第18章數(shù)字溫度傳感器的應(yīng)用

1、第第18章章 數(shù)字溫度傳感器的應(yīng)用數(shù)字溫度傳感器的應(yīng)用基于基于DS18B20的溫度測量模塊設(shè)計的溫度測量模塊設(shè)計18.1 18.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)118.2 18.2 設(shè)計原理設(shè)計原理218.1 設(shè)計任務(wù) 本設(shè)計在本設(shè)計在ProteusProteus中仿真實現(xiàn)。選用中仿真實現(xiàn)。選用AT89S51 AT89S51 控制數(shù)字溫度傳感器控制數(shù)字溫度傳感器DS18B20DS18B20，讀取數(shù)據(jù)，并對，讀取數(shù)據(jù)，并對DS18B20 DS18B20 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在數(shù)碼轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在數(shù)碼管上顯示管上顯示DS18B20 DS18B20 測出的溫度。測出的溫度。u要求使用要求使用6

2、 6 位數(shù)碼管顯示，最高位為符號位，如位數(shù)碼管顯示，最高位為符號位，如果溫度值為果溫度值為“正正”不顯示，如果溫度為不顯示，如果溫度為“負(fù)負(fù)”, ,則顯示負(fù)號；第則顯示負(fù)號；第24 24 位顯示溫度值的整數(shù)部分位顯示溫度值的整數(shù)部分, ,并在第并在第4 4 位數(shù)據(jù)上顯示小數(shù)點；第位數(shù)據(jù)上顯示小數(shù)點；第5 5 位顯示一位位顯示一位小數(shù)，最低位顯示攝氏度符號小數(shù)，最低位顯示攝氏度符號“C”C”。18.1 設(shè)計任務(wù)通過本設(shè)計應(yīng)達(dá)到以下設(shè)計目的通過本設(shè)計應(yīng)達(dá)到以下設(shè)計目的: :u掌握掌握DS18B20 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的工作原理及使數(shù)字溫度傳感器的工作原理及使用方法用方法; ;u掌握對掌

3、握對DS18B20 DS18B20 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法; ;u學(xué)習(xí)用數(shù)碼管顯示復(fù)雜數(shù)據(jù)的方法。學(xué)習(xí)用數(shù)碼管顯示復(fù)雜數(shù)據(jù)的方法。18.2 設(shè)計原理圖圖18-1 基于基于DS18B20 的測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖18.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于基于DS18B20 的測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖的測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖18-1所示。所示。18.2 設(shè)計原理 DS18B20 DS18B20的典型接法如圖中所示，的典型接法如圖中所示，74LS24574LS245為數(shù)碼為數(shù)碼管的驅(qū)動芯片，管的驅(qū)動芯片，P3.0-P3.5P3.0-P3.5輸出數(shù)碼管的位選信號。輸出數(shù)碼管的位選信號。1

4、8.2.2 DS18B20數(shù)字溫度傳感器數(shù)字溫度傳感器uDS18B20 數(shù)字溫度計是數(shù)字溫度計是DALLAS 公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。特點。u用它來組成一個測溫系統(tǒng)，線路簡單，在一根通用它來組成一個測溫系統(tǒng)，線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。18.2 設(shè)計原理DS18B20 DS18B20 產(chǎn)品的特點：產(chǎn)品的特點：u只要求一個端口即可實現(xiàn)通信；只要求一個端口即可實現(xiàn)通信；u在在DS18B20 DS18B20 中每個器件上都有獨一無二的序

5、列號；中每個器件上都有獨一無二的序列號；u實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫；實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫；u測量溫度范圍在測量溫度范圍在5555到到125125之間；之間；u數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9 9 位到位到12 12 位選擇；位選擇；u內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。18.2 設(shè)計原理uTO92 封裝的封裝的DS18B20 的引腳排列見圖的引腳排列見圖18-2其其引腳功能描述見下表。引腳功能描述見下表。序 號名稱引腳功能描述1GND接地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，

6、也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。圖圖18-2 DS18B20 引腳結(jié)構(gòu)圖（底視圖）引腳結(jié)構(gòu)圖（底視圖）18.2 設(shè)計原理1 1）DS18B20 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)uDS18B20 DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖的內(nèi)部框圖如圖18-3 18-3 所示。所示。圖圖18-3 DS18B20 的內(nèi)部框圖的內(nèi)部框圖18.2 設(shè)計原理u其其64 64 位位ROM ROM 存儲器件具有獨一無二的序列號。存儲器件具有獨一無二的序列號。u暫存器包含兩字節(jié)暫存器包含兩字節(jié)(0 (0 和和1 1 字節(jié)字節(jié)) )的溫度寄存器，用于的溫度寄存器，

