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單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教程溫度傳感器優(yōu)選單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教程溫度傳感器圖XP_18_02步驟2-升高的溫度值顯示圖XP_18_03步驟3-制冷后的溫度值顯示18.1項(xiàng)目目標(biāo)設(shè)計(jì)了解DS18B20溫度傳感器的工作原理；掌握一線制總線的通信方式及原理；掌握單片機(jī)對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行讀寫控制的方法；對(duì)照DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)，理解對(duì)其進(jìn)行寫和讀的軟件編制方法；在達(dá)到以上四點(diǎn)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)本章“項(xiàng)目擴(kuò)展任務(wù)”中提出的問(wèn)題，以組或個(gè)人為單位，在規(guī)定時(shí)間里完成擴(kuò)展項(xiàng)目任務(wù)。18.2項(xiàng)目任務(wù)溫度傳感器項(xiàng)目的電路原理圖如圖18-1所示，DS18B20溫度傳感器與STC89C52RC單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)讀寫采用了一線制總線方式，STC89C52RC單片機(jī)本身不包含一線制總線通信控制器的功能，為了與具有一線制總線通信功能的DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，STC89C52RC單片機(jī)必須利用自身的1根I/O線（這里是P17引腳），作為一線制的通信信號(hào)線，利用軟件模擬產(chǎn)生一線制通信協(xié)議規(guī)定的傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，以完成與DS18B20之間的數(shù)據(jù)交換。本項(xiàng)目應(yīng)完成以下程序設(shè)計(jì)：通過(guò)C51嵌入式軟件對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化及當(dāng)前溫度的讀取，并將讀取的溫度值在七段LED數(shù)碼管和1602液晶顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。圖18-1溫度傳感器項(xiàng)目的電路原理圖18.3系統(tǒng)板上硬件連線PMY單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上溫度傳感器項(xiàng)目的連接插線設(shè)置如圖18-2所示。圖18-2開(kāi)發(fā)板上溫度傳感器項(xiàng)目的連接插線設(shè)置18.4程序流程圖圖18-3溫度傳感器項(xiàng)目的程序流程圖18.5C語(yǔ)言源程序（略）18.6系統(tǒng)構(gòu)成和程序分析18.6.1溫度傳感器DS18B20的概述DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體器件公司在其前代產(chǎn)品DS18B20的基礎(chǔ)上推出的單線數(shù)字化智能集成溫度傳感器【38】，其特點(diǎn)是：對(duì)于DS18B20的訪問(wèn)分為3個(gè)步驟，即初始化、序列號(hào)訪問(wèn)和內(nèi)存訪問(wèn)。0000000000001000搜索有報(bào)警的DS18B20的測(cè)溫點(diǎn)優(yōu)選單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教程溫度傳感器0000011111010000向DS18B20供電的另外一種方法是通過(guò)使用連接到VCC引腳的外部電源。PMY單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上溫度傳感器項(xiàng)目的連接插線設(shè)置如圖18-2所示。圖18-5所示DS18B20的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖給出了寄生電源電路。搜索有報(bào)警的DS18B20的測(cè)溫點(diǎn)（2）、不需要額外的外部元件搭建外圍電路即可正常運(yùn)行。規(guī)定TH中的有符號(hào)值必須大于TL中的有符號(hào)值，DS18B20的輸出數(shù)據(jù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系由表18-1給出。傳統(tǒng)溫度傳感的溫度值轉(zhuǎn)換需要先經(jīng)電橋電路獲取電壓模擬量，再經(jīng)信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其缺點(diǎn)是在更換傳感器時(shí)，會(huì)因放大器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移而必須對(duì)電路進(jìn)行重新調(diào)試，以克服這種參數(shù)的不一致性。