基于DS18B20的溫度測量模塊設(shè)計

1、基于DS18B20的溫度測量模塊設(shè)計1. 設(shè)計目的（1） 掌握DS18B20數(shù)字溫度傳感器的工作原理及使用方法（2） 掌握對DS18B20轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法（3） 學(xué)習(xí)用數(shù)碼管顯示復(fù)雜數(shù)據(jù)的方法2. 設(shè)計任務(wù)用AT89S52控制DS18B20，讀取數(shù)據(jù)，并對DS18B20轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在數(shù)碼管上顯示DS18B20測出的溫度。要求使用6位數(shù)碼管顯示，最高位為符號位，如果溫度值為正，不顯示，如果溫度為負(fù)，則顯示負(fù)號；第24位顯示溫度值的整數(shù)部分，并在第4位數(shù)據(jù)上顯示小數(shù)點(diǎn)；第5位顯示一位小數(shù)，最低位顯示攝氏度符號“C”。(1) 基本要求Ø 用AT89C51控制DS18B2

2、0，讀取數(shù)據(jù)Ø 對DS18B20轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值Ø 將符號位,整數(shù)值和小數(shù)值分別存放在特定的存儲單元中.(2) 進(jìn)階要求在數(shù)碼管上顯示DS18B20測出的溫度,只要求顯示出溫度值的整數(shù)部分及符號位。(3) 高級要求Ø 使用6位數(shù)碼管顯示測得的溫度Ø 最高位為符號位，如果溫度值為正，不顯示，如果溫度為負(fù)，則顯示負(fù)號Ø 第24位顯示溫度值的整數(shù)部分，并在第4位數(shù)據(jù)上顯示小數(shù)點(diǎn)Ø 第5位顯示一位小數(shù)Ø 最低位顯示攝氏度符號“C”3. 設(shè)計原理(1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-1 基于DS18B20的測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(2)

3、 DS18B20數(shù)字溫度傳感器概述DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。DS18B20產(chǎn)品的特點(diǎn)：Ø 只要求一個端口即可實(shí)現(xiàn)通信。Ø 在DS18B20中的每個器件上都有獨(dú)一無二的序列號。Ø 實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測溫。Ø 測量溫度范圍在55。C到125。C之間。Ø 數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。Ø 內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。TO92封裝的DS18

4、B20的引腳排列見圖4-2，其引腳功能描述見表4-1。圖4-2 DS18B20引腳結(jié)構(gòu)圖（底視圖）表4-1DS18B20詳細(xì)引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1GND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，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。(3) DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20的內(nèi)部框圖如圖4-3所示。64位ROM存儲器件獨(dú)一無二的序列號。暫存器包含兩字節(jié)（0和1字節(jié)）的溫度寄存器，用于存儲溫度傳感器的數(shù)字輸出。暫存器還提供一字節(jié)的上線警報觸發(fā)（TH）和下線警報觸發(fā)（TL）寄存器（2和3字節(jié)），和一字節(jié)

5、的配置寄存器（4字節(jié)），使用者可以通過配置寄存器來設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的精度。暫存器的5、6和7字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。第八字節(jié)含有循環(huán)冗余碼（CRC ）。使用寄生電源時，DS18B20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過DQ引腳提供；高電平總線信號同時也向內(nèi)部電容CPP充電，CPP在總線低電平時為器件供電。圖4-3 DS18B20的內(nèi)部框圖DS18B20加電后，處在空閑狀態(tài)。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Convert T 44h 命令；轉(zhuǎn)換完后，DS18B20回到空閑狀態(tài)。溫度數(shù)據(jù)是以帶符號位的16-bit補(bǔ)碼存儲在溫度寄存器中的，如圖4-4所示：圖

6、4-4 溫度寄存器格式符號位說明溫度是正值還是負(fù)值，正值時S=0，負(fù)值時S=1。表4-2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。表4-2 溫度/數(shù)據(jù)的關(guān)系(4) DS18B20的命令序列Ø 初始化Ø ROM命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)；Ø 功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)。訪問DS18B20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，DS18B20都不會響應(yīng)主機(jī)（除了Search ROM 和Alarm Search這兩個命令，在這兩個命令后，主機(jī)都必須返回到第一步）。 初始化：DS18B20所有的數(shù)據(jù)交換都由一個初始化序列開始。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后

7、的由DS18B20發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。當(dāng)DS18B20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。 ROM命令：ROM命令通過每個器件64-bit的ROM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）與之進(jìn)行通信。DS18B20的ROM如表4-3所示，每個ROM命令都是8 bit長。表4-3 DS18B20 ROM命令 命令描述協(xié)議此命令發(fā)出后1-Wire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33hDS18B

8、20向主機(jī)傳送ROM碼MATCH ROM主機(jī)用ROM碼來指定某一DS18B20，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 SEARCH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超出警報線的DS18B20向主機(jī)傳送ROM碼 功能命令：主機(jī)通過功能命令對DS18B20進(jìn)行讀/寫Scratchpad存儲器，或者啟動溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20的功能命令如表4-4所示。表4-4 DS18B20功能命令命令描述協(xié)議此命令發(fā)出后1-Wire總線上的活動溫 度 轉(zhuǎn) 換 命 令Convert

