基于DS18B20的智能溫度測量裝置
一、前言
溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，②模擬集成溫度傳感器，③智能集成溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。文章將介紹智能集成溫度傳感器DS18B20的結(jié)構(gòu)特征及控制方法，并對以此傳感器，89C2051單片機(jī)為控制器構(gòu)成的溫度測量裝置的工作原理及程序設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的介紹。該裝置適用于人民的日常生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用于溫度測量。
二、DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器
由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。
1、 DS18B20性能特點(diǎn)
DS18B20的性能特點(diǎn)：①采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機(jī)接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進(jìn)制數(shù)，含符號位），②測溫范圍為-55℃-+125℃，測量分辨率為0.0625℃,③內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM，④適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)，⑤用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限，⑥內(nèi)含寄生電源。
2、 DS18B20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,高速暫存器。DS18B20的管腳排列如圖1所示。
64位光刻ROM是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號。不同的器件地址序列號不同。
圖1 DS18B20引腳分布圖
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8位產(chǎn)品系列號 |
48位產(chǎn)品序號 |
8位CRC編碼 |
DS18B20高速暫存器共9個(gè)存存單元，如表所示：
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序號 |
寄存器名稱 |
作 用 |
序號 |
寄存器名稱 |
作 用 |
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0 |
溫度低字節(jié) |
以16位補(bǔ)碼形式存放 |
4、5 |
保留字節(jié)1、2 |
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1 |
溫度高字節(jié) |
6 |
計(jì)數(shù)器余值 |
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2 |
TH/用戶字節(jié)1 |
存放溫度上限 |
7 |
計(jì)數(shù)器/℃ |
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3 |
HL/用戶字節(jié)2 |
存放溫度下限 |
8 |
CRC |
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以12位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算：12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個(gè)高低兩個(gè)8位的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再乘于0.0625才能得到實(shí)際溫度。
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高8位 |
S |
S |
S |
S |
S |
26 |
25 |
24 |
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低8位 |
23 |
22 |
21 |
20 |
2-1 |
2-2 |
2-3 |
2-4 |
1、DS18B20控制方法
在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I/O與單片機(jī)的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)UDD、GND接地，I/O接單片機(jī)I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電阻。
DS18B20有六條控制命令，如表所示：
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指 令 |
約定代碼 |
操 作 說 明 |
|
溫度轉(zhuǎn)換 |
44H |
啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 |
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讀暫存器 |
BEH |
讀暫存器9個(gè)字節(jié)內(nèi)容 |
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寫暫存器 |
4EH |
將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié) |
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復(fù)制暫存器 |
48H |
把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中 |
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重新調(diào)E2RAM |
B8H |
把E2RAM中的TH、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié) |
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讀電源供電方式 |
B4H |
啟動(dòng)DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主CPU |
CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化，再進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)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。
三、基于DS18B20的溫度測量裝置
1、系統(tǒng)組成
由DS18B20構(gòu)成的智能溫度測量裝置由三部分組成：DS18B20溫度傳感器、89C2051、顯示模塊。產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)：①測量范圍：-55℃-+125℃，②測量精度：0.5℃，③反應(yīng)時(shí)間≤500ms。
2、 工作原理
基于DS18B20的溫度測量裝置電圖如圖2所示：溫度傳感器DS18B20將被測環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成帶符號的數(shù)字信號（以十六位補(bǔ)碼形式，占兩個(gè)字節(jié)），傳感器可置于離裝置150米以內(nèi)的任何地方，輸出腳I/O直接與單片機(jī)的P1.1相連，R1為上拉電阻，傳感器采用外部電源供電。89C2051是整個(gè)裝置的控制核心，89C2051內(nèi)帶1K字節(jié)的FlashROM，用戶程序存放在這里。顯示器模塊由四位一體的共陽數(shù)碼管和4個(gè)9012組成。系統(tǒng)程序分傳感器控制程序和顯示器程序兩部分，傳感器控制程序是按照DS18B20的通信協(xié)議編制。系統(tǒng)的工作是在程序控制下，完成對傳感器的讀寫和對溫度的顯示。
1、 程序設(shè)計(jì)
根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議,按圖2的硬件結(jié)構(gòu)。下面是系統(tǒng)的主要程序。
系統(tǒng)主程序********************
ORG 0100H
I/O BIT P3.4
START：LCALL RST18B20 ；調(diào)DS18B20初始化子程序
MOV A，#OCCH ；寫CCH到DS18B20，以便跳過ROM匹配
LCALL WIDS18B20 ；WIDS18B20是寫18B20子程序
JNB F1， START ；若DS18B20不存在則從新開始
MOV A，#44H ；發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令
LCALL WIDS18B20
LCALL DSPLAY ；調(diào)顯示子程序
LCALL RST18B20
MOV A，#0BEH ；發(fā)讀溫度命令
LCALL WIDS18B20
LCALL RDDS18B20 ；RDDS18B20是讀子程序
LCALL ZWDS18B20 ；ZWDS18B20是溫度計(jì)算子程序
LCALL DSPLAY
LJMP START
***********部分子程序************
DS18B20初始化子程序***********
RST18B20： SETB I/O
CLR I/O
MOV R0,#0FAH ；延時(shí)500微秒
LP1：DJNZ R0,LP1
SETB I/O ；釋放總線
MOV R0,#15H ；在63微秒內(nèi)檢測是否出現(xiàn)應(yīng)答信號
LP2：JNB I/O,LP3
DJNZ R0,LP2
CLR F1 ；清標(biāo)志位,表示DS1820不存在
LJMP LP5
LP3：SETB F1 ；標(biāo)專置1，表示DS18B20存在
MOV R0,#0FAH ；延時(shí)500微秒
LP4：DJNZ R0,LP4
LP5：SETB I/O
RET
18B20讀子程序**********
RDDS18B20：MOV R2,#8
LOOP：CLR C
SETB I/Q
NOP
CLR I/Q
NOP
SETB I/Q
MOV R3,#7
DJNZ R3,$
MOV C,I/Q
MOV R3,#23
DJNZ R3,$
RRC A
DJNZ R2,LOOP
RET
18B20寫子程序************
WIDS18B20： MOV R2,#8
CLR C
WI：CLR DQ
MOV R3,#6
DJNZ R3,$
RRC A
MOV DQ,C
MOV R3,#23
DJNZ R3,$
SETB DQ
NOP
DJNZ R2,WR1
SETB DQ
RET
18B20顯示子程序************
DSPLAY：----------
18B20溫度計(jì)算子程序************
ZWDS18B20：----------
END
結(jié)束語
數(shù)字單總線溫度傳感器是目前最新的測溫器件，它集溫度測量，A/D轉(zhuǎn)換于一體，具有單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)字量輸出，直接與微機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)。既可用它組成單路溫度測量裝置，也可用它組成多路溫度測量裝置，文章介紹的單路溫度測量裝置已研制成產(chǎn)品,產(chǎn)品經(jīng)測試在-10℃-70℃間測得誤差為0.25℃,80℃≤T≤105℃時(shí)誤差為0.5℃,當(dāng)T>105℃誤差為增大到1℃左右。用單總線溫度傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的測溫裝置具有推廣價(jià)值。
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