Exist=DQ;//檢測(cè)存在標(biāo)志Exist=0，條件滿足DS18B20存在繼續(xù)下一步表18-3DS18B20的RAM命令格式5C語(yǔ)言源程序（略）搜索有報(bào)警的DS18B20的測(cè)溫點(diǎn)暫存存儲(chǔ)器是按8位字節(jié)存儲(chǔ)器來(lái)組織的，頭兩個(gè)字節(jié)包含測(cè)得溫度信息，第3、第4和第5個(gè)字節(jié)是TH、TL和程序設(shè)置字節(jié)的易失性拷貝，在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新；（1）、獨(dú)特的單線接口，只需1個(gè)接口引腳即可通信。（2）、不需要額外的外部元件搭建外圍電路即可正常運(yùn)行。（3）、可用數(shù)據(jù)線供電，不需備份電源。（4）、測(cè)量范圍為-55～+125℃，增量值為0.5℃；等效的華氏溫度范圍是-67～257℉，增量值為0.9℉。（5）、以9～12位數(shù)字值方式讀出溫度。（6）、在1s典型值內(nèi)把溫度變換為數(shù)字。（7）、用戶可定義的非易失性的溫度告警設(shè)置。主要的優(yōu)點(diǎn)是【39】：（1）、DS18B20可將被測(cè)溫度直接轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)輸出。傳統(tǒng)溫度傳感的溫度值轉(zhuǎn)換需要先經(jīng)電橋電路獲取電壓模擬量，再經(jīng)信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其缺點(diǎn)是在更換傳感器時(shí)，會(huì)因放大器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移而必須對(duì)電路進(jìn)行重新調(diào)試，以克服這種參數(shù)的不一致性。而由于DS18B20為數(shù)字式器件，不存在這類問(wèn)題，因此使用起來(lái)非常方便。（2）、DS18B20能提供9～12位溫度讀數(shù)，精度高且其信息傳輸只需1根信號(hào)線，與計(jì)算機(jī)接口十分簡(jiǎn)便，讀寫及溫度變換的功率全部來(lái)自于數(shù)據(jù)線，因此不需額外的附加電源。（3）、每一個(gè)DS18B20都含有一個(gè)唯一的序列號(hào)，這樣的設(shè)計(jì)是為了允許多個(gè)DS18B20連接到同一總線上，因此非常適合構(gòu)建多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。（4）、負(fù)壓特性。DS18B20的當(dāng)電源極性接反時(shí)，它雖然不能正常工作，但也不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。正是由于具有以上特點(diǎn)，DS18B20在解決各種誤差、可靠性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面與傳統(tǒng)各種溫度傳感器相比，有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因而廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制、環(huán)境控制、建筑物和機(jī)器設(shè)備中的溫度檢測(cè)等領(lǐng)域。18.6.2溫度傳感器DS18B20的引腳分配和內(nèi)部功能圖18-4DS18B20的實(shí)物和引腳圖DS18B20全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，如圖18-4所示。三端口分別是地線、數(shù)據(jù)線和電源線，其外圍電路非常簡(jiǎn)單。每一個(gè)DS18B20有唯一的系列號(hào)，多個(gè)DS18B20可以存在于同一條單線總線上。溫度傳感器DS18B20測(cè)溫范圍為－55～＋125℃，增量值為0.5℃(9位溫度讀數(shù))，其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖18-5所示。它主要由4個(gè)數(shù)據(jù)部件部分組成，即：64位ROM溫度傳感器、非易失性的溫度告警觸發(fā)器TH和TL及中間結(jié)果暫存器。圖18-5DS18B20的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖64位ROM用于存儲(chǔ)序列號(hào)，其首字節(jié)固定為28H，表示產(chǎn)品類型碼，接下來(lái)的6個(gè)字節(jié)是每個(gè)器件的編碼，最后1個(gè)字節(jié)是CRC校驗(yàn)碼。溫度告警觸發(fā)器TH和TL存儲(chǔ)用戶通過(guò)軟件寫入的報(bào)警上下限值。中間結(jié)果暫存器由9個(gè)字節(jié)組成，其中有2個(gè)字節(jié)RAM單元用來(lái)存放溫度值，前1個(gè)字節(jié)為溫度值的補(bǔ)碼低8位，后1個(gè)字節(jié)為符號(hào)位和溫度值的補(bǔ)碼高3位。DS18B20通過(guò)使用在板（on-board）溫度測(cè)量專利技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度，溫度測(cè)量電路的方框圖見(jiàn)圖18-6所示，它是通過(guò)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。