7、用于存儲溫度傳感器的數(shù)字輸出。它還提供一個字節(jié)的存儲溫度傳感器的數(shù)字輸出。它還提供一個字節(jié)的上線警報觸發(fā)上線警報觸發(fā)(TH)(TH)和下線警報觸發(fā)和下線警報觸發(fā)(TL)(TL)寄存器寄存器(2 (2 和和3 3 字節(jié)字節(jié)) )，和一個字節(jié)的配置寄存器，和一個字節(jié)的配置寄存器(4 (4 字節(jié)字節(jié)) )，使用者可，使用者可以通過配置寄存器來設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的精度。以通過配置寄存器來設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的精度。u暫存器的暫存器的5 5、6 6 和和7 7 字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。第字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。第8 8字節(jié)字節(jié)含有循環(huán)冗余碼（含有循環(huán)冗余碼（CRC CRC ）。）。u使用寄生電源時，使用寄生電源時，DS1

8、8B20 DS18B20 不需額外的供電電源；不需額外的供電電源；當(dāng)總線為高電平時，功率由單總線上的上拉電阻通當(dāng)總線為高電平時，功率由單總線上的上拉電阻通過過DQ DQ 引腳提供；高電平總線信號同時也向內(nèi)部電引腳提供；高電平總線信號同時也向內(nèi)部電容容C CPPPP 充電，充電，C CPPPP 在總線低電平時為器件供電。在總線低電平時為器件供電。18.2 設(shè)計原理uDS18B20 DS18B20 加電后，處在空閑狀態(tài)。加電后，處在空閑狀態(tài)。u要啟動溫度測量和模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，處理器須向要啟動溫度測量和模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，處理器須向其發(fā)出其發(fā)出Convert T 44h Convert T 44h

9、命令；轉(zhuǎn)換完后，命令；轉(zhuǎn)換完后，DS18B20 DS18B20 回到空閑狀態(tài)。溫度數(shù)據(jù)是以帶符號位的回到空閑狀態(tài)。溫度數(shù)據(jù)是以帶符號位的18-bit18-bit補(bǔ)碼補(bǔ)碼存儲在溫度寄存器中的，如圖存儲在溫度寄存器中的，如圖18-4 18-4 所示：所示：圖圖18-4 18-4 溫度寄存器格式溫度寄存器格式18.2 設(shè)計原理u符號位說明溫度值的正、負(fù)，正值時符號位說明溫度值的正、負(fù)，正值時S=0S=0，負(fù)值時，負(fù)值時S=1S=1。u表表18-218-2給出了一些數(shù)字輸出數(shù)據(jù)與對應(yīng)的溫度值的例子。給出了一些數(shù)字輸出數(shù)據(jù)與對應(yīng)的溫度值的例子。表表18-2 溫度溫度/數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)的關(guān)系18.2 設(shè)計原

10、理2 2）DS18B20DS18B20的命令序列：的命令序列：1. 1.初始化；初始化；2.ROM 2.ROM 命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)；命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)；3. 3.功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)。功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)。u訪問訪問DS18B20 DS18B20 必須嚴(yán)格遵守這一命令序列，如果必須嚴(yán)格遵守這一命令序列，如果丟失任何一步或序列混亂，丟失任何一步或序列混亂，DS18B20DS18B20都不會響應(yīng)主都不會響應(yīng)主機(jī)（除了機(jī)（除了Search ROM Search ROM 和和Alarm Search Alarm Search 這兩個命令，這兩個命令，在這兩個命令后，主機(jī)都必

11、須返回到第一步）。在這兩個命令后，主機(jī)都必須返回到第一步）。18.2 設(shè)計原理 初始化初始化DS18B20 DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個初始化序列開始。所有的數(shù)據(jù)交換都由一個初始化序列開始。包括主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后的由包括主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后的由DS18B20 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。當(dāng)當(dāng)DS18B20 DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時，即向主機(jī)發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時，即向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 ROM 命令：命令： ROM 命令通過每個器件命令通過每個器件64-bit 的的ROM

12、 碼，使主機(jī)碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個器件掛在總線上）指定某一特定器件（如果有多個器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信。與之進(jìn)行通信。DS18B20 的的ROM 如表如表18-3所示，每所示，每個個ROM 命令都是命令都是8 bit 長。長。18.2 設(shè)計原理命令描述協(xié)議此命令發(fā)出后1Wire總線上的活動SEARCH ROM識別總線上掛著的所有DS18B20 的ROM 碼F0h所有DS18B20 向主機(jī)傳送ROM 碼READ ROM當(dāng)只有一個DS18B20 掛在總線上時，可用此命令來讀取ROM碼33hDS18B20 向主機(jī)傳送ROM 碼MATCH ROM主機(jī)用ROM 碼來指定某一DS18B

