基于DS18B20溫度傳感器的設(shè)計(jì)

1、學(xué)習(xí)情境4-溫度傳感器的設(shè)計(jì)之 基于DS18B20溫度傳感器的設(shè)計(jì) 點(diǎn)名，引言Dallas公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。其測量溫度范圍為 -55°C+125°C，在-10+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。DS18B

2、20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的 電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。 DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！省略了存儲用戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為±2°C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。 新課講授4.1基于DS18B20溫度傳感器的設(shè)計(jì)表4.11 DS18B20技術(shù)資料1. DS18B20的新性能 (1) 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.0-5.5V； (2)&#

3、160;測溫范圍：-55 - +125，在-10 - +85時(shí)精度為±0.5； (3) 可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625； (4) 12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字； (5) 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 2. DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)    DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下: 圖4-1-1 DS

4、18B20外形圖引腳定義： (1)    DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端； (2)    GND為電源地； (3)    VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 圖 4-1-2  DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： （1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循

5、環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 （2） DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。表1 DS18B20溫度值格式表這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘

6、于0.0625即可得到實(shí)際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。（3）DS18B20溫度傳感器的存儲器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 （4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下：低五位一直都是1 ，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（DS18

7、B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位） 表2 配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R011111表3 溫度值分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3. 高速暫存存儲器高速暫存存儲器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表5所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。表 2是對應(yīng)的一部分溫度值。

8、第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。表4 DS18B20暫存寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位0溫度值高位1高溫限值TH2低溫限值TL3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC檢驗(yàn)8根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。表5 ROM指令表指 令約定代碼功 能讀ROM33

9、H讀DS1820ROM中的編碼（即64位地址）符合ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的DS1820使之作出響應(yīng)，為下一步對該DS1820的讀寫作準(zhǔn)備。搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上DS1820的個(gè)數(shù)和識別64位ROM地址。為操作各器件作好準(zhǔn)備。跳過ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。表6 RAM指令表指 令約定代碼功 能溫度變換44H啟動DS1820進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)最長為500ms（典型為200ms）。結(jié)果存入內(nèi)

10、部9字節(jié)RAM中。讀暫存器0BEH內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復(fù)制暫存器48H將RAM中第3、4字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中。重調(diào)EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時(shí)DS1820發(fā)送“0”，外接電源供電DS1820發(fā)送“1”。5. DS1820使用中注意事項(xiàng) DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： (1) 較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的

11、軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。 (2) 在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS1820，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。 (3) 連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時(shí)，讀取的

12、測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 (4) 在DS1820測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。    

13、60;測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。4.12 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，具體連接如圖4-1-3所示：圖 4-1-3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSl8B20必須嚴(yán)格按照單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種時(shí)隙類型：初始化、應(yīng)答、寫1、寫0、讀1、讀0。除了應(yīng)答時(shí)隙所有這些時(shí)隙都是有主機(jī)發(fā)出?？偩€上所傳輸?shù)乃忻詈蛿?shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。（1）初始化時(shí)隙復(fù)位時(shí)隙和應(yīng)答時(shí)隙。在初始化過程中，主機(jī)發(fā)送復(fù)位脈沖(最短為480s的低電平信號)接著，釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)。當(dāng)總線被釋放后上拉電阻將總

14、線拉高。DSl8B20在檢測到總線的上升沿之后等待15-60us接著發(fā)出應(yīng)答脈沖(低電平持續(xù)60-240 s)。（2）讀和寫時(shí)隙在寫時(shí)隙期間，主機(jī)向DS18B20寫入數(shù)據(jù)；而在讀時(shí)隙期間，主機(jī)讀入來自DS18B20的數(shù)據(jù)。在每一個(gè)時(shí)隙，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。存在兩種寫時(shí)隙，即寫1和寫0。主機(jī)在寫1時(shí)隙向DS18B20寫入邏輯1。而在寫0時(shí)隙向DS18B20寫入邏輯0。所有寫時(shí)隙至少需要60S，而且兩次寫l時(shí)隙之間至少需要lS的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫時(shí)隙均以主機(jī)拉低總線開始。產(chǎn)生寫1時(shí)隙：主機(jī)拉低總線后，必須在15uS內(nèi)釋放總線。然后由上拉電阻將總線拉至高電平。產(chǎn)生寫0時(shí)隙：主機(jī)拉低總線后，必須在整個(gè)