低溫度系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)由高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期而被計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器被預(yù)置在與－55℃相對(duì)應(yīng)的一個(gè)基權(quán)值，如果計(jì)數(shù)器在高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，表示測(cè)量的溫度值高于－55℃，被預(yù)置于－55℃的溫度寄存器的值就增加1℃，然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束為止。這時(shí)溫度寄存器中的值就是被測(cè)溫度值，這個(gè)值以16位形式存放在中間結(jié)果暫存器中，此溫度值可由主器件通過(guò)發(fā)存儲(chǔ)器讀命令而讀出，讀取時(shí)低位在前，高位在后。斜率累加器用于補(bǔ)償溫度振蕩器的拋物線特性。圖18-6DS18B20溫度測(cè)量電路方框圖18.6.3溫度傳感器DS18B20內(nèi)部存儲(chǔ)器分配圖18-7DS18B20內(nèi)部存儲(chǔ)器分配示意圖DS18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)器分配如圖18-7所示，是由一個(gè)中間結(jié)果暫存器RAM和一個(gè)非易失性電可擦除EEROM組成，后者存儲(chǔ)高、低溫度觸發(fā)器TH和TL及程序設(shè)置字節(jié)。暫存存儲(chǔ)器有助于在單線通信時(shí)確保數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)據(jù)首先寫入暫存存儲(chǔ)器，在那里它可以被讀回，當(dāng)數(shù)據(jù)被校驗(yàn)之后，復(fù)制暫存存儲(chǔ)器的命令把數(shù)據(jù)傳送到非易失性EEROM（掉電后依然保存）。暫存存儲(chǔ)器是按8位字節(jié)存儲(chǔ)器來(lái)組織的，頭兩個(gè)字節(jié)包含測(cè)得溫度信息，第3、第4和第5個(gè)字節(jié)是TH、TL和程序設(shè)置字節(jié)的易失性拷貝，在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新；接著的3個(gè)字節(jié)沒(méi)有使用，但是在讀回時(shí)它們呈現(xiàn)為邏輯全1，第8個(gè)字節(jié)是冗余校驗(yàn)CRC字節(jié)，它是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC值。如圖18-7，頭兩個(gè)字節(jié)代表測(cè)得的溫度讀數(shù)，MSB中的S=1時(shí)表示溫度為負(fù)，S=0時(shí)表示溫度為正，其余低位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示，最低位為1時(shí)表示0.0625℃。規(guī)定TH中的有符號(hào)值必須大于TL中的有符號(hào)值，DS18B20的輸出數(shù)據(jù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系由表18-1給出。程序設(shè)置寄存器主要用來(lái)設(shè)置分辨率位數(shù)的，各位的意義為.·TM測(cè)試模式位。為1表示測(cè)試模式，為0表示工作模式，出廠時(shí)該位設(shè)為0，且不可改變。·R1、R0與溫度分辨率有關(guān)。00表示9位，01表示10位，10表示11位，11表示12位。分辨率越高，則轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，12位分辨率的典型轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為750ms。表18-1DS18B20輸出數(shù)據(jù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系溫度/℃溫度數(shù)據(jù)輸出（二進(jìn)制）溫度數(shù)據(jù)輸出（八進(jìn)制）＋125000001111101000007D0H＋8500000101010100000550H＋25.062500000001101000100191H＋10.125000000001010001000A2H＋0.500000000000010000008H000000000000000000000H－0.51111111111111000FFF8H－10.1251111111101011110FF5EH－25.06251111111001101111FF6FH－551111110010010000FC90H18.6.4溫度傳感器DS18B20的寄生電源和硬件接法圖18-5所示DS18B20的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖給出了寄生電源電路。