特别适合低功耗、布线受限的场景（如远程测温）。