9、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B8hDS18B20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

10、送供電狀態(tài)(5) DS18B20的信號方式DS18B20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。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。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。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。 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480µs，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖(TX)。然后主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收(RX)模式。當(dāng)總線被釋放后，5k的上拉電阻將單總線拉高。DS18B20檢測到這個上升沿后，延時15µs60µs，通過拉低總線60µs240µs產(chǎn)生應(yīng)答

11、脈沖。初始化波形如圖4-5所示。 圖4-5 初始化脈沖 讀和寫時序在寫時序期間，主機(jī)向DS18B20寫入數(shù)據(jù)；而在讀時序期間，主機(jī)讀入來自DS18B20的數(shù)據(jù)。在每一個時序，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。讀/寫時序如圖3-6所示。² 寫時序存在兩種寫時序：“寫1”和“寫0”。主機(jī)在寫1時序向DS18B20寫入邏輯1，而在寫0時序向DS18B20寫入邏輯0。所有寫時序至少需要60µs，且在兩次寫時序之間至少需要1µs的恢復(fù)時間。兩種寫時序均以主機(jī)拉低總線開始。產(chǎn)生寫1時序：主機(jī)拉低總線后，必須在15µs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時序：主機(jī)

12、拉低總線后，必須在整個時序期間保持低電平（至少60µs）。在寫時序開始后的15µs60µs期間，DS18B20采樣總線的狀態(tài)。如果總線為高電平，則邏輯1被寫入DS18B20；如果總線為低電平，則邏輯0被寫入DS18B20。² 讀時序DS18B20只能在主機(jī)發(fā)出讀時序時才能向主機(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)生讀時序，以便DS18B20能夠傳送數(shù)據(jù)。所有讀時序至少60µs，且在兩次獨(dú)立的讀時序之間至少需要1µs的恢復(fù)時間。每次讀時序由主機(jī)發(fā)起，拉低總線至少1µs。在主機(jī)發(fā)起讀時序之后，DS18B20開始在總線

13、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0，則拉低總線。當(dāng)傳送0時，DS18B20在該時序結(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)。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時序下降沿起始后的15µs內(nèi)有效，因此主機(jī)必須在讀時序開始后的15µs內(nèi)釋放總線，并且采樣總線狀態(tài)。圖4-6 DS18B20讀/寫時序圖DS18B20 在使用時，一般都采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只需將DS18B20 信號線與單片機(jī)1 位I/O線相連，且單片機(jī)的1 位I/O 線可掛接多個DS18B20 ，就可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度檢測。(6) 小數(shù)的顯示方法DS18B20轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有四

14、位二進(jìn)制小數(shù)，精度為0.0625，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1位小數(shù)。在對四位二進(jìn)制小數(shù)進(jìn)行處理時，可先計算出這四位二進(jìn)制小數(shù)對應(yīng)的四位十進(jìn)制小數(shù)，然后對這四位十進(jìn)制小數(shù)舍棄后三位，只保留一位。在編寫程序時，可編制一個反映二進(jìn)制小數(shù)與顯示碼對應(yīng)關(guān)系的表格，根據(jù)四位二進(jìn)制小數(shù)的十六種不同情況查找對應(yīng)的一位十進(jìn)制小數(shù)的段碼，具體映射關(guān)系如表4-5所示：表4-5 二進(jìn)制小數(shù)與顯示碼的對應(yīng)關(guān)系二進(jìn)制小數(shù)位四位十進(jìn)制小數(shù)保留一位對應(yīng)顯示碼(共陰)00000.000003FH00010.0625106H00100.1250106H00110.187525BH01000.250034

15、FH01010.312534FH01100.3750466H01110.4375466H10000.500056DH10010.562567DH10100.625067DH10110.6875707H11000.750087FH11010.812587FH11100.875096FH11110.937596FH4. 程序設(shè)計流程主程序開始初始化、設(shè)置常量調(diào)DS18B20初始化子程序讀取轉(zhuǎn)換溫度值調(diào)數(shù)據(jù)處理子程序生成顯示碼顯示溫度值DS18B20復(fù)位子程序DQ置1DQ置0延時至少573微秒DQ置1短延時，等待DS18B20回應(yīng)DQ=0？FLAG1置1延時DQ置1返回FLAG1置0YN讀溫度值子程序DQ置1DS18B20復(fù)位FLAG1=1發(fā)送0CCH命令，跳過ROM匹配發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令44H延時750微秒以上DS18B20初始化跳過ROM匹配發(fā)送讀溫度命令0BEH調(diào)用讀數(shù)據(jù)子程序返回寫DS18B20命令子程序設(shè)R2=8進(jìn)位標(biāo)志位C清零短延時DQ置0ACC帶進(jìn)