當(dāng)I/O（DQ引腳）或VCC引腳為高電平時(shí)，這個(gè)電路便“取”得電源，只要符合指定的充電時(shí)間和電壓要求，I/O將提供足夠的功率。寄生電源具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，可以利用I/O引腳遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)而無(wú)需本地電源；第二，在缺少正常電源條件下也可以讀取ROM的值。因?yàn)镈S18B20的工作電流高達(dá)1mA，為了使DS18B20能準(zhǔn)確地完成溫度變換，當(dāng)溫度變換發(fā)生時(shí)，I/O線上必須提供足夠的功率。有兩種方法確保DS18B20在其有效變換期內(nèi)得到足夠的電源電流。第一種方法是發(fā)生溫度變換時(shí)，在I/O線上提供一路強(qiáng)的上拉電源【38】，如使用一個(gè)MOSFET把I/O線直接拉到電源電壓。當(dāng)使用寄生電源方式時(shí)，VCC引腳必須連接到地。圖18-8溫度計(jì)項(xiàng)目的系統(tǒng)功能圖向DS18B20供電的另外一種方法是通過(guò)使用連接到VCC引腳的外部電源。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在I/O線上不要求附加強(qiáng)的上拉電源，總線上DS18B20便可以在溫度變換期間保持自身供電，這就保證了在變換時(shí)間內(nèi)其它數(shù)據(jù)能夠在單線上正常傳送。此外，在單線總線上可以放置任何數(shù)目的DS18B20，而且如果它們都使用外部電源，那么通過(guò)發(fā)出跳過(guò)SkipROM命令和接著發(fā)出變換ConvertT命令可以同時(shí)完成溫度變換。此時(shí)要注意，只要外部電源處于工作狀態(tài)，GND引腳不可懸空。開(kāi)發(fā)板上的J2連接插線設(shè)置了VCC的選擇模式，參照?qǐng)D18-1，J2的3腳為DS18B20的電源輸入腳，用短接片插入不同的位置，即可選擇該腳與電源和地相連，從而完成上述兩種方式的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。為了更加清晰地說(shuō)明開(kāi)發(fā)板的系統(tǒng)連線，圖18-8給出了溫度計(jì)項(xiàng)目的系統(tǒng)功能圖，請(qǐng)讀者對(duì)照該圖加深對(duì)以上內(nèi)容的解釋。18.6.5溫度傳感器DS18B20的程序編制方法單總線上每一個(gè)器件的使用都是從初始化開(kāi)始的，初始化的時(shí)序是，單片機(jī)首先發(fā)出復(fù)位脈沖，在經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，一個(gè)或多個(gè)單總線器件發(fā)出應(yīng)答脈沖，如果單片機(jī)檢測(cè)到單總線上有器件存在，就可以發(fā)出傳送ROM命令。具體的傳送ROM命令見(jiàn)表18-2所示。只有當(dāng)表18-2所示的任意一條ROM指令被成功執(zhí)行后，才會(huì)執(zhí)行單片機(jī)發(fā)出的訪問(wèn)被選中器件的存儲(chǔ)和控制命令，這些命令被存放在DS18B20的RAM中，主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)單總線溫度傳感器DS18B20溫度轉(zhuǎn)換等功能，具體的RAM命令格式見(jiàn)表18-3所示。表18-2DS18B20的ROM命令格式指令功能代碼說(shuō)明讀ROM33H讀產(chǎn)品編碼、序列號(hào)和CRC校驗(yàn)碼匹配ROM55H后繼64位ROM序列對(duì)總線上的DS18B20尋址搜索ROMF0H對(duì)總線上的多個(gè)DS18B20進(jìn)行ROM編碼的搜索跳過(guò)ROMCCH在單點(diǎn)測(cè)溫中，跳過(guò)對(duì)ROM編碼的搜索告警搜索ECH搜索有報(bào)警的DS18B20的測(cè)溫點(diǎn)（1）、獨(dú)特的單線接口，只需1個(gè)接口引腳即可通信。溫度告警觸發(fā)器TH和TL存儲(chǔ)用戶通過(guò)軟件寫入的報(bào)警上下限值。1111110010010000協(xié)議由幾種單線上的信號(hào)類別組成，即：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。如圖18-7，頭兩個(gè)字節(jié)代表測(cè)得的溫度讀數(shù)，MSB中的S=1時(shí)表示溫度為負(fù)，S=0時(shí)表示溫度為正，其余低位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示，最低位為1時(shí)表示0.圖18-5所示DS18B20的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖給出了寄生電源電路。