STC51入门笔记(郭天祥C语言)—第十节：（一）使用 DS18B20 温度传感器设计温控系统

项目实现功能： 使用51开发板上的DS18B20温度传感器设计温控系统，要求如下：

       用串口将采集到的温度数据实时发送至上位机，在上位机软件上显示当前温度值（关于上位机软件的编写请参考下篇VB 内容）。
       关于温度变化的实现，大家可参考以下方法： 室温通常在 28°C左右，用手捏住温度传感器可使其温度上升，用温度低的物体接触温度传感器可使其温度降低，或在温度传感器上淋点水，然后对着温度传感器吹气可以使温度迅速下降，大家也可想其他办法使温度传感器周围温度在 25°C~32°C 变化。
 

一、温度传感器概述：

       温度传感器是各种传感器中最常用的一种，早期使用的是模拟温度传感器，如热敏电阻，随着环境温度的变化，它的阻值也发生线性变化，用处理器采集电阻两端的电压，然后根据某个公式就可计算出当前环境温度。随着科技的进步，现代的温度传感器已经走向数字化， 外形小，接口简单，广泛应用在生产实践的各个领域，为我们的生活提供便利。随着现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国DALLAS半导体公司推出的数字化温度传感器DS18B20采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而 大大简化了传感器与微处理器的接口。

二、DS18B20 温度传感器介绍：

      DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。

1、D818B20温度传感器特性：
① 适应电压范围宽，电压范围在3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
② 独特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。
③ 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
④ 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
⑤ 测温范围-55°C~+I25°C,在-10°C~+85°C时精度为的0.5°C。
⑥ 可编程分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5°C,0.25°C,0.125°C和0.0625°C,    可实现高精度测温。
⑦ 在9位分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换为数字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度值转换为数字，显然速度更快。
⑧ 测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
⑨ 负压特性。电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2、应用范围：
① 冷冻库、粮仓、储罐、电信机房、电力机房、电缆线槽等测温和控制领域。
② 轴瓦、缸体、纺机、空调等狭小空间工业设备测温和控制。
③ 汽车空调、冰箱、冷柜以及中低温干燥箱等。
④ 供热、制冷管道热量计量、中央空调分户热能计量等。
3、引脚介绍：

DS18B20有两种封装：三脚T0-92直插式（用的最多、最普遍的封装）和八脚SOIC贴片式。

4、硬件连接：
       我们首先来了解“单总线”的概念。目前常用的单片机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C,SPI和SCI总线。其中l2C总线以同步串行二线方式进行通信（一条时钟线，—条数据线），SPI总线则以同步串行三线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线），而SCI总线是以异步方式进行通信（一条数据输入线，一条数据输出线）。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线，而DS18B20使用的单总线技术与上述总线不同，它采用单条信号线，既可传输时钟，又可传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。
       主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为5kQ的上拉电阻。芯片手册上的典型连接如下图所示。

       DS18B20和单片机的连接非常简单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20。这个图的接法是单片机与一个DS18B20通信，如果要控制多个DS18B20进行温度采集，只要将所有DS18B20的I/O口全部连接到一起就可以了。在具体操作时，通过读取每个DS18B20内部芯片的序列号来识别。本章我们仅操作一个DS18B20进行温度采集。掌握了本章的知识，就能很容易扩展，设计出多点温度采集系统。
5、工作原理：
      硬件电路连接好以后，单片机需要怎样工作才能将DS18B20中的温度数据读取出来呢面将给出详细分析。
首先我们来看控制DS18B20的指令：
① 33H—读ROM。读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）。
② 55H—匹配ROM。发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20并使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读／写做准备。
③ FOH—搜索ROM。用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数，识别64位ROM地址，为操作各器件做好准备。
④ CCH—跳过ROM。忽略64位ROM地址，直接向18B20发温度变换命令，适用于一个从机工作。
⑤ ECH—告警搜索命令。执行后只有温度超过设定值上限或下限的芯片才做出响应。以上这些指令涉及的存储器是64位光刻ROM,    下表列出了它的各位定义。