13、20，只有匹配的DS18B20才會響應(yīng)55h主機(jī)向總線傳送一個ROM 碼SKIP ROM用于指定總線上所有的器件CCh無ALARM ROM與SEARCH ROM 命令類似，但只有溫度超出警報線的DS18B20 才會響應(yīng)ECh超出警報線DS18B20向主機(jī)傳送ROM 碼表表18-3 DS18B20 ROM 命令命令18.2 設(shè)計原理 功能命令：功能命令：主機(jī)通過功能命令對主機(jī)通過功能命令對DS18B20 DS18B20 進(jìn)行讀進(jìn)行讀/ /寫寫ScratchpScratchpad ad 存儲器，或者啟動溫度轉(zhuǎn)換。存儲器，或者啟動溫度轉(zhuǎn)換。 DS18B20的功能命令如表的功能命令如表18-4所示。所

14、示。18.2 設(shè)計原理命令描述協(xié)議此命令發(fā)出后1Wire總線上的活動 溫度轉(zhuǎn)換命令Convert T開始溫度轉(zhuǎn)換44hDS18B20 向主機(jī)傳送轉(zhuǎn)換狀態(tài)（寄生電源不適用） 存儲器命令Read Scratchpad讀暫存器完整的數(shù)據(jù)BEhDS18B20 向主機(jī)傳送總共9 字節(jié)的數(shù)據(jù)Write Scratchpad向暫存器的2、3 和4 字節(jié)寫入數(shù)據(jù)（TH， TL 和精度）4Eh主機(jī)向DS18B20 傳送3 個字節(jié)的數(shù)據(jù)Copy Scratchpad將TH， TL 和配置寄存器的數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM48h無Recall E2將TH， TL 和配置寄存器的數(shù)據(jù)從EEPROM 中調(diào)到暫存器中B8hD

15、S18B20 向主機(jī)傳送調(diào)用狀態(tài)Read Power Supply向主機(jī)示意電源供電狀態(tài)B4hDS18B20 向主機(jī)傳送供電狀態(tài)表表18-4 DS18B20 功能命令功能命令18.2 設(shè)計原理3 3）DS18B20 DS18B20 的信號方式的信號方式uDS18B20 DS18B20 采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。的完整性。u該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫寫0 0、寫、寫1 1、讀、讀0 0 和讀和讀1 1。除了應(yīng)答脈沖所有這些信號。除了應(yīng)答脈沖所有這些信號都由主機(jī)發(fā)出同步信號。

16、都由主機(jī)發(fā)出同步信號。u總線上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在總線上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。前。18.2 設(shè)計原理 初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖在初始化過程中，主機(jī)通過拉低單總線至少在初始化過程中，主機(jī)通過拉低單總線至少480s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖以產(chǎn)生復(fù)位脈沖(TX)。然后主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接。然后主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收收(RX)模式。模式。當(dāng)總線被釋放后，當(dāng)總線被釋放后，5k的上拉電阻將單總線拉高。的上拉電阻將單總線拉高。 DS18B20 檢測到這個上升沿后，延時檢測到這個上升沿后，延時15s60s，通過拉低總線通過拉低總線60s240s

17、 產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。初始化波形如圖初始化波形如圖18-5所示。所示。18.2 設(shè)計原理 讀和寫時隙讀和寫時隙在寫時隙期間，主機(jī)向在寫時隙期間，主機(jī)向DS18B20 DS18B20 寫入數(shù)據(jù)；而在讀時寫入數(shù)據(jù)；而在讀時隙期間，主機(jī)讀入來自隙期間，主機(jī)讀入來自DS18B20DS18B20的數(shù)據(jù)。的數(shù)據(jù)。在每一個時隙，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。讀在每一個時隙，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。讀/寫時隙寫時隙如圖如圖18-6所示。所示。圖圖18-5 初始化脈沖初始化脈沖18.2 設(shè)計原理圖圖18-6 DS18B20 讀讀/寫時隙圖寫時隙圖18.2 設(shè)計原理寫時隙寫時隙存在兩種寫時隙：存在兩種寫時隙：“寫寫