DS18B20通過(guò)使用在板（on-board）溫度測(cè)量專利技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度，溫度測(cè)量電路的方框圖見(jiàn)圖18-6所示，它是通過(guò)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1111111101011110讀9個(gè)字節(jié)溫度值和CRC值表18-3DS18B20的RAM命令格式表18-2DS18B20的ROM命令格式DS18B20通過(guò)使用在板（on-board）溫度測(cè)量專利技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度，溫度測(cè)量電路的方框圖見(jiàn)圖18-6所示，它是通過(guò)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（6）、在1s典型值內(nèi)把溫度變換為數(shù)字。了解DS18B20溫度傳感器的工作原理；3溫度傳感器DS18B20內(nèi)部存儲(chǔ)器分配中間結(jié)果暫存器由9個(gè)字節(jié)組成，其中有2個(gè)字節(jié)RAM單元用來(lái)存放溫度值，前1個(gè)字節(jié)為溫度值的補(bǔ)碼低8位，后1個(gè)字節(jié)為符號(hào)位和溫度值的補(bǔ)碼高3位。搜索有報(bào)警的DS18B20的測(cè)溫點(diǎn)接著的3個(gè)字節(jié)沒(méi)有使用，但是在讀回時(shí)它們呈現(xiàn)為邏輯全1，第8個(gè)字節(jié)是冗余校驗(yàn)CRC字節(jié)，它是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC值。表18-3DS18B20的RAM命令格式指令功能代碼說(shuō)明溫度變換44H啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器BEH讀9個(gè)字節(jié)溫度值和CRC值寫暫存器4EH寫上下限值到暫存器復(fù)制暫存器48H將暫存器上下限值復(fù)制到EEPROM讀EEPROMB8H將EEPROM的上下限值調(diào)入到暫存器中讀電源B4H檢測(cè)供電方式對(duì)于DS18B20的訪問(wèn)分為3個(gè)步驟，即初始化、序列號(hào)訪問(wèn)和內(nèi)存訪問(wèn)。由于項(xiàng)目用開(kāi)發(fā)板上只有一個(gè)DS18B20，因此在初始化DS18B20后，將用跳過(guò)對(duì)ROM編碼搜索的指令，直接調(diào)用溫度轉(zhuǎn)換命令，并在主程序中實(shí)現(xiàn)七段LED數(shù)碼管和1602LCD液晶顯示器同時(shí)顯示當(dāng)前溫度值的功能。關(guān)于DS18B20實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)的方法，讀者請(qǐng)結(jié)合本章內(nèi)容并參閱參考文獻(xiàn)【39】、【40】和【41】中所述方法加以實(shí)現(xiàn)。（1）、DS18B20的初始化方法圖18-9DS18B20的初始化復(fù)位脈沖時(shí)序圖DS18B20要求嚴(yán)格的協(xié)議來(lái)確保數(shù)據(jù)傳送的完整性【39】。協(xié)議由幾種單線上的信號(hào)類別組成，即：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號(hào)除了存在脈沖之外，均由總線主器件（開(kāi)發(fā)板上的STC89C52RC）產(chǎn)生。圖18-9給出了DS18B20的初始化復(fù)位脈沖時(shí)序圖，當(dāng)主器件開(kāi)始與從器件DS18B20進(jìn)行通信時(shí)，主器件必須先給出復(fù)位脈沖，經(jīng)過(guò)給定時(shí)間，DS18B20發(fā)出存在脈沖，表示已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送或者接收由主器件發(fā)送的ROM命令和存儲(chǔ)器操作命令。18.5節(jié)C語(yǔ)言源程序中的DS18B20_reset函數(shù)完成DS18B20的初始化功能。首先總線主器件發(fā)送最短為480μs的低電平TX復(fù)位脈沖信號(hào)，源代碼中的以下語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程：DQ=1;_nop_();_nop_();//一線制總線置高2μs準(zhǔn)備寫過(guò)程DQ=0;delay(50);//一線制總線置低550μs滿足復(fù)位延長(zhǎng)時(shí)間條件接著總線主器件便釋放此線并進(jìn)入接收方式，由于圖18-1中上拉電阻R43的作用，一線制總線被拉至高電平狀態(tài)，在檢測(cè)到DQ（I/O）引腳上的上升沿之后，DS18B20等待15～60μs，源代碼中的下條語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)一線制總線置1大約66μs。DQ=1;delay(6);//一線制總線置高66μs滿足復(fù)位延長(zhǎng)時(shí)間條件此時(shí)，DS18B20的最大等待時(shí)間60μs已被超過(guò)，可以檢測(cè)一線總線上是否存在DS18B20給出的存在脈沖，可用檢測(cè)DQ的引腳狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)：Exist=DQ;//檢測(cè)存在標(biāo)志Exist=0，條件滿足DS18B20存在繼續(xù)下一步然后再延時(shí)500μs，滿足主器件Rx接收脈沖的時(shí)間最少保證條件：delay(45);//延時(shí)500μs，Exist消失，此時(shí)DQ已被上拉電阻置高