       64位光刻ROM中的序列号是出厂前被光刻好的，它可以看做该DS18B20的地址序列码。其各位排列顺序是：开始8位为产品类型标号，接下来48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的CRC循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一条总线上挂接多个DS18B20的目的。
       下面介绍以上儿条指令的用法。当主机需要对众多在线DS18B20中的某一个进行操作时，首先应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号；然后再将所有的DS18B20挂接到总线上，单片机发出匹配ROM命令(55H),紧接着主机提供的64位序列（包括该DS18B20的48位序列号）之后的操作就是针对该DS18B20的。
       如果主机只对一个DS18B20进行操作，就不需要读取ROM编码以及匹配ROM编码了，只要用跳过ROM (CCH)命令，就可进行如下温度转换和读取操作。
① 44H—温度转换。启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms(9位为93.75ms)。结果存入内部9字节的RAM中。
② BEH—读暂存器。读内部RAM中9字节的温度数据。
③ 4EH—写暂存器。发出向内部RAM的第2,    3字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。
④ 48H—复制暂存器。将RAM中第2,    3字节的内容复制到E2PROM中。
⑤88H—重调E2PROM。将E2PROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。
⑥84H—读供电方式。读DS18B20的供电模式。寄生供电时，DS18B20发送0;外接电源供电时，DS18B20发送1。
以上这些指令涉及的存储器为高速暂存器RAM和可电擦除E2PROM,    见下表。

        高速暂存器RAM由9个字节的存储器组成。第0~1个字节是温度的显示位；第2和第3个字节是复制的TH和TL,同时第2和第3个字节的数字可以更新；第4个字节是配置寄存器，同时第4个字节的数字可以更新；第5,6,7三个字节是保留的。可电擦除E2PROM又包括温度触发器TH和TL,以及一个配置寄存器。这些大家了解就可以了。
       下表列出了温度数据在高速暂存器RAM的第0和第1个字节中的存储格式。

       DS18B20 在出厂时默认配置为12位，其中最高位为符号位，即温度值共11位，单片机在读取数据时，一次会读2字节共16位，读完后将低11位的二进制数转化为十进制数后再乘以0.0625便为所测的实际温度值。另外，还需要判断温度的正负。前5个数字为符号位，这5位同时变化，我们只需要判断11位就可以了。前5位为1时，读取的温度为负值，且测到的数值需要取反加1再乘以0.0625才可得到实际温度值。前5位为0时，读取的温度为正值，且温度为正值时，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度值。
6、工作时序图：
下图为时序图中各总线状态。

（1）初始化（时序图见下图)

① 先将数据线置高电平1。
② 延时（该时间要求不是很严格，但是要尽可能短一点）。
③ 数据线拉到低电平0。
④ 延时750μs(该时间范围可以在480~960μs)。
⑤ 数据线拉到高电平1。
⑥ 延时等待。如果初始化成功则在15~60ms内产生一个由DS18B20返回的低电平0,据该状态可以确定它的存在。但是应注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时判断。
⑦ 若CPU读到数据线上的低电平0后，还要进行延时，其延时的时间从发出高电平算起（第＠步的时间算起）最少要480μs。
雹）将数据线再次拉到高电平1后结束。

(2) DS18B20写数据（时序图见下图)

① 数据线先置低电平 0。
② 延时确定的时间为 15μs。
③ 按从低位到高位的顺序发送数据（一次只发送一位）。
④ 延时时间为 45μs。
⑤ 将数据线拉到高电平 1 。
⑥ 重复①~⑤步骤，直到发送完整个字节。
⑦ 最后将数据线拉高到 1。

(3) DS18B20 读数据（时序图见下图）

① 将数据线拉高到1。
② 延时2μs。
③ 将数据线拉低到0。
④ 延时6μs。
⑤ 将数据线拉高到1。
⑥ 延时4μs。
⑦ 读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理。
⑧ 延时30μs。
⑨ 重复①~⑦步骤，直到读取完一个字节。
 

来源：Sumjess