15、時(shí)隙期間保持低電平(至少60S）。在寫時(shí)隙開始后的1 560 S期間，DSl8B20采樣總線的狀態(tài)。如果總線為高電，則邏輯1被寫入DSl8B20；如果總線為低電平，則0邏輯被寫入DSl8B20。 讀時(shí)隙：DSl8B20只能在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)隙時(shí)才能向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。所以主機(jī)在發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)隙，以便DSl8B20能夠傳送數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)隙至少60s，且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少需要1S的恢復(fù)時(shí)間。每次讀時(shí)隙由主機(jī)發(fā)起，拉低總線至少1S。在主機(jī)發(fā)起讀時(shí)隙之后，DSl8B20開始在總線上傳送1或0。若DS18B20發(fā)送1，則保持總線為高電平；若發(fā)送O，則拉低總線。當(dāng)傳送0時(shí)，DSl8B2

16、0在該時(shí)隙結(jié)束時(shí)釋放總線，再由上拉電阻將總線拉回空閑高電平狀態(tài)。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時(shí)隙下降沿起始后的1 5uS內(nèi)有效，因此主機(jī)必須在讀時(shí)隙開始后的15S內(nèi)釋放總線，并且采樣總線狀態(tài)。其程序流程圖如下圖所示。圖 4-1-3 DS18B20程序流程所以在軟件設(shè)計(jì)方面，我們主要是讀取溫度函數(shù)和溫度顯示函數(shù)的編寫。1、 讀取溫度函數(shù)圖4-1-4 讀溫度子程序流程圖圖4-1-5 溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖void Read_Temperature() if(Init_DS18B20()=1) /DS18B20故障DS18B20_IS_OK=0;elseWriteOneByte(0xcc); /跳過讀

17、取DS18B20的系列號WriteOneByte(0x44);/啟動溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20();WriteOneByte(0xcc); /跳過讀取DS18B20的系列號WriteOneByte(0xbe); / 讀取溫度寄存器Temp_Value0 = ReadOneByte(); /溫度低8位Temp_Value1 = ReadOneByte();/ 溫度高8位DS18B20_IS_OK=1;上述代碼中，未讀取DS18B20的系列號。2、 溫度顯示函數(shù)void Display_Temperature() uchar i;/延時(shí)值和負(fù)數(shù)標(biāo)志uchar t = 150, ng = 0;

18、/高5位全為1（0XF8）則為負(fù)數(shù)，為負(fù)數(shù)時(shí)取反加1，并設(shè)置負(fù)數(shù)標(biāo)識if(Temp_Value1&0xf8)=0xf8) Temp_Value1 = Temp_Value1;Temp_Value0 = Temp_Value0+1;if(Temp_Value0=0x00)Temp_Value1+;/負(fù)數(shù)標(biāo)識置1ng = 1;/查表得到溫度小數(shù)部分Display_Digit0 = df_TableTemp_Value0&0x0f;/獲取溫度整數(shù)部分（高字節(jié)中的低3位和低字節(jié)中高4位，無符號）CurrentT = (Temp_Value0&0xf0)>>4) |

19、(Temp_Value1&0x07)<<4);/將整數(shù)部分分解為3位待顯示的顯示數(shù)字Display_Digit3 = CurrentT/100;Display_Digit2 = CurrentT%100/10;Display_Digit1 = CurrentT%10;/刷新LCD顯示緩沖Current_Temp_Display_Buffer11 = Display_Digit0 + '0'Current_Temp_Display_Buffer10 = '.'Current_Temp_Display_Buffer9 = Display_Digi

20、t1 + '0'Current_Temp_Display_Buffer8 = Display_Digit2 + '0'Current_Temp_Display_Buffer7 = Display_Digit3 + '0'/高位為零時(shí)不顯示if(Display_Digit3 = 0)Current_Temp_Display_Buffer7 = ' 'if(Display_Digit2 = 0&&Display_Digit3=0)Current_Temp_Display_Buffer8 = ' '/負(fù)數(shù)

21、符號顯示在恰當(dāng)?shù)奈恢胕f(ng) if(Current_Temp_Display_Buffer8 = ' ')Current_Temp_Display_Buffer8 = '-'else if(Current_Temp_Display_Buffer7 = ' ')Current_Temp_Display_Buffer7 = '-'else Current_Temp_Display_Buffer6 = '-'/在第一行顯示標(biāo)題Set_LCD_POS(0x00);for(i=0;i<16;i+)Write_LCD

22、_Data(Temp_Disp_Titlei); /在第二行顯示當(dāng)前溫度Set_LCD_POS(0x40);for(i=0;i<16;i+)Write_LCD_Data(Current_Temp_Display_Bufferi); /顯示溫度符號Set_LCD_POS(0x4D);Write_LCD_Data(0x00);Set_LCD_POS(0x4E);Write_LCD_Data('C'); 課堂小結(jié)這節(jié)課我們主要介紹了溫度傳感器DS18B20的工作特點(diǎn)，控制指令以及應(yīng)用方法。著重分析了讀取溫度函數(shù)的設(shè)計(jì)和溫度顯示函數(shù)的編寫。為我們學(xué)習(xí)其他溫度傳感器打下了一定的基礎(chǔ)