18、1”1”和和“寫寫0”0”。主機(jī)在寫主機(jī)在寫1 1時隙向時隙向DS18B20 DS18B20 寫入邏輯寫入邏輯1 1，而在寫，而在寫0 0時隙向時隙向DS18B20 DS18B20 寫入邏輯寫入邏輯0 0。所有寫時隙至少需要。所有寫時隙至少需要60s60s，且在，且在兩次寫時隙之間至少需要兩次寫時隙之間至少需要1s 1s 的恢復(fù)時間。的恢復(fù)時間。兩種寫時隙均以主機(jī)拉低總線開始。兩種寫時隙均以主機(jī)拉低總線開始。產(chǎn)生寫產(chǎn)生寫1 1時隙：主機(jī)拉低總線后，必須在時隙：主機(jī)拉低總線后，必須在15s 15s 內(nèi)釋放總內(nèi)釋放總線，然后由上拉電阻將總線拉至高電平。線，然后由上拉電阻將總線拉至高電平。產(chǎn)生寫產(chǎn)生

19、寫0 0 時隙：主機(jī)拉低總線后，必須在整個時隙期時隙：主機(jī)拉低總線后，必須在整個時隙期間保持低電平（至少間保持低電平（至少60s60s）。）。在寫時隙開始后的在寫時隙開始后的15s60s 15s60s 期間，期間，DS18B20 DS18B20 采樣總線采樣總線的狀態(tài)。如果總線為高電平，則邏輯的狀態(tài)。如果總線為高電平，則邏輯1 1 被寫入被寫入DS18B2DS18B20 0；如果總線為低電平，則邏輯；如果總線為低電平，則邏輯0 0 被寫入被寫入DS18B20DS18B20。18.2 設(shè)計原理讀時隙讀時隙 DS18B20 DS18B20只能在主機(jī)發(fā)出讀時隙時才能向主機(jī)傳送只能在主機(jī)發(fā)出讀時隙時才

20、能向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。所以主機(jī)在發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上數(shù)據(jù)。所以主機(jī)在發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時隙，以便產(chǎn)生讀時隙，以便DS18B20DS18B20能夠傳送數(shù)據(jù)。能夠傳送數(shù)據(jù)。所有讀時隙至少所有讀時隙至少60s60s，且在兩次獨立的讀時隙之間，且在兩次獨立的讀時隙之間至少需要至少需要1s 1s 的恢復(fù)時間。的恢復(fù)時間。每次讀時隙由主機(jī)發(fā)起，拉低總線至少每次讀時隙由主機(jī)發(fā)起，拉低總線至少1s1s。主機(jī)。主機(jī)發(fā)起讀時隙之后，若發(fā)起讀時隙之后，若DS18B20 DS18B20 發(fā)送發(fā)送1 1，則保持總線，則保持總線為高電平；若發(fā)送為高電平；若發(fā)送0 0，則拉低總線。傳送，則拉低總線。傳送0

21、0 時，時，DS1DS18B20 8B20 在該時隙結(jié)束時釋放總線，再由上拉電阻將在該時隙結(jié)束時釋放總線，再由上拉電阻將總線拉回空閑高電平狀態(tài)?？偩€拉回空閑高電平狀態(tài)。18.2 設(shè)計原理uDS18B20DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時隙下降沿起始后的發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時隙下降沿起始后的15s 15s 內(nèi)有效，因此主機(jī)必須在讀時隙開始后的內(nèi)有效，因此主機(jī)必須在讀時隙開始后的15s 15s 內(nèi)內(nèi)釋放總線，并且采樣總線狀態(tài)。釋放總線，并且采樣總線狀態(tài)。uDS18B20DS18B20在使用時，一般都采用單片機(jī)來實現(xiàn)數(shù)在使用時，一般都采用單片機(jī)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只需將據(jù)采集。只需將DS18B20 DS18B20

22、 信號線與單片機(jī)信號線與單片機(jī)1 1 位位I/OI/O線相連，且單片機(jī)的線相連，且單片機(jī)的1 1 位位I/O I/O 線可掛接多個線可掛接多個DS18BDS18B20,20,就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測。18.2 設(shè)計原理4 4）小數(shù)的顯示方法）小數(shù)的顯示方法uDS18B20DS18B20轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有四位二進(jìn)制小數(shù)，精度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有四位二進(jìn)制小數(shù)，精度為為0.06250.0625，可連續(xù)表示一位十進(jìn)制小數(shù)，因此在，可連續(xù)表示一位十進(jìn)制小數(shù)，因此在數(shù)碼顯示時，只顯示數(shù)碼顯示時，只顯示1 1 位小數(shù)。位小數(shù)。u在對四位二進(jìn)制小數(shù)進(jìn)行處理時，可先計算出這在對四位二進(jìn)制小數(shù)進(jìn)