23、。 完整程序代碼#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define delayNOP() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();sbit DQ = P33;sbit LCD_RS = P20;sbit LCD_RW = P21;sbit LCD_EN = P22;uchar code Temp_Disp_Title="CurrentTemp(zxb)"uchar Current_Te

24、mp_Display_Buffer=" Temp = " /溫度字符uchar code Temperature_Char8 = 0x0c,0x12,0x12,0x0c,0x00,0x00,0x00,0x00;/溫度小數(shù)位對照表uchar code df_Table=0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9;uchar CurrentT = 0;/當(dāng)前讀取的溫度整數(shù)部分uchar Temp_Value=0x00,0x00;/ 從DS18B20讀取的溫度值uchar Display_Digit=0,0,0,0; /待顯示的各溫度數(shù)位bit DS18B20

25、_IS_OK = 1; / 傳感器正常標(biāo)志void DelayXus(uint x) uchar i;while(x-) for(i=0;i<200;i+);bit LCD_Busy_Check() bit result;LCD_RS = 0;LCD_RW = 1;LCD_EN = 1;delayNOP();result = (bit)(P0&0x80);LCD_EN=0;return result;void Write_LCD_Command(uchar cmd)while(LCD_Busy_Check();LCD_RS = 0;LCD_RW = 0;LCD_EN = 0;_n

26、op_();_nop_();P0 = cmd;delayNOP();LCD_EN = 1;delayNOP();LCD_EN = 0;void Write_LCD_Data(uchar dat)while(LCD_Busy_Check();LCD_RS = 1;LCD_RW = 0;LCD_EN = 0;P0 = dat;delayNOP();LCD_EN = 1;delayNOP();LCD_EN = 0;void LCD_Initialise() Write_LCD_Command(0x01);DelayXus(5);Write_LCD_Command(0x38);DelayXus(5);

27、Write_LCD_Command(0x0c);DelayXus(5);Write_LCD_Command(0x06);DelayXus(5);void Set_LCD_POS(uchar pos) Write_LCD_Command(pos|0x80);void Delay(uint x) while(-x);uchar Init_DS18B20()/初始化 uchar status;DQ = 1;Delay(8);DQ = 0;Delay(90);DQ = 1;Delay(8);status=DQ;Delay(100);DQ = 1;return status;uchar ReadOneB

28、yte()/讀一個(gè)字節(jié) uchar i,dat=0;DQ = 1;_nop_();for(i=0;i<8;i+) DQ = 0;dat >>= 1;DQ = 1;_nop_();_nop_();if(DQ)dat |= 0X80;Delay(30);DQ = 1;return dat; void WriteOneByte(uchar dat) /寫一個(gè)字節(jié) uchar i;for(i=0;i<8;i+) DQ = 0;DQ = dat& 0x01;Delay(5);DQ = 1;dat >>= 1; void Read_Temperature()/讀

29、取溫度 if(Init_DS18B20()=1) /DS18B20故障DS18B20_IS_OK=0;elseWriteOneByte(0xcc); /跳過讀取DS18B20的系列號WriteOneByte(0x44);/啟動溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20();WriteOneByte(0xcc); /跳過讀取DS18B20的系列號WriteOneByte(0xbe); / 讀取溫度寄存器Temp_Value0 = ReadOneByte(); /溫度低8位Temp_Value1 = ReadOneByte();/ 溫度高8位DS18B20_IS_OK=1;void Display_Temp

30、erature()/在LCD上顯示當(dāng)前溫度 uchar i;/延時(shí)值和負(fù)數(shù)標(biāo)志uchar t = 150, ng = 0;/高5位全為1（0XF8）則為負(fù)數(shù)，為負(fù)數(shù)時(shí)取反加1，并設(shè)置負(fù)數(shù)標(biāo)識if(Temp_Value1&0xf8)=0xf8) Temp_Value1 = Temp_Value1;Temp_Value0 = Temp_Value0+1;if(Temp_Value0=0x00)Temp_Value1+;ng = 1; /負(fù)數(shù)標(biāo)識置1/查表得到溫度小數(shù)部分Display_Digit0 = df_TableTemp_Value0&0x0f;/獲取溫度整數(shù)部分（高字節(jié)中的低3位和低字節(jié)中高4位，無符號）CurrentT = (Temp_Value0&0xf0)>>4) | (Temp_Value1&0x07)<<4);/將整數(shù)部分分解為3位待顯示的顯示數(shù)字Display_Digit3 = CurrentT/100;Display_Digit2 = CurrentT%100/10;Display_Digit1 = CurrentT%10;/刷新LCD顯示緩沖Current_Temp_Display_Buffer11 = Display_Digit0 + '0'Current_Temp_Display_